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问题

我们应该选择什么样的火箭推进器来进行火星殖民？

回答
要进行火星殖民，选择合适的火箭推进器是一个至关重要的问题，它直接关系到任务的成功率、成本以及宇航员的安全。考虑到火星任务的特殊性——长途跋涉、巨大的质量需求以及对成本效益的考量——我们需要仔细权衡各种推进技术的优劣。

一、 任务需求分析

在深入探讨推进器类型之前，我们必须明确火星殖民任务的核心需求：

巨大的载荷能力： 殖民火星不仅仅是送几个人上去，还需要运送大量的物资、设备、栖息地模块、生命支持系统、科学仪器，甚至可能包括预制好的基础设施。这需要能够将几十甚至上百吨甚至更多载荷送入地球轨道，然后进一步加速飞往火星。
高效率的星际转移： 火星与地球的距离变化很大，但总的来说是非常遥远的。为了缩短旅程时间（这对宇航员的健康至关重要），并减少燃料消耗，我们需要高比冲（Isp）的推进器，这意味着单位质量的推进剂能够产生更长的燃烧时间或更大的推力。
可靠性和安全性： 在太空中，尤其是在深空，一旦发生故障，修复的难度极高。推进系统必须高度可靠，能够承受长时间的运行，并且对宇航员和任务本身是安全的。
成本效益： 火星殖民是一项耗资巨大的工程，任何可以降低成本的技术都将极具吸引力。这包括推进剂的成本、系统的复杂性和维护成本等。
可维护性和可重用性： 如果能发展出能够在火星轨道或火星表面进行部分维护甚至重新灌装燃料的推进系统，将极大地降低长期殖民的成本和依赖性。

二、 主流火箭推进技术评估

基于上述需求，我们可以审视几种主要的火箭推进技术：

1. 化学推进器 (Chemical Thrusters)

这是目前最成熟、最常用的太空推进技术，例如液氧/液氢 (LOX/LH2) 或煤油/液氧 (RP1/LOX) 发动机。

优点：
高推力： 化学推进器能产生巨大的推力，这对于从地球表面发射和快速加速至关重要，特别是需要摆脱地球强大引力井时。
技术成熟： 已经有几十年的发展历史，可靠性和安全性相对较高。
相对简单的设计： 与其他高级推进技术相比，其工程复杂性较低。

缺点：
低比冲： 这是化学推进器最大的短板。尽管 LOX/LH2 组合的比冲已经很高（约 450 秒），但与更高级的推进技术相比，仍然需要消耗大量的推进剂才能达到所需的航行速度。对于长途的火星转移，这意味着要携带极多的燃料，这会进一步增加火箭的质量，形成“马斯效应”——需要更多燃料才能携带更多燃料。
燃料存储： 液氢和液氧都是低温推进剂，需要复杂的绝缘和储存系统，在长时间的深空旅行中，推进剂的蒸发（boiloff）是一个挑战。

在火星殖民中的作用：
近地轨道运载： 它们非常适合作为大型运载火箭的第一级和第二级，将殖民所需的巨大载荷送入地球近地轨道。
近地轨道组装： 如果火星殖民任务的飞船需要在地球轨道上组装，那么化学推进器将是提供初始推力的必要手段。
行星际转移的初期加速： 某些任务设计可能仍会依赖化学推进器进行一部分行星际加速，尤其是在需要较短转移时间和较高推力的情况下。

2. 电推进器 (Electric Propulsion)

电推进器利用电能将推进剂（通常是惰性气体，如氙气）加速到极高的速度喷出，从而产生推力。主要类型包括：

霍尔推进器 (Hall Effect Thrusters):
优点：
高比冲： 比冲可以达到 15003000 秒，远高于化学推进器，这意味着可以用更少的推进剂实现相同的速度变化。
功率效率高： 能够有效利用电能。
技术相对成熟： 已在许多深空探测器上成功应用。
缺点：
推力较低： 产生的推力通常只有几毫牛到几牛顿，远低于化学推进器。这使得它们不适合从行星表面起飞或进行快速机动。
需要大量电力： 需要高性能的电力系统，如大型太阳能电池阵列或核反应堆。
推进剂限制： 通常使用氙气，而氙气价格昂贵且储量有限。

离子推进器 (Ion Thrusters):
优点：
极高比冲： 甚至可以达到 300010000 秒，是所有推进技术中比冲最高的之一。
能源效率高： 能够将电能转化为动能的效率非常高。
缺点：
推力极低： 比霍尔推进器更低，更不适合需要快速加速的场景。
设计复杂： 需要产生和加速离子，可能涉及高压和强磁场。
同样需要大量电力。
推进剂限制（同霍尔推进器）。

在火星殖民中的作用：
星际巡航阶段： 一旦飞船脱离地球引力井，并到达一个相对稳定的轨道，电推进器可以接管，以其高比冲的优势，以较小的加速度持续加速，在较长时间内实现行星际转移。这可以极大地减少所需推进剂的总量。
轨道调整和维持： 在抵达火星轨道后，电推进器非常适合进行精密的轨道调整和维持，以及在火星系统内进行探测器部署等任务。

3. 核热推进 (Nuclear Thermal Propulsion NTP)

核热推进器利用核裂变反应堆产生的热量来加热推进剂（通常是液氢），然后通过喷管排出，产生推力。

优点：
高比冲： 比冲可达 8001000 秒，是化学推进器的两倍左右，但低于电推进器。
高推力： 能够提供比电推进器高得多的推力，比许多化学推进器也高，可以实现更快的加速。
效率高： 相对于化学推进，用更少的推进剂可以达到更高的速度。

缺点：
技术尚未完全成熟： 虽然有过地面测试，但尚未在太空进行过飞行验证，并且工程复杂性高。
核安全顾虑： 涉及核反应堆，在发射和运行过程中需要极其严格的安全措施，以防止辐射泄露。
政府审批和公众接受度： 在某些地区，使用核动力航天器可能会面临政治和公众的阻力。
推进剂： 虽然比冲比化学推进高，但仍需消耗大量推进剂。

在火星殖民中的作用：
快速行星际转移： NTP 的高推力和相对较高的比冲使其成为进行火星快速转移的理想选择。它能够显著缩短旅程时间（可能将前往火星的时间从 69 个月缩短到 34 个月），这对于宇航员的辐射暴露和心理健康都至关重要。
重返地球： 在完成火星殖民任务后，NTP 同样可以用于快速加速返回地球。

4. 核电推进 (Nuclear Electric Propulsion NEP)

核电推进器使用核反应堆产生电力，然后用这些电力驱动电推进器（如霍尔推进器或离子推进器）。

优点：
极高比冲： 继承了电推进的高比冲特性，可以实现极高的燃料效率。
不受太阳能限制： 可以在远离太阳的深空持续提供大量电力，不像太阳能电池板会随着距离增加而衰减。
任务灵活性： 产生的电力不仅可以用于推进，还可以为飞船的生命支持、科学仪器等提供动力。
可提供持续的推力： 结合高功率的电推进器，可以实现比传统电推进更快的加速，虽然仍不如 NTP。

缺点：
技术挑战： 需要研发可靠、轻便且安全的太空用核反应堆，以及高效的电力转换和分配系统。
核安全顾虑： 与 NTP 类似，存在核安全和辐射问题。
推力仍然是挑战： 尽管比太阳能供电的电推进更强大，但其推力仍然相对较低，不适合快速加速。

在火星殖民中的作用：
高效载货航天器： 对于运输大量物资和设备的货运飞船，NEP 的高比冲和长寿命使其成为理想选择，可以在更长的任务周期内经济高效地完成转移。
长效在轨服务： 也可以用于火星轨道上的基础设施建设和维护。
潜在的“阿波罗”式快速转移： 如果能够研发出高功率的核反应堆配合强大的电推进器，理论上也可以实现较快的行星际转移。

三、 综合策略与推荐

鉴于火星殖民任务的复杂性和多样性，很可能 需要采用一种混合推进策略，结合不同推进技术的优势来满足不同任务阶段的需求。

第一阶段：地球发射与近地轨道部署
推荐： 重型化学火箭 (如 SpaceX 的 Starship，或使用 Merlin/Raptor 等高性能化学发动机的超重型火箭)。
原因： 必须依靠化学火箭强大的推力将巨大的载荷（包括飞船主体、生命支持系统、火星栖息地模块、大量物资）送入地球近地轨道。

第二阶段：地球轨道组装与初步加速
推荐：
化学推进器 (用于大推力机动) 配合 电推进器 (用于高效巡航)。
或者，如果技术允许，核热推进 (NTP)。
原因：
混合策略： 在地球轨道上，可以使用化学推进器进行大质量的变轨操作，将所有组件组合成一个完整的星际飞船，并进行初始的行星际加速。随后，切换到高效的电推进器，利用其高比冲特性，在数月内以恒定小推力实现高速巡航。
NTP 优势： NTP 可以在较短时间内完成从近地轨道到火星轨道的转移，显著缩短宇航员的暴露时间。这是一个非常有吸引力的选项，但需要克服技术和安全挑战。

第三阶段：火星轨道插入与着陆
推荐：
化学推进器 (用于减速) 配合 可控的降落推进系统。
高比冲的电推进器 也可以用于精密的火星轨道调整，但最终的减速和着陆仍然需要化学推进。
原因： 在接近火星时，需要较大的减速推力才能进入火星轨道并最终着陆。化学推进器能够提供这种瞬间的大推力。

第四阶段：火星表面运行与返航
推荐：
火星表面动力： 模块化、可维护的 化学推进器，并探索 原位资源利用 (ISRU) 来生产推进剂（例如，从火星大气中的二氧化碳和水冰中生产甲烷和液氧）。
返航： 高比冲的星际推进器 (可能是电推进或 NTP)，并结合 ISRU 生产的返程燃料。
原因：
ISRU 的重要性： 对于长期的火星殖民，依赖从地球运送所有燃料是不切实际的。ISRU 是降低成本和实现可持续性的关键。利用火星本地资源生产燃料，然后用这些燃料驱动火箭返航，将极大地改变任务的可行性。
返程加速： 返程同样需要高效的星际推进系统。

总结性的考虑：

1. 时间 vs. 效率： 如果时间是首要因素，那么 核热推进 (NTP) 是最理想的行星际转移技术，因为它能在短时间内实现高速度。然而，其技术成熟度和安全性需要进一步验证。
2. 效率 vs. 成本： 如果更看重燃料效率和长期成本效益，那么 核电推进 (NEP) 或 太阳能电推进 (SEP) 配合高效的星际巡航是更好的选择，尽管需要更长的旅程时间。
3. ISRU 是未来： 任何最终的火星殖民计划都必须将 原位资源利用 (ISRU) 视为核心战略，尤其是在推进剂生产方面。这意味着我们需要开发能够使用火星本地材料作为推进剂的推进系统，例如甲烷/液氧火箭发动机。
4. 技术发展路径： 鉴于目前的技术水平，一个可行的路线图可能是：
近期： 利用重型化学火箭发射，并结合成熟的太阳能电推进进行深空巡航。
中期： 发展和部署核电推进，以提高货运效率，并开始探索 NTP 的可行性。
长期： 实现基于 ISRU 的甲烷/液氧推进系统，并可能将 NTP 或更先进的推进技术（如聚变推进）作为最终选择。

最终的“最合适”选择，将取决于以下几个关键因素的权衡：

政府和私人资本的投入程度。
对技术成熟度和风险的接受程度。
对宇航员生命安全和健康（即旅行时间）的优先考虑。
对长期可持续性和成本效益的追求。

在我看来，为了实现真正的火星殖民，一个 混合策略 是最现实的。以强大的化学火箭为基础，将其送入轨道，然后在深空中使用高比冲的电推进器（可能是核供电的，以获得更强的能力） 进行漫长但高效的巡航，同时积极推进 ISRU 技术 来生产返程和在火星表面的燃料。如果能够克服技术和安全障碍，核热推进 (NTP) 将是大幅缩短旅行时间的最佳选择，使得首次火星殖民任务更具可行性。

网友意见

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用太阳光分解水生产的氢和氧、用转基因地球生物生产的碳氢化合物都可以执行将航天器打到地球轨道上的任务，动量交换绳可以将航天器从地球轨道上扔向月球或火卫二以及扔回来。离子推进在从地球轨道上前往月球方面毫无问题。帆类推进、磁轨炮直接射出去之类手段适合在真空中使用，毫米波火箭[1]在大规模发射时效率会超过化学火箭。质量大谈不上什么严重问题，你可以将多个航天器送到地球轨道或地月拉格朗日L1组合起来再前往火星，不过在那之前地月拉格朗日L1基地、月球挂绳、火卫一双侧长绳之类更值得建设，火星居住的优先度实际上极其低。

题目体现出提问者的认知受到一些科幻小说的严重干扰。

“只有地球上有化石燃料”这说法，是强调“地球上才有生物质变成的燃料”，而不是说别的天体上没有碳氢化合物。泰坦星（土卫六）上横流着大量的液态碳氢化合物，光是其表层已知的甲烷湖泊就有地球上探明的化石燃料总储量的三百倍。

月球的氦3根本不值得开采。

在木星圈和土星圈活动不需要开采它们的核燃料，木星周围强大的辐射和等离子环流足以驱动航天器与太空建筑，土星环里含有巨量的水冰。

三体描写的“无工质可控核聚变辐射推进”在现实中比化学火箭更弱，现实的核能推进技术则有很大的危险性和诸多的技术难题，在目前的条件下还不适合使用。用辐射推进的效率比喷射聚变产物低几万倍，别人整出来核聚变推进也不会留着聚变产物的。可以参照此处：

反物质引擎的技术用不了一百年就能掌握，但在目前太阳系附近的物质配比下没有任何意义。

对现实中的核推进有兴趣的话，可以参照以下内容。

火箭公式与相对论性火箭公式的简介：

代达罗斯计划与远射计划的简介：

代达罗斯计划的聚变装置的构造：


真正麻烦的问题不是这些。

你对人类的总功率成长率和时间尺度有基本认识的话，很容易理解我们永远不需要“火星殖民”。不限于火星，人类大概永远不需要在其他天体上大量住人。

关于改造火星的困难与低价值，以下截图引自《巫师、外星人和星舰》：

以上是对火星地球化改造的困难与低价值的简单介绍。

可以看到，相当乐观的学者认为改造火星要花超过300年、或许长达30000年的时间，1E25~1E26焦耳的能量，这能量约为现在每年全球能耗的10万~100万倍。即使改造火星只要1000年时间且发电成本变成现在的千分之一，从现在开始需要每年投资2020年不变价1000亿美元、连续投资一千年（在年通货膨胀约3%的情况下会成为天文数字，美国抑或任何投资它的企业都不一定能存在到它完成）。

人类现在的社会形态和身体能力还没达到要考虑“太空资源”的时候。照目前的不可持续发展和瘟疫流行、社会分裂的状况，用不了几百年我们就可能自我毁灭。所谓“去太空开拓新的生存空间”，不是说“地球装不下的人口扔到天上去”，而是在地球上发生灾难性的战争、超级传染病、严重天体撞击或巨大火山爆发等全球性自然灾害、失控纳米机械风暴等状况的时候，让人类还有延续下去的可能。执行这个任务的居住区根本就不需要什么几百万人，几百个人就够多了。

能够进行宇宙航行的技术可以轻易建造巨大的太空建筑。不锈钢就可以撑起10万倍地球表面积的片状刚性体，行星支持生物圈的能力根本就是垃圾。

在有限技术下的太空环境中，水是最有价值的东西之一。你可以把它分解成氧气和氢，用于呼吸、推进剂、燃料电池。你可以喝水，也可以用水支持藻类生产食物。水也可以用来保护你免受辐射。将水从地球送入轨道确实很贵，所以规划太空居住区的人们首先要考虑从哪里取水。月球环形山的阴影里有大量的水冰，而火卫二在数百年内可能成为重要的水供应中心，并顺带发射硅酸盐、金属和碳，需要的速度改变量远小于从月球上发射。

小行星带非常稀薄。实际上，以人的视力，站在一个小行星带天体上很难看见其它的小行星带天体。整个小行星带的总质量只有月球的4%。尽管如此，我们已经知道超过200颗直径大于100千米的小行星，还有70万~170万颗直径大于1千米的小行星。其中，小行星16 Psyche几乎是纯粹的铁镍合金，大概可以搞个矿场。

在人类有效抵达巨行星与冰巨星的时代，我们可以在这些天体附近建立资源工厂和空间居住区。如果有少数人就是喜欢住在火星上，土星环的冰可以被投向火星来为其增加水量。小天体的轨道距离太阳越远，射向火星需要的速度变化量就越小——当然，这对射向地球也适用。为了防止有人蓄意破坏，主要航天势力得在这些星环附近设立基地并互相牵制。在大型工业与军事基地建立起来后，服务业站点会跟着发展起来。

参考

  1. ^ https://www.zhihu.com/question/338879543/answer/782058272

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