目的地:火星

铁锈色尘埃扫荡着火星表面的空旷平原和很深的陨石坑,也会偶尔掠过火星上的人造物体,例如登陆器的太阳能电池板,或者火星车的轮子。地球人送到火星上的机器人已经告诉了地球人有关火星的大量信息。火星上有太阳系中最高的山,火星表面很可能曾经存在过、并且现在也可能存在大量液态水或水冰。很久以前的火星并不像今天这般冷冻,也不是一片荒漠,而是温暖、潮湿之地。然而,地球人从未踏足过火星。

地球人还未登陆过火星,因为去火星很不容易。自1971年以来已经有18次机器人登陸火星的尝试,其中11次飞行器要么坠毁,要么登陆后很快就不再运转,要么与火星擦肩而过。既然送机器人去火星都这么困难,那么载人登陆火星的难度就可想而知有多大了。

载人登陆火星绝非不可能。美国宇航局计划在10年后完成这个壮举。美国太空探索技术公司老板马斯克早就表示,他希望能在火星上建立人类定居点。中国、俄罗斯和印度等国都计划尝试在未来实现载人登陆火星。

火星探索热潮将持续很长时间,其背后是各国的雄心壮志,也是科学创新的体现。虽然火星车能干不少事,但它们不可能像人类那样运用主观能动性、科学知识和直觉来主动探索一个大问题:地球人在宇宙中是唯一的智慧生命吗?一些科学家认为,要想回答这个问题,火星是最佳去处。而如果要想真正了解火星,就必须送人去火星实地考察。

为了载人去火星,所需送入太空的物资数量将大大超过以往,还要穿越数千万千米的行星际致命空间,并且最终安全登陆火星。这是非常高难度的挑战,但并非不可能完成。本文介绍的是载人登陆火星的先后步骤。

载人飞近火星任务(示例说明图)

有大富翁劝说美国宇航局合作开展载人飞近火星任务,往返火星的整个任务期为501天。

1 离开地球

地球与火星之间的最近距离大约为5500万千米。这听起来很远,但穿越如此远的距离对已有的火箭技术而言并非高不可攀。

一旦飞船远离地球,地球引力就大大降低,这样就能以较小的推力来推动飞船前往火星。载人火星之旅单程耗时为9个月左右,而俄罗斯航天员在空间站上最长已经待过一年多。载人前往火星不需要新型推进技术,例如加速很慢的太阳帆,而是只需一枚指向正确方向的巨型火箭。

猎鹰重型火箭发射情景。

几十年来的太空探索已经教会科学家和工程师怎样制造巨型火箭。目前有7种类型的火箭有潜力胜任载人火星之旅。其中最强大的火箭是太空探索技术公司的重型猎鹰火箭,它一次能发送18.5吨物资到太空,这么大的重量超过迄今所有火星登陆器和火星车,但一次载人火星任务的载荷量要大得多。一个6人火星机组往返火星一次所需的食物和饮水最少也超过20吨。美国宇航局在其2017年的一份报告中估计,如果把探测装备和宇航员在火星表面待的时间考虑进去,载人火星飞船的物资载荷量将达到大约100吨。

这并非不可想象。正在研发中的美国宇航局太空发射系统和太空探索技术公司的巨鹰火箭,都属于迄今最强大的发射系统。太空发射系统的火星任务计划载荷量超过45吨,而巨鹰火箭的计划载荷量超过100吨。也就是说,建造更大、更好的火箭并非难事。另外,可以在发射宇航员之前先发射一些设备,这样载人飞船就可以瘦身。不过,下面步骤的难度都大增。

2 太空旅途

看来人类已经掌握了在太空生存的法宝,毕竟,远离地球的国际空间站上一直有宇航员驻守。从太空探索来说,造访空间站就好比在自家后院安营扎寨。你可能会感觉自己离家很远,但你的父母依然会带给你三明治。如果去火星,你就得自带干粮。

你要担心的并不只是食物。如果火星飞船出故障,你必须有备用配件和工具来修复。如果你生病,你得有药。把所有以防万一的物资都带上火星飞船显然行不通,因为额外重量意味着更多燃料和费用。那怎么办?解决办法之一是带3D打印机上飞船,需要什么就打印什么。国际空间站上已经有一台3D打印机,美国宇航局一直在拿它做实验。载人火星飞船上也可能会有3D打印机和原材料,而不会搭载一大堆可能并不需要的零部件。

载人火星飞船上的药柜里装什么呢?这个难题更棘手。宇航员在空间站上的经历证实,细菌可以在飞船上活得很好。研究显示,在模拟微重力条件下生长的细菌会对广谱抗生素产生耐药性,而且耐药持续时间比在地面上长久。科学家正在研究怎样克制细菌耐药性,其中包括在飞船上容易脏的地方(例如卫生间门上)安装抗菌膜。有科学家建议,火星宇航员可以把药物原材料带上飞船,按需生产所需药物,而非直接带各种药上飞船。目前,一种自动合成简单药物的系统已在太空接受测试。

开展载人火星任务,预计会使用3D打印(想象图)。载人火星飞船(想象图)。

无论火星宇航员是否生病,他们都会面临太空旅行对身体的负面影响。由于在太空无须与地球引力抗争,因此宇航员的骨骼和肌肉会退化。研究表明,宇航员在太空中待两星期会导致肌肉量减少20%,哪怕每天锻炼也如此。火星引力比地球的小太多,肌肉和骨骼退化仍是问题,火星宇航员可能每天需要锻炼几小时,必须有特殊饮食,也许还需要穿上肌肉压迫服。

除了失去地球引力外,火星宇航员也不会得到磁场庇护,而磁场会让有害的宇宙辐射转向。美国宇航局限定男性宇航员的辐射接触量相当于大约26.8万次胸部X光,女性宇航员的则要低20%。如果不考虑火星宇航员在火星表面的辐射接触量,他们在返回地球的最短旅途中的辐射接触量为限定值的60%。科学家指出,每一次载人火星任务都必须评估辐射量是否会危及宇航员健康,而火星宇航员的辐射接触总量肯定会超过限定值,目前也无法通过实验确定载人火星任务在辐射量限制下是否能够进行。

火星宇航员也会有心理健康问题。在远离地球的深空,宇航员面临极大的心理挑战,毕竟宇航员在离开地球之前早已习惯了地球风景。也许这些风景并不算漂亮,但地球人与地球有割舍不了的联系,看见熟悉的地方才会心安。在遥远的异乡——火星,要想从心理上适应无疑需要非凡的能力。

3 人员选定

火星宇航员选拔标准高于普通宇航员的标准,不但要通过强体力、强脑力和强心理测试,而且有其他要求。在前往火星途中,机组既不能减员也不能增员。通常认为机组包括4~6名宇航员比较合适,他们负责保障飞行顺利。

某些人员(例如工程师、医生和科学家)对火星机组来说不可或缺。火星宇航员不必是完美宇航员,但他们应该组成完美的宇航员团队。目前,美国夏威夷大学的太空探索及模拟实验仍在进行中,参与该实验的志愿者一次要在模拟火星基地里待好几个月,在此期间出舱时要穿模拟的火星服,还需要忍耐火星与地球之间的20分钟通信滞后。

该实验发现,如果一两名机组成员感觉自己与他人不同,就经常会造成冲突。这些差异体现在国籍、性别和音乐偏好等方面。例如一个三男一女的机组,或者机组中有人喜欢整天播放重金属音乐,这样的机组就可能因兴趣或观点不同而崩溃。让整齐划一、彼此相似的宇航员组成火星机组也不合适。如何保证火星机组成员的多样性,又不至于产生剧烈冲突?目前这仍是一个难题。

“火星500”实验场景。

让火星機组准备好执行火星任务,很可能需要接受比现在宇航员团队更大强度的训练。机组每个成员都必须懂得应对其他成员的个性,至少能化解人际交往中的小冲突。不然的话,冲突从小变大的滚雪球效应会难以收拾。美国宇航局心理学家指出,火星机组每个成员都必须学会把自己视为整个机组的一部分,必须把机组统一看得高于自己的个性,必须适应机组整体生活和运作。因此,火星机组在实际执行火星任务之前必须在这些方面接受严格训练。

4 登陆火星

在浩渺太空旅行9个月后,火星机组将迎来行程中最危险的部分——登陆。登陆火星的困难在于火星大气层几乎不存在——它的平均密度还不到地球大气层的1/160,因此降落伞不可能创造阻力来让载人火星飞船减速。科学家考虑使用助推器为火星飞船减速,就像阿波罗机组宇航员登陆月球时那样。因为火星引力比月球的大,所以火星飞船需要多得多的助推器来减速。这意味着火星飞船需要合并助推器组和其他设备来创造阻力。

这种方法已在一次1吨重的机器人任务中取得成功,但火星飞船要重太多,所以科学家正在研发这种助推器的升级版。其中一个版本是美国宇航局的膨胀式空气动力减速器。它其实是一系列登陆装置,它们利用凯夫拉纤维强化一个比降落伞强度高得多的爆发式膨大结构,由此创造更大阻力。该局已在地面上小规模测试并取得成功。

载人飞船登陆火星(想象图)。

但对载人火星飞船来说真正困难之处不在于怎样登陆火星,而在于在哪里登陆。火星两极附近看来是最佳登陆地点,因为这些地方存在地下水冰,甚至可能存在地下湖泊,而液态水对于火星机组来说当然是一大重要资源。人类生存离不开大量水,而水很重,火星机组能带到火星上的水量有限。科学家提出的许多载人火星任务建议中,都包括因地制宜使用火星水来制造火星机组返航所需的火箭燃料。

问题是温度可低至-195℃的火星极地经常有风暴发生,因而给载人火星飞船的登陆造成困难。火星两极也不是令人满意的登陆地点,例如火星北极平原很平坦,但也很单调。与火星极地相比,火星赤道地区大多数时候温度在-100℃以上,有时可达20℃,并且赤道地区阳光更多,火星宇航员可在这里采集太阳能。更妙的是,火星赤道风暴很少,值得探索的各种有趣地貌比比皆是。令人遗憾的是,火星赤道也有一大缺点——缺水。

看来选择载人火星飞船的登陆地点真是一个两难问题。对于第一批火星机组来说,在可以预测状况的地点登陆或许最简单,毕竟火星车已经探索过这类地点。一旦着陆,火星机组必须原地停留一阵子。就算不建立永久性火星定居点,他们也必须在火星表面至少待几个月,以等待火星与地球的相对位置能让他们返回地球的旅途时间尽可能短。换句话说,就算火星机组不建立火星永久定居点,也必须有火星基地。

火星基地必须应对火星可能致命的种种风险。除了前面提到的严寒之外,火星宇航员还会遭遇通常不会在火星稀薄大气层里燃尽的微陨石袭击。还有火星表面来自太空的致命辐射——火星没有全球范围的磁场来让这些辐射转向。也因为火星大气量太少,所以火星气压很低,几乎与深空的真空气压相当。

载人火星飞船内景(想象图)。火星冰屋(想象图)。

对这些风险的最简单防御措施,可能就是让宇航员尽可能待在火星飞船里,但登陆飞船上的可活动空间狭窄。另一个选择是把火星保护棚或保护棚建造材料带到火星。美国宇航局正在举办3D打印居住点的竞赛,目前已有许多方案入选。其中一些方案建议采用登陆飞船材料来建造火星居住点,但也需要采用其他建筑材料,这当然会增加发射重量,因而不太行得通。那些建议使用火星当地资源的方案更受青睐,比如压缩火星土壤来制砖,建造像冰屋那样的保护棚。即便如此,在火星上建造居住点很可能仍需要提前发射一些建材包到火星。

有可能把火星地壳当作火星机组的天然保护棚。有一个建议是,火星机组在火星表面由古代熔岩流形成的柱状洞穴中建立定居点。在火星轨道探测器拍摄的火星表面照片上,可以看见这类洞穴的入口。科学家探索过地球上类似的洞穴,它们的宽度通常为30米。由于火星表面引力很低,因此科学家推测火星上这种洞穴的宽度可达270米,长度可达上万米。有朝一日,这种火星洞穴可能将容纳一个完整的火星定居点街区。

勇敢的火星探索者还有其他紧迫需求需要考虑。他们在火星上的食物可能是提前冻干的,干果和种子事先包装好。如果无法从火星大气获取氧气的话,那么氧气罐也会被提前发送一部分到火星。但解决水的问题没那么容易。就算火星机组登陆地点地下有大量水冰,机组也需要重型设备来提取它,并且无法保证水冰一出地表就能使用。事实上,科学家至今对火星水冰了解很少。能否从火星水冰提取可饮用水,目前仍是未知数。就算可以饮用火星水,也不能保证水里没有有毒物质。因此,火星机组也很有可能需要把复杂的过滤装置带到火星。

火星宇航服也是个大问题:它们必须能很好地把火星尘埃隔绝在外,尤其是因为火星土壤中可能充满宇航员一旦吸入或吞下就会致命的化合物。美国宇航局正在研发的新一代宇航服和特殊覆膜材料将可能解决尘埃问题。科学家警告说,载人火星任务执行之前必须尽可能确保万无一失,因为在火星上一出问题就意味着死亡。

人类火星基地(想象图)。

5 返回地球

有些人会想当然地认为,人类将会永久定居火星。目前所有载人火星任务构想都包括把火星宇航员送回地球,毕竟火星环境异常严酷,要想把火星改造成地球这样的计划纯属科幻,人类可能根本无法、也不希望在火星上长期生存。这就意味著火星宇航员将在登陆火星后又要经历另一次火箭发射、另一趟为期9个月的征途和另一次行星登陆。幸运的是,这个第二次会容易些。火星的稀薄大气层和较弱的引力意味着离开火星表面进入太空难度不很大。虽然返程之旅依然漫长,但在归途中宇航员熟悉的蓝色地球斑点会日益醒目。在降落伞和地球大气层协助下,登陆地球不是难事。

当火星宇航员从舱中探出头来,清新的空气和人们的欢呼声将包围他们。宇航员安全回家了,而火星沙尘暴将覆盖他们在火星表面的足迹。不过,他们的火星基地会依然屹立,准备迎接下一批地球访客。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年10月31日 下午11:35。
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