来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2014/12/30 0:00:08
选择字号:
美宇航局提出探索地外行星新构想

 

火星是下一颗适宜人类探索的星球,这一观点在过去数十年来已经被接受。火星似乎确实提供了太阳系中比其他星球与地球环境更为相近的地方,而且它距离地球比其他行星更近——除了金星以外。但是金星探索一直以来面临巨大挑战:92帕的大气压和500摄氏度的高温让金星表面如同炼狱。

人类不能抵达金星表面,但如果忽略登陆其表面,而是到达上方的云层呢?美国宇航局(NASA)朗格里研究中心的Dale Arney 和Chris Jones在探索这一想法。或许人类可以利用太阳能驱动的飞艇在金星大气层上方行驶。Arney和Jones提议,在把人类送往火星之前先去金星也许合乎情理。

不如先去金星

要把NASA的高海拔金星操作概念(HAVOC)任务提上议事日程,考虑探索金星大气层而非地表非常关键。“大多数人听到去金星或探索金星的想法时,都会想到金星表面,那里的温度热得可以熔化铅,气压几乎相当于海平面1公里以下的压强。”Jones说。“没有多少人考虑过相对更好客的金星大气层以及如何通过操作在那里停留。”

在距离金星表面50公里的地方,那里的大气压强仅为1个大气压,而且引力仅比地球略低一点。相比较而言,火星的大气压不到地球的1/100,而且重力也仅是地球正常引力的1/3。而距离金星表面50公里处的温度为75摄氏度,仅比地球表面最高温纪录高17摄氏度。而火星表面平均温度则为零下63摄氏度。任何一种极端对于不受保护的人类来说都难以接受,但是两个极端均可以通过调节适应。

与火星相比,更重要的是金星可获得更多太阳能,而且来自金星的辐射量处于安全范围内。Arney表示,在金星大气层中,宇航员接触的辐射量“和在加拿大一样”。而在火星上,未受保护的宇航员每天承受的辐射量约为0.67毫西弗特,是地球上的40倍,他们可能需要把居住地建设在地下数米的地方以减少辐射。至于太阳能,由于距太阳更近使金星获得的太阳能比地球上超出40%,比火星则高出240%。Jones指出,把这些数字放在一起,只要你不担心脚下没有东西,金星大气层上方“可能是最接近地球环境的地方”。

还应提及的一个重要特点是金星距离地球比火星近得多。由于金星和地球的轨道随着时间的发展处于一条直线上,利用现有的或不远未来的火箭推进技术,金星载人航天任务总共需要440天:去程110天,停留30天,然后再用300天返回——而且还可以选择中断任务,立即返回地球。听起来像是要在太空花费很长时间,也确实如此。但如果用同样推力的火箭抵达火星后返回至少需要在太空中花费500天。而一项更加现实的火星任务可能会持续650~900天(甚至更久),由于返程时需要等待轨道对齐的最佳状态,这意味着不能选择终止任务提前返回地球:如果出现任何问题,宇航员需要在火星上等候返程的最佳窗口出现。

探索金星的5个步骤

HAVOC包含了一系列任务:首先,向金星大气层派出机器人核实状况;其次,在金星轨道开展30天载人任务;然后,开展一项在金星大气层停留30天的任务;接下来可以派两名宇航员在大气层停留一年;最后,可以在那里建设可漂浮的云端城市进行太空移民。

这些任务的特征是进行大气层探测的工具:充满氦气的太阳能驱动飞艇。自动模型有31米长(是固特异飞艇的一半),而载人飞艇长度达到近130米,或是波音747飞机的两倍,飞艇的上部将会覆盖超过1000平方米的太阳能帆板,下面悬挂着装载仪器的两头尖尖的平底船,在载人飞行时,可以作为一个小的居住地,并装载宇航员返回金星轨道和地球时使用的上升载具。

搭乘飞艇去金星不是一件简单的事,如果飞艇还要载人去金星就更加复杂。载人任务涉及金星轨道交会,在那里飞艇(折叠在航天器内部)将被送往金星。宇航员将在金星轨道上搭载飞艇的一个交通工具(基于NASA的“深空居住地”)抵达。

由于没有可以登陆的地面,“登陆”将存在极大挑战。“传统上,当提及去火星时,人们谈论的是入轨、降落和着陆(EDL)。”Arney解释说,“显然,就这个案例来说,着陆意味着任务的失败,所以我们说的是入轨、降落和充气(EDI)。”飞艇将在减速伞的保护下以每秒7200米的速度进入金星大气层。

在接下来的7分钟,减速伞将会把速度降低至每秒450米,然后将会展开一个降落伞进一步降低速度。接下来的事情让人着迷。减速伞将被丢开,飞艇开始展开,然后自动充气,同时以每秒100米的速度向下落。随着飞艇体积增大,其升力和阻力将会达到一个界点,彼时降落伞将不再起作用并被投弃。飞艇将充满气(如果所有的事情都和设想的一样),它将会缓缓地飘在距离金星表面50公里处的地方。

在金星赤道附近(大气层最为稳定),风速达到每秒100米,110小时内就可以围绕这个行星转动一周。金星本身几乎不转动,而且金星的白天比金星一年的时间更长。然而,运行速度慢并不紧要,110小时的大气循环变成了一天/夜的周期循环。风还会转向北方,所以为了停在原地,在太阳能充足的白天,飞艇要向南行驶。而在要节省能量的晚上向北漂移。

同时,基于NASA现有的太空探索交通理念,宇航员可以在飞艇舱内工作。没有必要进行太空船外的活动,这样可以让事情比去火星变得更加简单、安全。

飞艇的有效载荷为7万公斤。其中,近6万公斤将由悬在飞艇下方的有翼两级火箭的上升载具运送。在返程时,宇航员可以进入火箭前端的一个微型胶囊中,跳出飞艇,然后向后爆破从而被推送入金星轨道,在那里他们将与经过的交通工具会合并被载回地球。最后一步是用最后一个胶囊与地球轨道会合,宇航员可以用它返回地球表面。

不可忽视的价值

HAVOC团队认为这个任务的理念为不远的将来进行载人航空探索提供了一个现实目标,需要的仅是技术上的略微提升和NASA的支持。HAVOC项目依靠的几乎全是近期可以实现的技术。其载人探索面临的主要限制是它需要依赖太空发射系统的大型Block IIB推送器,该推送器要在21世纪20年代末期才能飞行。

目前,若干个概念验证已经完成,包括测试阻止贯穿金星大气层中的浓硫酸滴侵蚀太阳能单元(和其他材料)的聚四氟乙烯涂层,验证携带太阳能电池的飞艇是否可装入减速伞中并成功充气膨胀,并至少达到1:50的水平。

人类去金星的原因和去火星以及太阳系任何其他行星一样,都是受到学习和探索欲望的驱动。尽管金星距离地球更近且存在潜在科学发现,但除了欧空局的金星快车轨道探测器之外,上世纪80年代以来围绕太阳第二近的行星一直被科学家忽略。

Jones说:“HAVOC不仅代表着最终载人任务的环境,而且有助于了解这颗行星包括它如何演化、温室效应为何失控以及其他每一个让金星如此有趣的特点。”如果飞艇可以携带小型自动着陆器,HAVOC将可以完成很多——包括NASA的金星分析小组过去20年来试图完成的大多数科学目标。

“金星是一个用于探索和移民的有价值的目的地。”Jones说,“而且也与现有的火星计划形成互补……它包含很多火星任务同样需要做的事情,而且通过金星任务可以看到一条更简捷的路径。”比如,为了到达火星或其他地月系统之外的地方,就需要有长时间生活舱、空气动力制动以及大气俘获、二氧化碳处理等许多方面的经验。Arney表示:“如果先去金星,就可以在载人登陆火星任务之前率先推进那些技术与能力。这是去火星之前的一个实践机会。”

然而,无论严肃看待HAVOC计划的想法有多么合理,在载人去火星之前先去金星就需要NASA做出大量实质性的政策转变。尽管如此,载人去金星的重要性或在那里建设云端城市进行永久移民的前景也绝非毫无价值。“考虑到金星大气层上方是一个相对来说十分宜居的地方,我们认为它可以在人类未来的太空计划中占据一席之地。”(红枫)

 
 打印  发E-mail给: 
    
 
以下评论只代表网友个人观点,不代表科学网观点。 

目前已有0条评论
相关新闻 相关论文

图片新闻
子午工程二期标志性设备启动建设 NASA公布土星最大卫星泰坦地质图
窥探海洋微生物的世界 中山大学超构表面图像显示研究获重要进展
>>更多
 
一周新闻排行 一周新闻评论排行
 
编辑部推荐博文
 
论坛推荐