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上世纪冷战时期的太空竞赛(Space Race),开启了火星的航天探索时代。60年来,被古人称为“荧惑”的这颗星星的真实面目,逐渐被人揭开。

坎坎坷坷火星探索路

但火星探索的道路并不平坦。1960年,苏联首次尝试发射火星探索火箭。1965年,美国水手四号(Mariner 4)第一次传回火星数据。还有如今仍在火星地表漫步的美国好奇号(Curiosity),火星探测经历了飞掠、环绕器轨道探测、着陆器登陆火星、巡视器火星地表探索四个阶段。

nasa好奇号

在累计40多次探测器发射中,仅有半数成功,8次成功着陆。但是人类对火星的探索从未止步。今年,作为中国首次自主火星探测任务,天问一号成功发射,将在单次任务中同时完成环绕、着陆、巡视。之后,美国“毅力号”和阿联酋“希望号”也紧跟出发,开展人类对火星的新一轮探索。

天问1号升空瞬间

火箭嗖嗖上天,神秘的宇宙被逐渐揭开神秘面纱。但不是每个国家都有探索火星的底气,毕竟比上天(技术)更艰难的是——省钱啊!

想要少花钱,先要知道火箭是怎么发射的。火箭是通过气体高速向后推进,产生与地面的反作用力。就跟我们用力蹬地起跳一个意思。

看起来原理简单,但除了火箭和航天器本身巨大的自重外,为了到达太空,还需要产生足够逃脱地球引力的速度,要做到这真的又贵又艰难。所以很多时候,火箭推进发动机的费用,比上天的卫星还贵

发动机分离

为了达到逃脱地球引力的速度,火箭需要多次点火。在升到一定高度后,一级发动机会率先熄火分离。接着由二级发动机接力,之后二级发动机分离,三级发动机接力。火箭载着航天器越飞越轻,越飞越快。通过反复的加速,火箭可以超越宇宙速度,摆脱地球甚至太阳的引力。

通用省钱方法:低纬度发射场

一次大型的发射,前后需要数亿资金(研发的费用就不提了)。为此,各国想方设法的省钱。最便宜的方法就是采用低纬度发射。发射场的纬度越低,地球的转动速度越大,越能使发射卫星更好的借力。比如我国就在版图南端——海南文昌,修建了一个低纬度发射场。

海南文昌发射场

天问一号探测器在中国文昌航天发射场发射升空

高端省钱方法:回收利用

美国太空探索技术公司(SpaceX),玩的是高端技术流,通过发射器减速来软着陆,避免坠落时产生的高温和撞击。这样可以保留发动机的躯壳,只需要重装燃料就能重复利用。

spacex首次利用回收火箭执行nasa发射任务

虽然释放人力,却让风险直线上升,但这技术要求十分高,马斯克大神还是需要膜拜一下的。

反套路省钱方法:赢在起跑线

如果从地表开始算起,那么发射器需要的推动力,以及飞行的里程,肯定远远大于在万米高空发射所需的能量。

那么如何实现万米高空发射,给发射器一个更高的起跑点呢?美国平流层发射公司完成了平流层发射飞机的研制。平流层飞机,可以将火箭携带至平流层(近地表为对流层),然后发射。据数据表示,该飞机机翼长达117米,总重量至少226吨,是当之无愧的“最大飞机”

机身分开为两个的“最大飞机”

而且在平流层发射火箭,可以减少对流层带来的干扰,缩短火箭发射的距离,降低事故几率。并且和传统火箭发射相比,该飞机可以一次性发射三枚火箭,还可以重复使用。但要顶住火箭发射时强大的压力,还要继续优化。如果真的能投入使用,这将极大改变人类探索宇宙发射火箭的方式。

“最大飞机”,机身中间携带火箭

创新省钱方式:釜底换薪

火箭使用的燃料,有液体、固体之分。如果采用固体推进剂,会比液体火箭便宜不少,但推进性能就稍弱了。目前,中欧各国,都在加油研发高性能燃料,想从源头上降低上天费用。

比如纽约大学教授罗伯特·戈达德就在20世纪初,前瞻性的首次提出了利用电磁场加速离子来推进飞行器的设想。 这种发动机使用氙作为推进剂。当氙进入发动机室后,其中的氙原子核和电子首先在电场的作用下分离,使氙原子核变成游离的氙离子。之后,氙离子进入了发动机中的两片栅格网之间,由其间的静电场加速到较高的速度后喷出。

离子电推发动机原理示意图,图中两块绿色的板即为加速用的栅格板。图片来源Wikipedia

深空一号所使用的离子电推发动机试车,发动机喷出了呈现淡蓝色的离子束。图片来源 wikipedia

航天事业的发展,无论是研发还是实践,都需要投入巨大的财力和人力。越是发达的国家,越是重视航天发展。毕竟,宇宙无限,除了各种不可知的资源,还有寻找下一个类地星球的可能。

不知我们能否发现下一个“地球”?

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