火星之旅的漫漫长路

2018-03-16编译舒愉棉

世界科学 2018年3期

编译舒愉棉

人类一直以来都梦想着登陆火星，并为此雄心勃勃地制定将宇航员送上火星的计划。不过，如果宇航员真的到了火星，他们会遇到哪些困难，又需要哪些技术来帮助他们解决这些麻烦呢？且听美国科学作家斯蒂芬·奥恩斯（Stephen Ornes）一一道来。

在许多好莱坞大片中，星际航行显得特别简单：宇航员跳上宇宙飞船，点火起飞，穿过太空（冬眠或者不冬眠，一切顺利或者出现问题），然后在外星球地表着陆。但深空中大量已知和未知的冒险加上人类躯体的物理限制，现实生活中的太空旅行注定比好莱坞大片所展现出来的要复杂太多。

上至想要建造并驾驶宇宙飞船的科学家，下至批准投入资金使用的政治家，向火星进军这一想法已经萦绕在对宇宙充满好奇的人类心中多年。美国前总统小布什就曾在2004年提议为2020年重返月球投入120亿美元，以此作为进军火星的跳板，他说：“人类被外太空深深吸引，正如当年我们横跨大海来到美国这一未知土地时所受到的吸引一样。”前总统奥巴马同样不甘示弱，在2016年宣布希望能够让人类在2030年登上火星。最近，特郎普总统更是签署了一项太空法案，为美国宇航局（NASA）拨款195亿美元，助力人类登上火星。（“你可以把国会送上太空了。”一位议员在特郎普签署法案时调侃道。）

将人类送上火星不再只是政治夸张与炒作，这一愿景已逐渐从科幻小说变成科学事实。2018年夏天，欧洲航天局（ESA）计划在德国不来梅完成对已经建造了4年的航天器装载，将这个高4米、直径5米的圆柱形航天器运到NASA在佛罗里达州的肯尼迪航天中心去。在那里，它将会被整合进太空探索系统中，为人类史上最具雄心壮志的太空探索计划贡献力量。

图1 美国宇航局约翰逊航天中心正在对太空服进行检测，这个3.35米高的热真空实验设施可以模拟飞船在航行中的舱内环境

猎户座飞船的火星使命

图2 中这一巨大圆柱体就是猎户座飞船的服务舱。一旦离开地球大气层，服务舱将会展开长19米的太阳能板来为深空航行供能。舱内，电线、电缆、仪器以及燃料、空气和水等人类在深空航行时所需物资像3D拼图一样被紧实地压在一起。服务舱上方高3.3米的是载人舱，这是宇航员在漫漫旅途中的家。

猎户座飞船的终极目的地是火星。尽管火星是地球最近的邻居，它的公转轨道也使其至少与我们保持着平均2.25亿公里的距离（理论上来说，最近的距离可以达到5 500万公里，但事实上火星从未靠地球这么近过），这样的物理距离哪怕是在自认为对太阳系熟悉的物理学家看来都难以相信。“如果将握拳的手比做地球，那么现有的空间站所在的轨道距离我的手大概就只有半厘米，也就是跟手背上汗毛长度差不多。按照这个比例尺，月亮大概有5米远，而火星根据它所在的轨道相对地球的位置，大概介于500米到3 000米那么远。”ESA人机太空探索项目负责人大卫·帕克（David Parker）在介绍时比喻道。该项目目前已经基本完成了对猎户座飞船服务舱的建造。

火星之旅注定充满困苦，不仅仅是漫漫长路，更是需要在有限预算和不同部门管理下开发所需技术。每前进一步，情况都更复杂，风险也更大。NASA在2015年已公开的火星之旅的规划蓝图如下：宇航员先乘坐强力火箭离开地球，然后与近月空间站交会。NASA正在研发名为“深空之门”（DSG）的空间站，该发射台将能够完成向月球、小行星和火星的发射任务；在深空网关完成数天的准备工作之后，宇航员将搭乘穿梭飞船向深空继续进军；在接下来的6个月，甚至更长时间里，他们将在一个像小型房车的密封盒子里继续航行。盒子外，地球逐渐远去直至缩小成视野里一个小小的光点；等到达火星并驶入轨道后，他们将换乘停泊在火星轨道上的另一飞船，俯冲穿过火星稀薄的大气层，降落在事先建好的栖息地附近（栖息地极有可能就地取材，使用冰或者风化层岩土通过3D打印技术建造完成），然后在接下来的18个月里开展地理研究和栖息地维护，最后返回地球。

图2 猎户座飞船的服务舱完全就是科技迷宫

NASA希望能够在2030年前后进行火星殖民，而这同样也是欧洲发源、国际共建的非营利性组织“火星一号”的愿景。与此同时，美国太空探索技术公司（SpaceX）则希望在火星登陆和火星殖民上都能反超他人，一举领先。SpaceX公司的计划是在2018年试发射自建的“重型猎鹰”运载火箭（该火箭已于2018年2月6日成功发射），这也是现役推力最大的运载火箭，其设计初衷就是具备运载一架满负载的喷气式飞机抵达火星轨道的能力，其有效载荷是美国现役最新的操作式火箭德尔塔4号重型运载火箭的两倍。“重型猎鹰”的首飞把SpaceX公司创始人埃隆·马斯克的红色特斯拉跑车送入环日轨道，并通过这个轨道来靠近火星。到2020年，SpaceX公司预期能够向火星发射火箭，在那儿收集标本并带回地球，完成之后则是将人类送上火星。接受物理学专业训练的马斯克在2017年9月曾提到SpaceX公司研发中的名为“巨型猎鹰火箭”、代号为BFR的新型火箭，听上去BFR的描述完全就像是《星球大战》电影中会出现的火箭：自给自足、超高效运输、星球间往返无停留、外形酷似改良版航天飞机的宇宙运输机。

进军火星不仅意味着运用物理学和工程学去解决离开地球的种种技术挑战，更意味着要解决长途行驶的推动力问题、宇宙飞船和空间服保护人体不受宇宙射线和其他辐射伤害的设计问题以及在星球稀薄大气中安全着陆的问题。除了找到解决上述问题的有效策略外，怎么回地球也是必须面对的难题。

不过，对于参与其中的科学家和工程师而言，为了进军火星，这一切都是值得的。“我想象不出还有什么能够比冲出地球、遨游星际更令人心潮澎湃的事了。”2017年在澳大利亚阿德莱德举行的国际宇航大会（IAC）上，马斯克如是说。

前事之师

我们对火星以及如何前往火星的现有知识都来自于几百年来经验的积累。17世纪，开普勒绘制出了火星运行的椭圆形轨道，而伽利略则成为用望远镜研究火星的第一人。19世纪，天文学家对火星的地理特性、灰尘云以及极地冰盖进行了研究，那时有报道称火星表面有绿色海洋和红色陆地，这在当时就引发了火星存在外星生命的种种推测。

地球向火星发出的第一个信使是1965年7月由NASA发射的水手4号飞船，该飞船行驶经过了火星。自此之后，为了探索火星奥秘，全世界的航空航天机构包括来自ESA、印度以及苏联相关机构向火星发射探测器、轨道飞行器以及着陆器共计44枚。然而航程并不顺利，44枚探测器中超过一半（23枚）因为解体、爆炸、坠毁以及其他原因而未能完成使命。截至目前，仍有两辆火星漫游车尚在火星表面活动，有6枚轨道飞行器绕火星飞行，而ESA和NASA同时还计划2018年发射火星探测飞船。这一系列的探索任务为物理学家和工程师提供了掌握和应用地球发射探测器到火星的基础力学的绝佳机会，包括初始发射平台的搭建以及发射后最节能轨道——霍曼转移轨道的建立（图3）。发射窗口也极为关键：脱离轨道过早会导致飞船错过火星冲进深空，而脱离过晚则会让飞船被火星的引力捕捉。

如果想要在物理上实现向火星或者太空的任何地方运输物体，就需要在最小化质量和不遗漏必需物资之间寻找到平衡点。飞船越重，航行所需燃料就越多；而飞船携带燃料越多，飞船就越重。NASA正在亚拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心进行测试的火箭系统——太空发射系统正是为了能够具备足够动力运载宇航员到达诸如月球和火星等深空目的地而被设计出来的。

对于人类宇航员来说，生命的维系同样存在困难：在发达国家，一个人平均一天就要消耗100～150升水，而国际空间站（ISS）上一天用水量在100～150升上下浮动，这还是循环用水策略把人类和动物船员呼吸和尿液中的水分进行回收后的结果，除此之外便是在距离地球仅有几小时航程的轨道上留有水箱，这也就意味着“船员必须要对出发和返程所需用水精打细算才行。”帕克还补充说，仅凭增加现有火箭的有效载荷是不够的，科学家需要研发新材料和找到新路径来为这漫漫长路准备好远行的行囊。

图3 早在第一枚宇宙探测器发射的几十年前，德国物理学家瓦尔特·霍曼就计算出在同一星球的不同大小圆形轨道间转移的最节能路径，即霍曼转移轨道。如果想要花最少的能量让飞船进入环火星飞行的轨道，那么不仅需要让飞船按照霍曼转移轨道飞行，还需要在正确时间点进行发射操作，这样火星的引力才会稳稳地捕捉到飞船。这一绝佳发射时间每25个月才出现一次

图4 火星探索者或将在火星上居住在3D打印冰屋中

人类保护层

在火星任务中，对人类最致命的威胁莫过于无人能见的辐射了。“这必然是技术挑战中最难的一个，”帕克说，“尽管空间站宇航员受到的辐射量远远高于我们在地面上受到的辐射量，但是他们有范艾伦辐射带提供的持续保护。”范艾伦辐射带是地球附近的近层宇宙空间中包围着地球的巨大高能粒子辐射带，是由于地球磁场与太阳风相互作用形成的，保护地球不受高能粒子影响。

向月球或火星出发就意味着离开地球磁层的保护（地球磁层是指在太阳风和行星磁场的相互作用下，地球原来磁场的磁力线被太阳风压缩在一个有限的空间，位于地球周围、被太阳风包围并受地磁场控制的等离子体区域）。在深空中，辐射来源有多种，其中包括太阳活动和银河系宇宙射线，而辐射主要包含的是高能原子、质子和电子。这些粒子可以损害保护层并且渗入到包括人类皮肤在内的许多物体中去。空间辐射对人体的伤害会随着时间推移而逐步积累，这也意味着执行3年火星探索任务的宇航员所受到的辐射剂量将会是阿波罗号宇航员受照剂量的100倍以上，而后者只离开地球磁层数天而已。

鉴于火星稀薄的大气层无法提供太多保护，因此对于未来在火星上执行任务的火星探索者而言，保证不仅仅在航行过程中、更要在火星停留期间保证安全的材料设计就十分关键了。2014年《科学》杂志发表的一项研究中，科学家利用NASA好奇号上的辐射评估探测器（RAD）收集的数据（科学史上首次对地球以外的星球进行辐射分析）预测：在火星上停留500天，人类受到来自太阳和宇宙射线的辐射剂量会超过120毫西弗，这个剂量是地球表面平均年辐射剂量的100多倍，再加上往返地球与火星之间所测量到的辐射受照量，研究者们统计出来的受辐射总量将高达1西弗。过去的科学研究表明，大量辐射会导致40岁男性患癌致死风险上升至少4%，而40岁女性则上升至少5%。

在好奇号发回RAD数据以前，物理学家只能以电脑模型来预测太空中的辐射环境。“但是一个好的物理学家必须要做实验去验证模型，”来自科罗拉多州博尔德市西南研究所的唐·哈斯勒（Don Hassler）说，“除非经过验证，否则不可以完全相信计算出来的模型。” 正如结果所示，计算机模拟出的模型和RAD的数据并不吻合，这些已有模型还需要再加以改进。在2014年开展这个研究的哈斯勒还说，RAD采集的数据揭露了火星表面辐射存在未曾被科学家预料到的变化，那就是不仅仅存在季节差异，还存在日差异，“辐射环境不应该成为休止符，这就像气候一样，需要进行管理。”

真实采集的数据还能指导在火星上建立辐射防护庇护所。如果将建筑材料运往火星，其成本必会极为高昂，因此最好的策略就是运输建筑工具，就地取材进行建造。的确，NASA就举办了3D打印火星宜居地挑战赛，向公众悬赏250万征集可以利用火星表面的冰或风化层岩土锻造的3D打印建筑设计，纽约的一家建筑公司最终凭借他们设计的冰屋夺得桂冠。

软着陆

如果说离开地球表面、穿越太阳系航行是一项巨大挑战，那么这项挑战中最棘手的一环便是最后阶段——飞船下降。火星的引力因为自身质量原因，仅为地球引力的38%，听上去好像会因此让下降过程没有那么剧烈，但事实上却另有隐情：火星的大气层比地球大气层稀薄100倍，并且主要成分是二氧化碳。

“火星大气层厚度对于飞船降落而言，没有稀薄到可以被忽略的程度，又没有厚到可以减缓飞船降落的程度。”加州圣巴巴拉安纳卡帕科学中心首席科学家、人类学家杰克·斯托斯特（Jack Stuster）评论道，他目前正与NASA合作开展宇航员行为研究。

的确，NASA好奇号火星探测器在历时8个月的航行之后于2012年8月落地火星表面，而监控好奇号的工程师将整个下降着陆过程称为“地狱7分钟”。因为好奇号自身携带的隔热罩和“太空起重机”着陆系统太重，无法使用安全气囊进行速度缓冲，因此只能同时使用降落伞和制动火箭系统来减缓降落冲击。探测器和地球控制中心间进行通讯的信息收发需要14分钟，这也就意味着当NASA收到好奇号开始下降的信号时，好奇号要么已经成功着陆，要么就已经彻底坠毁。

好在好奇号最终成功了，而在此之前从未有成功着陆的先例。过去著名的例子有：1999年火星气候探测者号因为计量单位混淆的人为错误而在火星大气层中着火，最终导致任务失败。

载人飞船尽管会携带更多有价值的货物，但自身的重量也就会比好奇号重很多。工程师提出了许多方案来减缓下降过程的剧烈冲击，包括提出对上至隔热罩和制动助推器、下到“太空起重机”着陆系统的改进方案。降落伞因为体型庞大或者所需过多，会增加下降时自身重量和任务风险，因此不太可能作为解决方案被采纳。“如果要用降落伞来减缓载人飞船降落，那么至少需要像玫瑰碗球场那么大的降落伞。”斯托斯特所提到的玫瑰碗球场位于加州帕萨迪纳，直径约300米。

同时，SpaceX公司使用制动火箭系统多次成功让猎鹰9号火箭降落到发射台，也打算在以后进军火星时采用这一方法进行降落。“为了在火星上着陆，你必须要让助推着陆分毫不差，”马斯克说，“我们一直用猎鹰9号练习的就是这个，这太让人着迷了。” 事实上，现在猎鹰9号火箭着陆只使用了一个引擎，而在巨型猎鹰火箭上将使用更多这种引擎。

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NASA为了火星首航制定了一系列先导任务。在2019年下半年或者2020年上半年，猎户座飞船将进行试飞，此次试飞将环月航行数天并在返回地球前释放一些微型卫星；这项任务之后，是接踵而至的一系列任务：一年期载人深空飞行，重返月球，无人小行星飞行，最终实现载人火星航行。

在物理学和科技挑战之上还存在另一问题：人。火星之旅要求宇航员与屈指可数的几个人朝夕相对很长时间，谁能够胜任这样的任务？选谁去火星？怎么去挑选？斯托斯特就曾与NASA一起优化宇航员挑选流程，他曾在1996年出版的《大胆尝试》一书中对宇航员心理学进行论述。除此之外，NASA和ESA都资助过火星生存模拟实验，在实验中，志愿者会在夏威夷火山旁的栖息地（HI-SEAS项目）、地图上找不到的意大利洞穴（CAVES项目）、南极洲或者其他地方与世隔绝进行模拟生存。