載人火星任務

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美國太空總署計劃的載人火星任務想像圖

載人火星任務是20至21世紀太空科學工程學研究目標,也是科幻小說的主題之一。最終目標不僅是讓人類登陸火星,而是包括火星殖民(包括火衛一火衛二在內)及火星地球化

人類最初從1950年代開始研究載人火星任務的可行性,並預計在10至30年內實現此一目標。各國許多太空研究機構都計劃完成此一目標,包括美國太空總署歐洲太空總署在內。美國在2010年取消2020年預計執行的載人月球任務,轉而支持2025年預計執行的載人小行星任務與2030年預計執行的載人火星任務[1]

挑戰[编辑]

美國太空總署規劃的火星人類居住基地

想要完成載人火星任務,必須解決幾個關鍵問題:

  1. 人體暴露在高度宇宙線游離輻射下所產生的物理影響[2][3]
  2. 長期處於低重力的環境下對人體造成的物理影響,例如視力喪失[4][5][6]
  3. 長期處於昏暗環境下對人體造成的物理影響
  4. 遠離地球所造成的心理影響
  5. 缺乏與地球社會間的聯繫所造成的心理影響
  6. 幾位太空人長期生活在封閉空間所造成的影響
  7. 缺乏醫療設備

HUMEX研究已經將這些議題做過統計[7]。Ehlmann教授等人已經考慮過政治經濟科技生物等方面對於載人火星任務的議題[8]。載人火星任務所需的燃料對於科學家是一個挑戰,使用甲烷可以製造出二氧化碳[9]

發射窗口[编辑]

將太空船從地球發射至火星需要轉移軌道,每26個月會有一次合適的發射窗口[10]。在20世紀中,1969與1971年的發射窗口及1986年與1988年的發射窗口所需的轉移軌道能量較少[10],大約每15年重複一次。霍曼轉移軌道途中只需兩次引擎推進,相對地節省燃料。柯爾可拋射是另一種轉移軌道方式[11],這兩種方式大不相同[11]。傳統的火星探測計畫需要400至450天在圓形軌道上飛行[12]。但是火星探測計畫最快只需要245天就可以抵達火星[13]

構想[编辑]

20世紀[编辑]

藝術家根據美國太空總署在1963年的研究計畫所想像的火星載人探測器登陸火星

火箭專家沃纳·冯·布劳恩是歷史上首位著手研究火星探測科技的人,《火星計劃》與一些後續的著作內詳細記錄著他的構想。沃纳·冯·布劳恩計畫將近千個三段式火箭從地球發射升空,隨後在近地球軌道上建造太空站

Aeronutronic Ford[14]通用動力公司洛克希德公司在1962年曾研究一項火星探測計畫,它也是馬歇爾太空飛行中心主導的帝國計畫的一部分[15]。雖然帝國計畫只是構想,但是該計畫也是美國太空總署首次詳細探討載人火星任務的可能性。

沃纳·冯·布劳恩在阿波羅計畫成功後,曾提出一項載人火星任務計畫來主導載人太空任務[16]。他計畫使用農神5號運載火箭將核熱力火箭發射升空(NERVA計畫)。後來美國總統尼克森取消該計畫,轉而支持發展太空梭

蘇聯火箭專家吉洪拉沃夫曾經提出火星飛行複合計畫,該計劃於1956年至1962年間運作,預計使用N1運載火箭將太空船發射升空。

藝術家想像的TMK-MAVR構想

蘇聯在1960年代設計TMK計畫,準備發射載人太空船至火星與金星,但是不登陸地表。TMK計畫預計在1971年發射,在為期三年的旅程中,將利用火星進行重力拋射,並釋放出探測器。蘇聯意圖發展TMK計畫來對抗美國的載人登月計畫,但是該計畫因為N1運載火箭發射失敗被迫放棄。

火星探測複合計畫是蘇聯另一個火星探測計畫,準備將太空人花費630天的時間完成火星探測。

藝術家想像載人太空船登陸火星的構想

科羅拉多大學博爾德分校維京號登陸火星後,曾於1981年至1998年間進行一項稱為「Case for Mars」的計劃。該計劃從火星返回地球時使用火星資源來當作火箭燃料,而且後來在美國太空航行學會(American Astronautical Society)出版的書籍中公佈[17][18]。一些後續的概念沿用了「Case for Mars」計劃的設計,包含羅勃·祖賓(Robert Zubrin)的「火星直击」概念及杰弗里·兰迪斯的「火星足跡」概念[19]

美國太空總署在189年曾進行所謂的宇宙探索計劃(Space Exploration Initiative),準備在國際太空站完成後進行月球及火星探測任務。這項研究被稱為90天研究計畫[20],後來外界批評該計劃太過複雜且昂貴,後來研究經費遭到刪除[21]

藝術家想像載人太空船在火星集結的構想

因為火星與地球之間的距離,所以火星載人探測任務比月球載人探測任務更加危險且昂貴。火星載人探測任務必須攜帶2至3年的燃料,而且太空船至少必須能夠抵擋宇宙輻射。羅勃·祖賓與大衛·貝克在1990年提出一份論文,計畫使用火星大氣層氣體來當作火箭燃料[22][23],藉此減輕太空船的重量及成本。後來羅勃·祖賓將這個概念發展成「火星直击」構想,並於1998年創辦火星學會(Mars Society)來提倡該計劃。

國際太空大學於1991年在法國土魯斯研究國際載人火星任務[24] ,計畫使用核子動力探測器將太空人送至火星[24]

美國太空總署在1990年代曾設計幾個火星載人任務,其中一個是火星設計參考3.0計畫。該計畫由強森太空飛行中心執行,內容描述火星載人任務的運作及技術概念。火星設計參考計畫沿用之前的設計概念,包括祖賓使用火星大氣層氣體的構想。

21世紀[编辑]

火星車ExoMars的模型

俄羅斯計畫的火星領航軌道站計畫使用核反應爐,該計畫草案在2005年曝光[25]。計畫設計於2012年完成,2021年完成太空船建造[26]。歐洲太空總署規劃的曙光女神計劃是長期的火星載人探測,預計在2030年將人類送上火星。ExoMars及NEXT是曙光女神計劃早期的旗艦任務[27]美國總統乔治·沃克·布什在2004年1月宣佈一項載人探測計畫,稱為太空探測願景。計劃於2012年在月球建造前哨基地[28],2010年至2020年的前期計劃將由Adringa等人研發相關科技[29]。美國太空總署署長麥可·格利芬(Michael D. Griffin)予2007年9月24日暗示將在2037年進行火星載人探測[30]。從太空科學任務發展至火星載人探測所需的資金約為110億美元[31]。美國太空總署認為從月球發射太空船至火星可以減少成本[32]

德國火星學會計畫使用改良後的亞利安5號運載火箭來進行火星載人探測[33],大約發射5次火箭可將5名太空人送入太空,展開為期1200天的探測任務[33]

美國太空總署從火星發射探測器的想像圖
太空人探測火星的想像圖

因為太空人從火星地表返回地球是載人火星任務中最困難的環節之一,所以單程載人火星任務曾多次被提出。科學家曾在1998年國際太空發展會議中提出單程載人火星任務[34] ,想要在首次載人火星任務中建造永久的太空站。科學家認為單程載人火星任務難度及成本較低,因為太空人不需要返回地球。一位美國太空總署的工程師在2006年提出一個概念:只送一位太空人前往火星建造永久的太空站,後來許多媒體都報導這項消息,包括《哈潑斯[35] 、《紐約時報[36]、《太空總覽[37]及《探索雜誌[38]阿波羅11號太空人巴兹·奥尔德林也支持人類在火星上居住[39]

美國太空總署在2009年的報告中,提出使用戰神五號運載火箭來發射獵戶座太空船的構想[40]。美國總統贝拉克·奥巴马在2010年4月15日曾在甘迺迪太空中心發表演說,認為美國在2030年代中期可以將太空人送至火星軌道上,隨後讓太空人登陸火星。美國國會也支持美國太空總署新的發展方向,取消布什總統的2020年月球探測計畫,轉而計畫在2025年進行小行星探測及2030年代進行火星探測[41]

俄羅斯與歐州合作的火星-500在2011年11月4日順利完成[42]。俄羅斯在2000年7月完成載人火星任務所需的生物科技設備[43]太空X製造的低成本火星登陸艙紅龍號太空船正在研發中,它改良自天龍號太空船。這種概念將應用於美國太空總署預計在2018年發射的探測器中,主要目標是偵測火星生命是否存在[44][45]

荷蘭私人公司所主導的火星探測計畫火星一號,目的是在火星建立永久殖民地[46]。火星一號計畫在2016年發射通訊衛星前往火星,2018年發射探測車登陸火星,最終在2023年建立永久殖民地[47][48]。四位太空人將會兩年前往火星一次[49]。殖民地的能源來自3,000片太陽能[50]

參考資料[编辑]

  1. ^ NASA in Transition as Congress OKs New Direction. Clara Moskowitz, 30 September 2010. SPACE.com
  2. ^ Saganti, P. B. et al. (2006)
  3. ^ Shiga, David, Too much radiation for astronauts to make it to Mars, New Scientist, 2009-09-16, (2726) 
  4. ^ Mader, T. H. et al. Optic Disc Edema, Globe Flattening, Choroidal Folds, and Hyperopic Shifts Observed in Astronauts after Long-duration Space Flight. Ophthalmology (journal). 2011, 118 (10): 2058–2069. doi:10.1016/j.ophtha.2011.06.021. 
  5. ^ Puiu, Tibi. Astronauts’ vision severely affected during long space missions. zmescience.com. November 9, 2011 [February 9, 2012]. 
  6. ^ News (CNN-TV, 02/09/2012) - Video (02:14) - Male Astronauts Return With Eye Problems
  7. ^ Horneck and Comet (2006), doi 10.1016/j.asr.2005.06.077
  8. ^ Ehlmann, B. L., et al. (2005), doi 10.1016/j.actaastro.2005.01.010
  9. ^ Rapp et al. (2005), doi 10.1109/AERO.2005.1559325
  10. ^ 10.0 10.1 Page 18-19 in Chapter 3 of David S. F. Portree's Humans to Mars: Fifty Years of Mission Planning, 1950 - 2000, NASA Monographs in Aerospace History Series, Number 21, February 2001. Available as NASA SP-2001-4521.
  11. ^ 11.0 11.1 Page 15-16 in Chapter 3 of David S. F. Portree's Humans to Mars: Fifty Years of Mission Planning, 1950 - 2000, NASA Monographs in Aerospace History Series, Number 21, February 2001. Available as NASA SP-2001-4521.
  12. ^ Dr. Von Braun - When will we land on Mars? - Mar 1965 - Page 86
  13. ^ Folta, et al. - FAST MARS TRANSFERS THROUGH ON-ORBIT STAGING. (2012)
  14. ^ Franklin Dixon, “Summary Presentation: Study of a Manned Mars Excursion Module,” in Proceeding of the Symposium on Manned Planetary Missions: 1963/1964 Status, NASA TM X-53049 (1964).
  15. ^ Annie Platoff, Eyes on the Red Planet: Human Mars Mission Planning, 1952-1970, (1999); available as NASA/CR-2001-2089280 (July 2001)
  16. ^ Wernher von Braun, “Manned Mars Landing Presentation to the Space Task Group,” presentation materials, August 1969 (referenced by Portree, 2001 op cit.
  17. ^ Penelope J. Boston, ed., AAS Science and Technology Series Volume 57, Proceedings of The Case for Mars I, 1984 (second printing 1987), ISBN 0-87703-197-5
  18. ^ Christopher P. McKay, ed., AAS Science and Technology Series Volume 62, Proceedings of The Case for Mars II, 1985 (second printing 1988) 730p. Hard cover: ISBN 0-87703-219-1, Soft cover: ISBN 0-87703-220-3.
  19. ^ Geoffrey A. Landis, "Footsteps to Mars: an Incremental Approach to Mars Exploration," Journal of the British Interplanetary Society, Vol. 48, pp. 367-342 (1995); presented at Case for Mars V, Boulder CO, 26–29 May 1993; appears in From Imagination to Reality: Mars Exploration Studies, R. Zubrin, ed., AAS Science and Technology Series Volume 91 pp. 339-350 (1997). (text available as Footsteps to Mars pdf file
  20. ^ NASA, Report of the 90-day study on human exploration of the Moon and Mars, published 11/1989; abstract
  21. ^ Dwayne Day, "Aiming for Mars, grounded on Earth," The Space Review February 16, 2004 link
  22. ^ R. M. Zubrin, D. A. Baker and O. Gwynne, "Mars Direct: A Simple, Robust, and Cost Effective Architecture for the Space Exploration Initiative," paper AAS 90-168, in The Case for Mars IV: The International Exploration of Mars, Part I, MISSION STRATEGY & ARCHITECTURES, AAS Science and Technology Series Volume 89, Proceedings of The Case for Mars Conference, ed. Thomas R. Meyer, 1997 (ISBN 0-87703-418-4).
  23. ^ R. Zubrin and D. A. Baker, "Mars Direct: Humans to the Red Planet by 1999," 41st Congress of the International Astronautical Federation (1990)
  24. ^ 24.0 24.1 Wendell W. Mendell - A Mission Design for International Manned Mars Mission (1991)
  25. ^ Yury Zaitsev. Russia Suggests Manned Matrian-Mission Plan. Rianovosty. 30 March 2005. 
  26. ^ Vladimir Isachenkov. Russia Hopes To Fly Humans To Mars With Nuclear Spaceship. The Huffington Post. 29 October 2009. 
  27. ^ NEXT exploration mission - call for ideas. ESA. 
  28. ^ NASA - Lunar Outpost Plans Taking Shape
  29. ^ Adringa, J. M. et al. (2005), doi 10.1109/AERO.2005.1559312
  30. ^ AFP: NASA aims to put man on Mars by 2037
  31. ^ President Bush Announces New Vision for Space Exploration Program
  32. ^ The Space Age at 50. National Geographic Magazine, October 2007 issue
  33. ^ 33.0 33.1 http://www.astronautix.com/craft/eurssion.htm
  34. ^ Bruce Mackenzie,One Way to Mars - a Permanent Settlement on the First Mission," presented at the 1998 International Space Development Conference, May 21–25, Milwaukee WI; Abstract
  35. ^ James C. McLane III, "Starship Trooper," Harper's Magazine November 2006. link (pay subscription required)
  36. ^ Krauss, Lawrence M. A One-Way Ticket to Mars. New York Times. 31 August 2009 [2011-07-20]. 
  37. ^ James C. McLane III, "Spirit of the Lone Eagle": an audacious program for a manned Mars landing, The Space Review July 31, 2006 link
  38. ^ James C. McLane III, "One Way Ticket to Mars," SEARCH Magazine Jan/Feb 2009 link to archived copy
  39. ^ Buzz Aldrin Speaks Out: Forget the Moon, Let’s Head to Mars, by Eliza Strickland, 26 June 2006, Discover Magazine
  40. ^ Version 5 NASA (jan. 2009)
  41. ^ Congress Mostly Approves New Direction for NASA. Yudhijit Bhattacharjee, 30 September 2010, Science.
  42. ^ Mars-500 crew report good health after experiment - RIAN
  43. ^ Russian Spacecraft: Manned Martian Expedition
  44. ^ Wall, Mike. 'Red Dragon' Mission Mulled as Cheap Search for Mars Life. SPACE.com. 2011-07-31 [2012-05-01]. 
  45. ^ NASA ADVISORY COUNCIL (NAC) - Science Committee Report (PDF). Ames Research Center, NASA. 1 November 2011 [2012-05-01]. 
  46. ^ Anne Sewell. Mars One: Human settlement on Mars in 2023. Digital Journal. 1 June 2012 [6 June 2012]. 
  47. ^ Adario Strange. Dutch Group Planning for Mars Settlement by 2023. PC Mag. 1 June 2012 [6 June 2012]. 
  48. ^ A. Strange - Dutch Group Planning for Mars Settlement by 2023 (June 2012) - PC MAG
  49. ^ Dario Borghino. Mission to Mars meets reality TV. Gizmag. 4 June 2012 [8 June 2012]. 
  50. ^ Mars One - Is this really possible?

外部連結[编辑]