人类登陆火星：问题及方法

亚当·曼++曾连荣

运载火箭

虽然人类在5 0多年前就成功地进入太空，但载人火星任务的规模比以前的任何航天项目都要大。目前还没有火箭能够让携带宇航员和到达火星必需的所有供给与燃料的巨型航天器摆脱地球引力到达太空，可能需要用火箭分批将零件送入近地轨道，宇航员在太空中组装好航天器和给养再飞往火星。

目前，太空中最大的运转设备是国际空间站，质量达4 0 0余吨，当年用了3 1艘飞船才运载完成。能将人类送往火星的飞行器质量约1 2 5 0吨，使用现有的火箭，需要7 0次至8 0次的飞行才能完成任务。国际空间站花了1 0多年时间才组装完成，组装火星飞船也需要非常长的时间。

也许，未来这项任务会容易得多。如果新型太空发射系统SLS 火箭在2 0 1 7年研发成功，其运载能力还是相当可观的。美国私营太空公司SpaceX 公司正在研发新型猎鹰重型运载火箭，它的运载能力比SLS火箭略小一点。美国航空航天局估计，至少需要发射7枚新型SLS 火箭，才能将登陆火星必需的供给和飞船等送入地球轨道。

燃料的储存

人类在太空中生存需要很多东西：食物、氧气、住所、燃料。载人火星任务送到太空的物资中，推进剂将占去大约8 0%。问题是，在太空中储存如此大量的燃料是很困难的。宇航员搭建火星飞船时放置材料的地方处于近地轨道，在这里，物体大约每9 0分钟环绕地球一圈。它们有一半的时间处在太阳的高温烘烤中，而另一半时间则在太空冰冷的黑暗中。这种变化很容易导致液态的氢和氧蒸发，如果处理不当，储存燃料的容器还可能爆炸。在那里，容器中的氢一个月内就会蒸发掉4%。如果火星项目在近地轨道停留1年，将损失近1/2的推进剂。将1千克氢送入太空的成本大约是1万美元，这种泄漏是巨大的浪费。美国航空航天局正在测试大型太空低温装载和转换推进剂技术。如果成功，美国航空航天局就可以在太空设立一个长久的气体仓库，随时为火箭补给燃料。

推进技术

美国航空航天局计划先把飞船送到火星表面，再把宇航员送过去。要将人类尽快送往火星，先进的推进技术非常重要。美国航空航天局正在研究太阳能推进技术，这是一种通过飞船尾部发射电离气体来推进飞船的技术。美国航空航天局的“黎明”号飞船和日本的“隼鸟”号飞船都已使用了这项技术。火星项目需要比这些已有项目更大的太阳能电动推进器。美国航空航天局目前有一个搜集小行星并将其拖拽回地球的计划，它将促进太阳能电动推进技术的研究。

在火星上着陆

稀薄的火星大气层不能很快撑开大型降落伞，所以大型航天器降落火星有很大困难。“好奇”号重1吨，是目前能够发送到火星表面的最大物体。美国航空航天局表示，载人火星项目至少需要发送4 0吨重的物体到火星。“火星1号”计划的单程载人火星项目也需要携带近1 0吨物资。美国航空航天局的专家正在研发一种高超音速充气系统。这是一些巨大的类似球状的物体，展开后可帮助飞行器减速。

不过，人类在火星上着陆的关键是超音速重推进技术。美国航空航天局曾在2 0世纪6 0年代至7 0年代就超音速重推进技术进行过风洞实验，不久前也进行过一次。好消息是，实验表明超音速重推进技术在理论上是可行的，坏消息是美国航空航天局不再研究这个项目了。

现在，一些私营航天公司，例如SpaceX公司正在研究可重用的火箭，它可以从近地轨道返回发射台。该公司可能会在迟一些时候研究超音速重推进技术。

宇航员健康问题

对具有最复杂系统的人类身体来说，太空是个危险的地方。为地球生命提供能量的太阳，在太空旅行中对生物却是致命的威胁。一旦宇航员处于地球磁场之外，太阳的射线将在他们体内积聚，从而增加他们患癌症的风险。“好奇”号火星探测器近期得到的数据已经量化了火星表面的射线等级和危险程度。类似太阳耀斑和高能粒子的大爆发可能将潜在的、致命剂量的射线作用于宇宙飞船。因此， 美国私营载人火星项目——“灵感火星”——计划选择在太阳的弱活动年2 0 1 8年进行，届时太阳粒子爆发的可能性最低。不过，较低的太阳粒子活动增加了来自星系间的射线，这些射线也是有害的。飞往火星的旅行可能需要7个月至9个月的时间，在整个过程中都要保护人类。目前，最可行的解决方案是用水把宇宙飞船包起来。水能够吸收射线，并能在遭遇太阳风暴时提供一定的遮挡。但是水的质量比较大，在航天项目中增加任何重量都将提高成本。未来有望开发出能够保护宇航员的小型磁场技术，但这是许多年后才能实现的。

除了射线，载人火星之旅面临的最大挑战是微重力（又称零重力），它会导致不少奇怪的病症，以及一系列的心理问题。如果长期处于零重力状态，会出现骨骼钙质流失、肌肉萎缩、视神经肿胀等问题，如果得不到及时治疗，可能导致身体虚弱、骨质脆化，甚至失明。先进的医疗技术和有规律的锻炼有助于解决太空旅行中出现的一些身体问题。目前，美国航空航天局正计划让宇航员在国际空间站停留1年，以便更好地研究这些因素。然而，在飞往火星的过程中，宇航员要面临的心理问题在很大程度上是未知的。国际空间站与地球之间的距离比较近，宇航员可以看见地球，但是火星项目的宇航员要忍受长时间不能与家人沟通的痛苦。2 0世纪9 0年代，美国科学家曾进行“生物圈2”号实验，让8个人在大型模拟环境中停留近2年。参与“生物圈2”号实验的专家泰伯·麦卡勒姆说：“所有参与该实验的人员都表示心理问题是最大的问题。”到目前为止，时间最长的火星旅行模拟实验是由俄罗斯组织、多国参与的国际大型实验项目 “火星5 0 0”。2 0 1 0年6月至2 0 1 1年1 1月，6名志愿者在密封的房间里待了5 0 0天。随着时间的推移，参与该项实验的志愿者在房间中变得无精打采，其中1名变得很消沉。6名中有2名没有出现什么问题，只有1名保持着活跃和忙碌状态，认知能力没有下降。

目前，美国正在进行一个火星项目，测试人类能忍受孤独的极限。

火星的资源

火星环境寒冷干燥，不过火星拥有丰富的资源，宇航员可以利用它们。

在宇航员到达之前，一台机器会被预先发送至火星。它将利用火星大气中的二氧化碳提取氧气，从土壤中提取可分离的元素，然后用它们制造建筑材料和火箭燃料。火星固态水储量丰富，在某些地方的土壤中有足够的冰晶，机器人可以轻易地收集。

虽然经常被讨论，但是现场资源利用技术从未被开发过。美国航空航天局需要证明依靠外行星资源生存是可行的。

人类还需要在火星上种植植物，因为宇航员需要新鲜的水果和能够使他们减少食用冻干食品数量的农场。但是在另一个星球上种植是件棘手而且危险的事情。美国专家泰伯·麦卡勒姆说：“没有人希望宇航员依靠自己生产的食物生存。植物是挑剔的，如果宇航员出现错误，它们可能会死亡。”在分析了植物种植的投入和产出，以及温度控制和其他必需的系统和技术需求后，麦卡勒姆估计，要在火星上连续经营1 5年至2 0年的时间，才能从农业系统中得到与投入相当的产出。

保护人类和星球

由于有外星生物存在的可能性，美国航空航天局和其他主要航天国家一致同意遵守严格的星球保护标准。1 9 6 9年，当美国3名宇航员成功登陆月球并返回地球时，美国航空航天局将他们隔离了三周，以确保他们没有带来可能危害人类的可怕的太空病毒。这样的工作重复进行，直到1 9 7 1年完成第八次载人登月任务后，科学家才确信宇航员没有从月球带来危害。

虽然月球上没有有害细菌，但火星是另外一种环境。在火星上存在生物的可能性确实很小，但并不为零，有证据证明火星可能曾经具有孕育生命的能力。这些可能的生物也许是有害的。

在考虑火星上的微生物可能危害人类的同时，我们也应该关注另外一个相反的问题。人类自身拥有微生物群落和真菌，而目前我们无法防止这些微生物和真菌随人类登陆火星后对火星造成污染。我们需要提高能力来保护人类免受火星的影响，同时也需要使火星免受人类的危险影响。为了遵守最严格的行星保护协议，最好的方法是在火星表面实施一些无人探索任务。人类可以在近地轨道或火星的卫星上扎营，实时遥控火星表面的探测器和其他机器人。这些机器人将检查火星表面以获取是否存在生物的证据，并且发现更安全的着陆点。未来的技术也将防止宇航员降落火星时带来人类的污染。

火星的沙尘

干旱的火星环境产生了大量微小的沙尘，而这些沙尘是有害的。人类生活在火星表面，就像生活在巨大的盐地里。火星沙尘具有腐蚀性，宇航员的工具需要特别耐用，否则容易被腐蚀。

尽量使宇航员不暴露在火星的沙尘环境中更加重要，因为火星沙尘被认为是有毒的。“好奇”号对火星土壤样品进行分析后发现，火星的土壤中含有高氯酸盐。在地球供水系统中，高氯酸盐是需要高度关注的化学物质，可能导致人体甲状腺疾病。

火星上的尘埃也可能含有致癌物质，可能会使人体出现类似阿波罗宇航员患的月球花粉症之类的过敏反应或肺部疾病。载人火星计划需要了解火星尘埃与人类栖息地的湿度，否则尘埃可能像碱液或漂白剂一样伤害人体皮肤。目前，美国航空航天局以及S p a c e X 公司、I n s p i r a t i o nMars 公司都有火星登陆计划，其中的一个将被选为最终计划。

没有人确切知道载人火星项目需要多少成本，估计高达数百亿甚至数千亿美元。这样的项目似乎应该通过国际合作来完成，这就需要参与国通过正式承诺的方式制定好一切事务。世界是复杂的，长期的任务还要应对政治变迁和经济衰退等因素。