前言
載人火星探測任務(wù)將是未來50年太陽系探測活動的頂峰，它不僅是探測火星的一種技術(shù)途徑，還能夠帶來鼓舞人心的工程成就并開創(chuàng)載人深空探測的新領(lǐng)域。但是，由于載人深空探測任務(wù)需要開展大量的技術(shù)攻關(guān)并投入大量經(jīng)費(fèi)，因此，目前載人火星探測任務(wù)還處于論證和概念研究階段。
本書第3章提及David Portree的觀點(diǎn)，從20世紀(jì)50年代起，NASA內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)開展了上千項(xiàng)載人空間探測任務(wù)的研究項(xiàng)目，但是，絕大多數(shù)研究工作停留在任務(wù)概要設(shè)計(jì)層面，很多關(guān)鍵技術(shù)的推進(jìn)依賴于熱核推進(jìn)技術(shù)，空間核能源技術(shù)，大尺度氣動輔助再入、下降、著陸技術(shù)和長期高效循環(huán)系統(tǒng)技術(shù)等的發(fā)展，因此，盡管有些研究工作已經(jīng)依托以上相關(guān)技術(shù)得以開展，但還未達(dá)到成熟的工程應(yīng)用階段。
NASA經(jīng)過幾十年的研究，依然沒有實(shí)現(xiàn)任務(wù)概念研究和工程實(shí)踐之間的跨越。其中一個重要問題在于地火距離是地月距離的100多倍，因此，地火飛行的時間非常長。到達(dá)火星后，為了等待地火相對位置關(guān)系適合從火星返回地球的機(jī)會，大部分任務(wù)都需要宇航員在火星表面工作一年半。因此，整個火星探測任務(wù)往返共需兩年半時間，而且期間沒有中止任務(wù)的機(jī)會。這就要求任務(wù)的所有系統(tǒng)都必須可靠運(yùn)行，并且大量的系統(tǒng)部件還需要發(fā)射后在太空中組裝。因此，準(zhǔn)備載人火星任務(wù)需要約20年時間開展技術(shù)研究并在地球和火星上開展試驗(yàn)驗(yàn)證，整個任務(wù)準(zhǔn)備和實(shí)施需要約1000億美元的經(jīng)費(fèi)支持。
盡管實(shí)施載人火星探測任務(wù)存在許多障礙，但更大的障礙還在于經(jīng)費(fèi)。NASA的預(yù)算精簡了載人火星探測任務(wù)的大量經(jīng)費(fèi)，其中，火星探測系統(tǒng)只有約32億美元，科學(xué)經(jīng)費(fèi)預(yù)算中約50億美元用于研究地外生命科學(xué)。
通常在科學(xué)和工程領(lǐng)域都是既有支持者又有質(zhì)疑者。支持者能夠在設(shè)想和追求夢想的過程中起到重要作用，他們深信即使夢想和現(xiàn)實(shí)之間可能存在很大的障礙，但是夢想終將實(shí)現(xiàn)。而質(zhì)疑者總是明確指出前進(jìn)道路上存在的障礙、困難、陷阱以及未知的情況，強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)夢想所必需的技術(shù)儲備。
但是，在載人火星探測領(lǐng)域，一直是支持者和倡導(dǎo)者在開展工作，卻非常缺乏質(zhì)疑者。本書首次從質(zhì)疑的角度分析了載人火星探測任務(wù)，希望本書能夠?qū)ASA、火星協(xié)會和社會各界普遍存在的樂觀情緒構(gòu)成有益的制約。
Donald Rapp
2015年7月
目錄
第1章為什么探測火星？
1.1簡介
1.2無人探測既有的觀點(diǎn)
1.3搜索火星生命的爭論
1.4為什么將人類送上火星？——支持者的看法
1.5把人類送上火星——質(zhì)疑者的看法
參考文獻(xiàn)
第2章規(guī)劃的空間探測任務(wù)
2.1行動
2.2規(guī)劃太空任務(wù)
2.3架構(gòu)
2.4一系列步驟組成的任務(wù)
2.5運(yùn)送到目的地的是什么？
2.6在低地球軌道上的是什么？
2.7在發(fā)射臺上有什么？
2.8太空探測任務(wù)對IMLEO的要求
參考文獻(xiàn)
第3章60多年來載人火星探測任務(wù)的規(guī)劃
3.1Von Braun的版本
3.2NASA最早的概念
3.2.1早期的研究
3.2.220世紀(jì)60年代早期的研究
3.2.3核動力火箭的發(fā)展
3.2.4波音公司在1968年所做的研究
3.3NASA之外的早期火星探測計(jì)劃
3.3.1行星學(xué)會和國際科學(xué)應(yīng)用公司的分析
3.3.2駛向火星Ⅱ期
3.420世紀(jì)80年代后期的NASA計(jì)劃
3.4.1洛斯·阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室
3.4.2Sally Ride的研究
3.4.3SAIC
3.4.4星際探險辦公室的案例研究(1988年)
3.4.5星際探險辦公室的案例研究(1989年)
3.4.6空間探測發(fā)起人和其后繼者
3.4.7勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室
3.520世紀(jì)90年代的一些獨(dú)立研究
3.5.1蘇聯(lián)的研究
3.5.2火星直擊
3.5.3火星協(xié)會推出的計(jì)劃
3.6DRM出現(xiàn)之前的時期
3.7NASA的DRM計(jì)劃(1993—2007年)
3.7.1設(shè)計(jì)參考任務(wù)1（DRM1）
3.7.2設(shè)計(jì)參考任務(wù)3（DRM3）
3.7.3DRM3和DRM1中的質(zhì)量比較
3.7.4DRM3中的ISRU系統(tǒng)
3.7.5設(shè)計(jì)參考任務(wù)4（DRM4）
3.7.6雙登陸器計(jì)劃
3.7.7設(shè)計(jì)參考架構(gòu)5(DRA5)
3.7.8探測戰(zhàn)略研究小組(2006年)
3.8其他火星探險計(jì)劃
3.8.1Team Vision的星際探測計(jì)劃
3.8.2麻省理工學(xué)院MIT的研究
3.8.3歐洲航天局的并行設(shè)計(jì)設(shè)施研究（2003年）
3.8.4使用軌道遙控火星表面無人
探測火星的HERRO任務(wù)
3.8.5波音公司（Boeing）在21世紀(jì)所做的研究
3.8.6返回計(jì)劃
3.8.7短期停留與長期停留任務(wù)
3.8.8基于飛越和自由返回軌道的設(shè)計(jì)
3.9NASA近期的活動
參考文獻(xiàn)
第4章去程與返回
4.1推進(jìn)系統(tǒng)
4.1.1空間運(yùn)輸對推進(jìn)劑的需求
4.1.2火箭方程
4.1.3火箭的干質(zhì)量
4.2軌道分析
4.2.1火箭科學(xué)基礎(chǔ)
4.2.2火星任務(wù)的持續(xù)時間及所需的推進(jìn)條件
4.2.3更加現(xiàn)實(shí)的模型
4.3從地球到近地軌道
4.4飛離近地軌道
4.4.1所需的Δv
4.4.2運(yùn)送至火星的質(zhì)量
4.4.3地火轉(zhuǎn)移軌道中使用核熱火箭
4.4.4使用太陽能電推進(jìn)技術(shù)升高軌道過程
4.5進(jìn)入火星軌道
4.6從火星表面升空
4.7從火星軌道向火地轉(zhuǎn)移軌道入軌
4.8地球軌道入軌
4.9傳動比
4.9.1前言
4.9.2傳動比計(jì)算
4.9.3地球逃逸的傳動比
4.10近地軌道到火星軌道
4.11從近地軌道到火星表面
4.12火星任務(wù)中航天器初始質(zhì)量
4.12.1化學(xué)推進(jìn)和氣動輔助
4.12.2核熱推進(jìn)的使用
4.12.3ISRU的應(yīng)用
參考文獻(xiàn)
第5章火星探測任務(wù)的關(guān)鍵要素
5.1維持生命的消耗品
5.1.1對消耗品的需求(不可循環(huán)利用)
5.1.2循環(huán)系統(tǒng)的使用
5.2輻射效應(yīng)和防輻射需求
5.2.1輻射源
5.2.2定義和單位
5.2.3對人的輻射效應(yīng)和允許劑量
5.2.4空間輻射
5.2.5火星任務(wù)的輻射水平
5.2.6輻射
5.3微重力影響
5.3.1零重力值一般影響簡介
5.3.2低重力值影響綜述
5.3.3人造重力
5.3.4NASA應(yīng)對低重力影響的計(jì)劃
5.4封閉空間中的人為因素
5.5中止模式和任務(wù)安全
5.5.1ESAS月球任務(wù)中的中止模式和任務(wù)安全
5.5.2火星任務(wù)中的中止模式
5.5.3可接受的風(fēng)險
5.6棲息艙
5.6.1棲息艙設(shè)計(jì)與人為因素
5.6.2火星棲息艙的地面模擬器
5.6.3DRM1棲息艙
5.6.4DRM3棲息艙
5.6.5雙著陸棲息艙
5.6.6SICSA棲息艙設(shè)計(jì)
5.6.7其他棲息艙概念
5.7氣動輔助入軌、再入、下降和著陸
5.7.1引言
5.7.2無人駕駛航天器的經(jīng)驗(yàn)
5.7.3載人火星任務(wù)的再入、下降和著陸需求
5.7.4精確著陸
5.7.5開發(fā)/測試和驗(yàn)證計(jì)劃
參考文獻(xiàn)
第6章原位資源利用(ISRU)
6.1原位資源利用(ISRU)的價值
6.2月球ISRU
6.2.1簡介
6.2.2上升段推進(jìn)劑
6.2.3生命保障消耗品
6.2.4從月球輸送到LEO的推進(jìn)劑
6.2.5運(yùn)送到月球軌道用于下降(和上升)的推進(jìn)劑
6.2.6用于輻射屏蔽的表層土壤
6.2.7預(yù)言性的概念
6.2.8月球資源和進(jìn)程
6.2.9月球ISRU系統(tǒng)成本分析
6.3火星ISRU
6.3.1介紹
6.3.2火星ISRU時間表
6.3.3ISRU系統(tǒng)的產(chǎn)物
6.3.4火星ISRU過程
6.3.5火星ISRU系統(tǒng)的能源需求
6.3.6在人類火星探測任務(wù)中使用
ISRU時減少IMLEO
6.4用來自外星球的資源為火星車加燃料
6.4.1月球資源
6.4.2LEO的月球水的價值
6.4.3由月球開采運(yùn)送到LEO的水百分比
6.4.4近地天體資源
6.5用于月球下降段推進(jìn)劑的月球輪渡
6.6在近地太空分級、組裝和加注燃料
6.6.1繞軌道而行的燃料倉庫
6.6.2在軌分級
6.7運(yùn)輸氫氣到火星上
6.7.1地面和空間應(yīng)用
6.7.2在不同物理和化學(xué)狀態(tài)下的氫的存儲
6.7.3太空中的蒸發(fā)
6.7.4將氫運(yùn)送到火星并在火星存儲
6.7.5本章小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第7章未來數(shù)十年NASA載人火星探測任務(wù)可能失敗的原因
7.1月球火星的聯(lián)系
7.1.1月球與火星任務(wù)的差別
7.1.2開展月球任務(wù)作為降低火星任務(wù)風(fēng)險的手段
7.1.3ISRU是從月球到火星的跳板
7.2火星計(jì)劃的特點(diǎn)
7.3目標(biāo)驅(qū)動和支持者驅(qū)動計(jì)劃的比較
7.4新技術(shù)需求
7.5NASA技術(shù)路線圖
7.6空間科學(xué)事業(yè)
7.6.1空間科學(xué)事業(yè)技術(shù)范圍
7.6.2先導(dǎo)中心
7.6.3SSE技術(shù)總結(jié)
7.7人類探測技術(shù)
7.7.1NASA的人類探測技術(shù)
7.7.2近十年的巨大變化
7.8未來展望
7.8.1限制
7.8.2澄清火星任務(wù)選項(xiàng)
7.8.3基本需求
7.9NASA的HEO有足夠的信心嗎？
7.10結(jié)論
參考文獻(xiàn)
附錄A月球上的太陽能
A.1月球定向的一級近似
A.2水平面上的太陽輻射
A.3垂直面上的太陽輻射
A.4赤道夾角為緯度角的傾斜面的日照
A.5始終垂直于太陽光的面
A.6非理想月球軌道的影響
A.7月球上太陽能電池的工作溫度
A.8赤道上的太陽能系統(tǒng)
A.8.1短周期系統(tǒng)(小于354 h)
A.8.2長期系統(tǒng)(大于354 h)
A.9月塵的影響
A.10極區(qū)的太陽能系統(tǒng)
A.10.1極區(qū)
A.10.2GRC太陽極區(qū)研究
參考文獻(xiàn)
附錄B火星上的太陽能
B.1當(dāng)前火星軌道上的太陽能強(qiáng)度
B.1.1引言
B.1.2潔凈火星大氣中的輻照度
B.1.3大氣的影響
B.2水平和傾斜平板的太陽輻射強(qiáng)度
B.2.1術(shù)語
B.2.2水平平面的太陽輻照度
B.3固定傾斜表面上的太陽光強(qiáng)度
B.3.1傾斜平面上的漫射部分
B.3.2來自傾斜收集器前方地面的反射
B.3.3傾斜平面上總的輻射量
B.3.4旋轉(zhuǎn)傾斜平面
B.4火星上太陽能強(qiáng)度的數(shù)值估算
B.4.1水平平面上的太陽能
B.4.2傾斜平面上太陽輻射
B.4.3火星上過去百萬年里的太陽能
B.5陣列表面上灰塵的影響——簡單模型
B.5.1引言
B.5.2光深
B.5.3粒度分布
B.5.4垂直大氣氣柱中灰塵粒子的數(shù)目
B.5.5塵埃顆粒下落的速度
B.5.6初始遮蔽速率
B.5.7塵埃的長期積累
B.6探路者號和MER的塵埃遮擋觀測數(shù)據(jù)
B.7表面塵埃的風(fēng)成清除
B.8太陽能電池陣列上的塵埃導(dǎo)致的遮光率
B.8.1JPL實(shí)驗(yàn)(2001年)
B.8.2關(guān)于塵埃遮擋率的概要和結(jié)論
參考文獻(xiàn)
附錄C火星上的水
C.1介紹
C.2背景信息
C.2.1火星上的溫度
C.2.2火星上的壓強(qiáng)
C.2.3火星上的水汽濃度
C.3地下冰的均衡模型
C.3.1簡介
C.3.2火星地下冰的穩(wěn)定性模型——研究現(xiàn)狀
C.3.3火星上水的長期演變
C.3.4過去約一百萬年內(nèi)火星軌道變化的影響
C.3.5南極極地冰冠演變
C.4在火星軌道上觀察得到的對火星地下水的
實(shí)驗(yàn)性探測結(jié)果
C.4.1中子光譜學(xué)簡介
C.4.2原始數(shù)據(jù)簡化——中子光譜學(xué)
C.4.3改良數(shù)據(jù)簡化——中子光譜學(xué)
C.4.4基于采用中子光譜學(xué)的均勻土壤模型的含水量
C.4.5基于雙地層模型下赤道和中緯地區(qū)含水量
C.4.6中子觀測的深度
C.4.7冰層暴露的當(dāng)前影響
C.4.8在高緯度環(huán)形山上的冰
C.4.9表層冰紅外線測量
C.5中子數(shù)據(jù)與火星物理特性的比較
C.5.1地表與大氣特性
C.5.2中低緯度區(qū)域水沉積與地形的關(guān)系
C.5.3赤道附近近地表水的季節(jié)性分布
C.5.4由紅外反射率光譜儀探測到的火星上的水
C.5.5化合礦物和吸附水
C.6極冠
C.7火星上的液態(tài)水
C.7.1表面溫度超過273.2 K的區(qū)域
C.7.2地表以下的液態(tài)水
C.7.3海水
C.7.4近期地表水流成像暗示
C.8來自撞擊坑的證據(jù)
C.8.1概述
C.8.2Nadioe Barlow與其同伴們的工作
C.8.3對其他撞擊坑的研究
C.8.4評論
C.9小結(jié)
參考文獻(xiàn)
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