我們?nèi)绾坞x開(kāi)火星？

文/馬克·施特勞斯 譯/于巧峰

美國(guó)航空航天局的工程師觀察火星時(shí)，看到的就好像一株行星大小的捕蠅草。它用科學(xué)發(fā)現(xiàn)誘惑著我們，但一旦我們踏上那個(gè)星球，重力和惡劣的氣候就會(huì)合力把我們困在那兒。

而這是不可以發(fā)生的。如果說(shuō)電影《火星救援》給了現(xiàn)實(shí)的宇宙探索什么教訓(xùn)的話，那就是民眾不會(huì)支持花費(fèi)數(shù)十億美元，卻只能把宇航員困在另一個(gè)世界的計(jì)劃?？梢哉f(shuō)美國(guó)航空航天局有關(guān)這個(gè)紅色星球的探測(cè)計(jì)劃中最關(guān)鍵的部分就是如何離開(kāi)那兒。

美國(guó)航空航天局要建造可以完成離開(kāi)任務(wù)的宇宙飛船——火箭升空器。這將是一項(xiàng)艱巨的工程，如果升空器載滿燃料，就會(huì)因過(guò)重而無(wú)法從地球上起飛，也無(wú)法在火星上安全著陸。

因此，這就需要提前組裝升空器并在宇航員到達(dá)火星前幾年就將其發(fā)射到那個(gè)紅色星球，這樣它就可以在那兒通過(guò)擠壓稀薄的火星大氣來(lái)制造自己的燃料了。

然后呢？火箭升空器必須建造得十分堅(jiān)固，在巨大的塵暴侵襲和強(qiáng)紫外線輻射下，仍然可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)這個(gè)擁擠狹小的升空器最終從火星離開(kāi)時(shí)，它需要維持宇航員數(shù)日的生活，直到與軌道飛船交會(huì)成功。

火箭升空器的研發(fā)是重中之重，它要將一艘載人飛船從外星球發(fā)射進(jìn)入運(yùn)行軌道，而且機(jī)會(huì)只有一次。

承載所有物資

火星任務(wù)將是人類(lèi)歷史上的首次外層空間之旅，需要五艘獨(dú)立的宇宙飛船運(yùn)送宇航員和所需物資到那個(gè)紅色星球上。

美國(guó)航空航天局的工程師面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)，要使火箭升空器在那個(gè)紅色星球上安全著陸，并在那兒自行制造燃料以便運(yùn)送宇航員返回地球。

在登陸火星的任務(wù)中，一些物資會(huì)破裂成小部件，宇航員登陸后需要將其重新組裝。

而火箭升空器卻不能這樣。美國(guó)航空航天局約翰遜航天中心的系統(tǒng)工程師米歇爾·洛克說(shuō)：“在塵土漫天的火星上，你穿著太空服，戴著連指手套，在這樣的情況下你是不會(huì)想去安裝引擎的?！?/p>

按照美國(guó)航空航天局的話來(lái)說(shuō)，約18噸的重量使得火箭升空器成為這次任務(wù)中“最大的不可分割的負(fù)載物”。迄今，我們送往火星的最重物體是重1噸的“好奇”號(hào)火星探測(cè)器。

物體在火星上著陸不像在地球上那么容易，尤其是重達(dá)幾噸的物體。太空艙從天空降落到地球上時(shí)，可以借助大氣層的摩擦力減小其降落速度。

電影《火星救援》海報(bào)

而火星上的空氣密度僅為地球的百分之一。洛克說(shuō)：“這些大氣只夠讓人們感到煩惱，卻不足以做任何有用的事情。”或者可以這么說(shuō)，這些空氣可以讓你燃燒起來(lái)，卻沒(méi)辦法幫你降低速度。

這就是為什么美國(guó)航空航天局著力研發(fā)新技術(shù)，比如極超音速充氣式空氣動(dòng)力減速器（這是一種巨型錐狀充氣式防熱罩，也可以用作制動(dòng)系統(tǒng)）的原因。進(jìn)入火星大氣層時(shí)防熱罩就會(huì)展開(kāi)，使著陸器的速度從極超音速降到超音速，同時(shí)利用火箭引擎實(shí)施可控著陸。

馬克·沃特尼做了這樣的計(jì)算：升空器在著陸過(guò)程中將燃燒5噸至7噸的推進(jìn)燃料，而從火星起飛時(shí)將需要燃燒33噸燃料以擺脫這個(gè)紅色星球的引力，穿過(guò)其大氣層將宇航員和科學(xué)物資安全送入預(yù)定軌道，在那兒與地球返回器實(shí)施對(duì)接。

由于需要提前運(yùn)送的東西太多，助推燃料就必須在火星上制造。

活著離開(kāi)

火星探測(cè)隊(duì)要想成功，他們必須活著離開(kāi)這個(gè)星球。

如果可以在火星上制造燃料，美國(guó)航空航天局就可以減少幾噸的初始重量。而且第一次任務(wù)結(jié)束后，設(shè)備還可以留在火星上繼續(xù)制造燃料，為將來(lái)的探測(cè)者制造空氣和水。

火箭升空器的引擎以甲烷和液態(tài)氧為動(dòng)力。制成這種燃料需要的所有成分——碳、氫和氧氣——都可以在火星上找到，前提是你要知道從哪里找。

理論上，氧氣可以從火星大氣層中提取，在火星大氣層中，95%是二氧化碳;也可以從地表以下的水中提取。同時(shí)產(chǎn)生的碳和氫還可以用來(lái)合成液態(tài)甲烷。

然而，鉆探水源無(wú)疑給本就困難重重的任務(wù)又增加了一個(gè)令人煩惱的不確定性因素。

挖掘和加工處理比簡(jiǎn)單地從火星大氣中提取要復(fù)雜得多。洛克說(shuō)：“用地下水生產(chǎn)燃料的另一個(gè)問(wèn)題是，它會(huì)迫使你只能在你非常確信有水的地方著陸?！比绻谏钔诤蟀l(fā)現(xiàn)你著陸的地方是巖床，那么所有賭注就都落空了。

如果無(wú)法從火星的水中提取氫氣，那么就只能將氫氣運(yùn)送到火星上。但是，對(duì)一個(gè)初始任務(wù)來(lái)說(shuō)，這一想法是行不通的。盡管氫氣的質(zhì)量不大，但需要很大的儲(chǔ)罐來(lái)存儲(chǔ)，這會(huì)占用大量寶貴的空間。

“我們已經(jīng)設(shè)計(jì)好一種著陸器，它的頂部有一個(gè)平板的甲板，”美國(guó)航空航天局馬歇爾太空飛行中心的航空工程師塔拉·普爾斯格羅夫說(shuō)道，“截至目前，火箭升空器已占據(jù)了甲板的大部分空間，已經(jīng)沒(méi)有足夠的空間來(lái)存放氫氣罐了。”

美國(guó)航空航天局的工程師可以將火箭升空器加高來(lái)容納氫氣罐，但是，增加宇宙飛船的高度是他們要盡量避免的方案。如果推進(jìn)器太高，著陸后翻倒的風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)更大。

而且，過(guò)高的火箭升空器會(huì)給宇航員帶來(lái)難以承受的物理壓力。在執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中，他們最不想做的事情就是爬高高的梯子。因此，需要優(yōu)先考慮便捷性。

照此來(lái)看，目前的計(jì)劃是發(fā)射一個(gè)火箭升空器，它滿載液態(tài)甲烷，配備有一個(gè)化工廠，這個(gè)化工廠可以利用火星大氣來(lái)制造液態(tài)氧。

這個(gè)過(guò)程預(yù)計(jì)花費(fèi)一兩年的時(shí)間。當(dāng)火箭升空器的燃料罐裝滿時(shí)，宇航員就會(huì)被送往火星。知道有一艘裝滿燃料的升空器在等待著將他們送回地球，會(huì)使他們覺(jué)得很安心。

但是，美國(guó)航空航天局的工程師還不能準(zhǔn)備任何“任務(wù)已完成”的標(biāo)語(yǔ)橫幅?！疤魬?zhàn)之一就是我們采用的是低溫推進(jìn)劑，”洛克說(shuō)，“一旦將推進(jìn)劑送往火星，在我們真正使用它之前，要想辦法在幾年中使它保持冷凍狀態(tài)而不被蒸發(fā)掉?！?/p>

“我們已經(jīng)研發(fā)出了推進(jìn)劑，但目前還沒(méi)有零泄漏的閥門(mén)。”普爾斯格羅夫補(bǔ)充道，“你應(yīng)該已經(jīng)想到了，這就是為什么我們要優(yōu)先在低泄漏閥門(mén)領(lǐng)域做技術(shù)研發(fā)的原因。”

說(shuō)得更廣泛一些，工程師擔(dān)心時(shí)間是個(gè)大問(wèn)題?；鸺掌餍枰粌赡甑臅r(shí)間來(lái)制造燃料，之后宇航員需要200天至350天的時(shí)間到達(dá)火星，再加上他們?cè)谀莻€(gè)紅色星球上的探測(cè)，一共多達(dá)500天。

所有因素加在一起，意味著火箭升空器在登陸后，必須要在長(zhǎng)達(dá)4年的時(shí)間之后依然可以正常運(yùn)行并且起飛?！澳强墒窃诨鹦黔h(huán)境中?！甭蹇苏f(shuō)，“暴露在塵埃之中，還要接受強(qiáng)紫外線的輻射。想象一下你的家具暴露在外面那么長(zhǎng)時(shí)間會(huì)變成什么樣子！那還是在地球上，家具得到的保護(hù)比在火星上強(qiáng)得多。”

穿好！

在設(shè)計(jì)火箭升空器時(shí)工程師需要考慮眾多問(wèn)題，其中最重要的一個(gè)就是：宇航員穿什么？

“你應(yīng)該看過(guò)關(guān)于宇宙空間站的圖片，”洛克說(shuō)，“他們都穿著短褲和T恤衫來(lái)回走動(dòng)。當(dāng)你在一個(gè)大型飛行器里保持平穩(wěn)飛行時(shí)，你可以離開(kāi)座位活動(dòng)。但在處于上升過(guò)程的飛行器里，你不能去任何別的地方，最好還是穿一件宇航服?！?/p>

但是，該穿什么樣的宇航服呢？宇航員探測(cè)火星表面時(shí)穿的那種艙外宇航服太笨重。

如果宇航員穿著這樣的衣服登上火箭升空器，工程師就必須擴(kuò)大其艙容了。另外，附著在宇航服上的火星塵埃也是一個(gè)問(wèn)題。在沒(méi)有合適的行星保護(hù)協(xié)議的情況下，這類(lèi)物質(zhì)是不可以由宇航員帶回地球的。

洛克認(rèn)為，最好的解決方法是把笨重的宇航服留在火星，未來(lái)的探測(cè)隊(duì)可以作為零件進(jìn)行回收。而宇航員離開(kāi)時(shí)穿艙內(nèi)活動(dòng)服，即航天飛機(jī)機(jī)組人員在航天器發(fā)射和再入機(jī)艙時(shí)所穿的那種膨大的橙色裝備。

艙內(nèi)活動(dòng)服更加輕便靈活，因?yàn)橄拗拼祟?lèi)裝備暴露到戶(hù)外火星環(huán)境中，因而也可以保證無(wú)塵狀態(tài)。宇航員離開(kāi)居住艙通過(guò)對(duì)接口進(jìn)入探測(cè)器，在這里，他們可以換上干凈利落的艙內(nèi)服，并通過(guò)一條特殊設(shè)計(jì)的密封通道進(jìn)入火箭升空器。

運(yùn)送一個(gè)密封通道到火星有一個(gè)缺點(diǎn)，即增加了一次性設(shè)備的重量，但洛克認(rèn)為這個(gè)通道或許會(huì)有別的用處。

“我認(rèn)為加上它會(huì)很酷，”洛克說(shuō)，“現(xiàn)在你可以帶幾個(gè)小型居住艙，并用這個(gè)密封通道把它們連接起來(lái)……增加新的元素總是有問(wèn)題的，但如果這個(gè)新元素可以解決多個(gè)問(wèn)題，它就可能成為一個(gè)優(yōu)勢(shì)?！?/p>

返航

最后，是該離開(kāi)的時(shí)候了。

火箭升空器的內(nèi)部會(huì)被簡(jiǎn)化到最小的重量。這是一輛單程太空出租車(chē)，并不是一個(gè)居住艙。事實(shí)上，工程師都不一定會(huì)設(shè)計(jì)座位。在這種情況下，宇航員必須要能承受整個(gè)行程。

火箭助力升空將持續(xù)7分鐘，但行程并沒(méi)有到此結(jié)束。宇航員需要燃燒更多的燃料以操控升空器進(jìn)入預(yù)定軌道，與地球返回艙對(duì)接。

假設(shè)地球返回艙停在距離火星一個(gè)火星日的軌道里（那是一種橢圓形軌道，位于火星表面250千米至33700千米的高度上），就意味著宇航員要在這個(gè)上升的升空器里待長(zhǎng)達(dá)43小時(shí)。洛克說(shuō)，這仍是一個(gè)沒(méi)有解決的問(wèn)題。

“對(duì)空間推進(jìn)站的工作人員來(lái)說(shuō)，他們想讓那個(gè)又大又寬敞的中轉(zhuǎn)站停在盡可能高的位置上，”洛克說(shuō)，“他們不想下降到火星的重力井中。他們很想待在距離火星3個(gè)至5個(gè)火星日的位置上，讓升空器來(lái)與他們對(duì)接。如果這樣，在火箭升空器上待的時(shí)間會(huì)增加，就需要額外的設(shè)備?！?/p>

“你穿著宇航服，不喝熱湯不洗澡或許可以堅(jiān)持43小時(shí)，但如果要撐到3天、5天或者7天，就必須把所有這些東西都加進(jìn)來(lái)，這就必須擴(kuò)大升空器的尺寸?！?/p>

一旦對(duì)接成功，所有艙內(nèi)人員和物資會(huì)被轉(zhuǎn)移到宇宙飛船中，并隨飛船回到地球。而火箭升空器會(huì)與之分離并執(zhí)行最后一項(xiàng)處理任務(wù)，那就是將自己送入一個(gè)預(yù)定軌道，以便不干擾未來(lái)的火星探測(cè)任務(wù)。這是一個(gè)小小的宇宙飛船的卑微結(jié)局，但它在人類(lèi)歷史進(jìn)程中將起到至關(guān)重要的作用。