火星之旅的漫漫長路

編譯 舒愉棉

人類一直以來都夢想著登陸火星，并為此雄心勃勃地制定將宇航員送上火星的計劃。不過，如果宇航員真的到了火星，他們會遇到哪些困難，又需要哪些技術來幫助他們解決這些麻煩呢？且聽美國科學作家斯蒂芬·奧恩斯（Stephen Ornes）一一道來。

在許多好萊塢大片中，星際航行顯得特別簡單：宇航員跳上宇宙飛船，點火起飛，穿過太空（冬眠或者不冬眠，一切順利或者出現問題），然后在外星球地表著陸。但深空中大量已知和未知的冒險加上人類軀體的物理限制，現實生活中的太空旅行注定比好萊塢大片所展現出來的要復雜太多。

上至想要建造并駕駛宇宙飛船的科學家，下至批準投入資金使用的政治家，向火星進軍這一想法已經縈繞在對宇宙充滿好奇的人類心中多年。美國前總統小布什就曾在2004年提議為2020年重返月球投入120億美元，以此作為進軍火星的跳板，他說：“人類被外太空深深吸引，正如當年我們橫跨大海來到美國這一未知土地時所受到的吸引一樣?！鼻翱偨y奧巴馬同樣不甘示弱，在2016年宣布希望能夠讓人類在2030年登上火星。最近，特郎普總統更是簽署了一項太空法案，為美國宇航局（NASA）撥款195億美元，助力人類登上火星。（“你可以把國會送上太空了。”一位議員在特郎普簽署法案時調侃道。）

將人類送上火星不再只是政治夸張與炒作，這一愿景已逐漸從科幻小說變成科學事實。2018年夏天，歐洲航天局（ESA）計劃在德國不來梅完成對已經建造了4年的航天器裝載，將這個高4米、直徑5米的圓柱形航天器運到NASA在佛羅里達州的肯尼迪航天中心去。在那里，它將會被整合進太空探索系統中，為人類史上最具雄心壯志的太空探索計劃貢獻力量。

圖1 美國宇航局約翰遜航天中心正在對太空服進行檢測，這個3.35米高的熱真空實驗設施可以模擬飛船在航行中的艙內環(huán)境

獵戶座飛船的火星使命

圖2 中這一巨大圓柱體就是獵戶座飛船的服務艙。一旦離開地球大氣層，服務艙將會展開長19米的太陽能板來為深空航行供能。艙內，電線、電纜、儀器以及燃料、空氣和水等人類在深空航行時所需物資像3D拼圖一樣被緊實地壓在一起。服務艙上方高3.3米的是載人艙，這是宇航員在漫漫旅途中的家。

獵戶座飛船的終極目的地是火星。盡管火星是地球最近的鄰居，它的公轉軌道也使其至少與我們保持著平均2.25億公里的距離（理論上來說，最近的距離可以達到5 500萬公里，但事實上火星從未靠地球這么近過），這樣的物理距離哪怕是在自認為對太陽系熟悉的物理學家看來都難以相信。“如果將握拳的手比做地球，那么現有的空間站所在的軌道距離我的手大概就只有半厘米，也就是跟手背上汗毛長度差不多。按照這個比例尺，月亮大概有5米遠，而火星根據它所在的軌道相對地球的位置，大概介于500米到3 000米那么遠?！盓SA人機太空探索項目負責人大衛(wèi)·帕克（David Parker）在介紹時比喻道。該項目目前已經基本完成了對獵戶座飛船服務艙的建造。

火星之旅注定充滿困苦，不僅僅是漫漫長路，更是需要在有限預算和不同部門管理下開發(fā)所需技術。每前進一步，情況都更復雜，風險也更大。NASA在2015年已公開的火星之旅的規(guī)劃藍圖如下：宇航員先乘坐強力火箭離開地球，然后與近月空間站交會。NASA正在研發(fā)名為“深空之門”（DSG）的空間站，該發(fā)射臺將能夠完成向月球、小行星和火星的發(fā)射任務；在深空網關完成數天的準備工作之后，宇航員將搭乘穿梭飛船向深空繼續(xù)進軍；在接下來的6個月，甚至更長時間里，他們將在一個像小型房車的密封盒子里繼續(xù)航行。盒子外，地球逐漸遠去直至縮小成視野里一個小小的光點；等到達火星并駛入軌道后，他們將換乘停泊在火星軌道上的另一飛船，俯沖穿過火星稀薄的大氣層，降落在事先建好的棲息地附近（棲息地極有可能就地取材，使用冰或者風化層巖土通過3D打印技術建造完成），然后在接下來的18個月里開展地理研究和棲息地維護，最后返回地球。

圖2 獵戶座飛船的服務艙完全就是科技迷宮

NASA希望能夠在2030年前后進行火星殖民，而這同樣也是歐洲發(fā)源、國際共建的非營利性組織“火星一號”的愿景。與此同時，美國太空探索技術公司（SpaceX）則希望在火星登陸和火星殖民上都能反超他人，一舉領先。SpaceX公司的計劃是在2018年試發(fā)射自建的“重型獵鷹”運載火箭（該火箭已于2018年2月6日成功發(fā)射），這也是現役推力最大的運載火箭，其設計初衷就是具備運載一架滿負載的噴氣式飛機抵達火星軌道的能力，其有效載荷是美國現役最新的操作式火箭德爾塔4號重型運載火箭的兩倍?！爸匦瞳C鷹”的首飛把SpaceX公司創(chuàng)始人埃隆·馬斯克的紅色特斯拉跑車送入環(huán)日軌道，并通過這個軌道來靠近火星。到2020年，SpaceX公司預期能夠向火星發(fā)射火箭，在那兒收集標本并帶回地球，完成之后則是將人類送上火星。接受物理學專業(yè)訓練的馬斯克在2017年9月曾提到SpaceX公司研發(fā)中的名為“巨型獵鷹火箭”、代號為BFR的新型火箭，聽上去BFR的描述完全就像是《星球大戰(zhàn)》電影中會出現的火箭：自給自足、超高效運輸、星球間往返無停留、外形酷似改良版航天飛機的宇宙運輸機。

進軍火星不僅意味著運用物理學和工程學去解決離開地球的種種技術挑戰(zhàn)，更意味著要解決長途行駛的推動力問題、宇宙飛船和空間服保護人體不受宇宙射線和其他輻射傷害的設計問題以及在星球稀薄大氣中安全著陸的問題。除了找到解決上述問題的有效策略外，怎么回地球也是必須面對的難題。

不過，對于參與其中的科學家和工程師而言，為了進軍火星，這一切都是值得的?！拔蚁胂蟛怀鲞€有什么能夠比沖出地球、遨游星際更令人心潮澎湃的事了?！?017年在澳大利亞阿德萊德舉行的國際宇航大會（IAC）上，馬斯克如是說。

前事之師

我們對火星以及如何前往火星的現有知識都來自于幾百年來經驗的積累。17世紀，開普勒繪制出了火星運行的橢圓形軌道，而伽利略則成為用望遠鏡研究火星的第一人。19世紀，天文學家對火星的地理特性、灰塵云以及極地冰蓋進行了研究，那時有報道稱火星表面有綠色海洋和紅色陸地，這在當時就引發(fā)了火星存在外星生命的種種推測。

地球向火星發(fā)出的第一個信使是1965年7月由NASA發(fā)射的水手4號飛船，該飛船行駛經過了火星。自此之后，為了探索火星奧秘，全世界的航空航天機構包括來自ESA、印度以及蘇聯相關機構向火星發(fā)射探測器、軌道飛行器以及著陸器共計44枚。然而航程并不順利，44枚探測器中超過一半（23枚）因為解體、爆炸、墜毀以及其他原因而未能完成使命。截至目前，仍有兩輛火星漫游車尚在火星表面活動，有6枚軌道飛行器繞火星飛行，而ESA和NASA同時還計劃2018年發(fā)射火星探測飛船。這一系列的探索任務為物理學家和工程師提供了掌握和應用地球發(fā)射探測器到火星的基礎力學的絕佳機會，包括初始發(fā)射平臺的搭建以及發(fā)射后最節(jié)能軌道——霍曼轉移軌道的建立（圖3）。發(fā)射窗口也極為關鍵：脫離軌道過早會導致飛船錯過火星沖進深空，而脫離過晚則會讓飛船被火星的引力捕捉。

如果想要在物理上實現向火星或者太空的任何地方運輸物體，就需要在最小化質量和不遺漏必需物資之間尋找到平衡點。飛船越重，航行所需燃料就越多；而飛船攜帶燃料越多，飛船就越重。NASA正在亞拉巴馬州亨茨維爾的馬歇爾太空飛行中心進行測試的火箭系統——太空發(fā)射系統正是為了能夠具備足夠動力運載宇航員到達諸如月球和火星等深空目的地而被設計出來的。

對于人類宇航員來說，生命的維系同樣存在困難：在發(fā)達國家，一個人平均一天就要消耗100～150升水，而國際空間站（ISS）上一天用水量在100～150升上下浮動，這還是循環(huán)用水策略把人類和動物船員呼吸和尿液中的水分進行回收后的結果，除此之外便是在距離地球僅有幾小時航程的軌道上留有水箱，這也就意味著“船員必須要對出發(fā)和返程所需用水精打細算才行?！迸量诉€補充說，僅憑增加現有火箭的有效載荷是不夠的，科學家需要研發(fā)新材料和找到新路徑來為這漫漫長路準備好遠行的行囊。

圖3 早在第一枚宇宙探測器發(fā)射的幾十年前，德國物理學家瓦爾特·霍曼就計算出在同一星球的不同大小圓形軌道間轉移的最節(jié)能路徑，即霍曼轉移軌道。如果想要花最少的能量讓飛船進入環(huán)火星飛行的軌道，那么不僅需要讓飛船按照霍曼轉移軌道飛行，還需要在正確時間點進行發(fā)射操作，這樣火星的引力才會穩(wěn)穩(wěn)地捕捉到飛船。這一絕佳發(fā)射時間每25個月才出現一次

圖4 火星探索者或將在火星上居住在3D打印冰屋中

人類保護層

在火星任務中，對人類最致命的威脅莫過于無人能見的輻射了?！斑@必然是技術挑戰(zhàn)中最難的一個，”帕克說，“盡管空間站宇航員受到的輻射量遠遠高于我們在地面上受到的輻射量，但是他們有范艾倫輻射帶提供的持續(xù)保護?！狈栋瑐愝椛鋷堑厍蚋浇慕鼘佑钪婵臻g中包圍著地球的巨大高能粒子輻射帶，是由于地球磁場與太陽風相互作用形成的，保護地球不受高能粒子影響。

向月球或火星出發(fā)就意味著離開地球磁層的保護（地球磁層是指在太陽風和行星磁場的相互作用下，地球原來磁場的磁力線被太陽風壓縮在一個有限的空間，位于地球周圍、被太陽風包圍并受地磁場控制的等離子體區(qū)域）。在深空中，輻射來源有多種，其中包括太陽活動和銀河系宇宙射線，而輻射主要包含的是高能原子、質子和電子。這些粒子可以損害保護層并且滲入到包括人類皮膚在內的許多物體中去?？臻g輻射對人體的傷害會隨著時間推移而逐步積累，這也意味著執(zhí)行3年火星探索任務的宇航員所受到的輻射劑量將會是阿波羅號宇航員受照劑量的100倍以上，而后者只離開地球磁層數天而已。

鑒于火星稀薄的大氣層無法提供太多保護，因此對于未來在火星上執(zhí)行任務的火星探索者而言，保證不僅僅在航行過程中、更要在火星停留期間保證安全的材料設計就十分關鍵了。2014年《科學》雜志發(fā)表的一項研究中，科學家利用NASA好奇號上的輻射評估探測器（RAD）收集的數據（科學史上首次對地球以外的星球進行輻射分析）預測：在火星上停留500天，人類受到來自太陽和宇宙射線的輻射劑量會超過120毫西弗，這個劑量是地球表面平均年輻射劑量的100多倍，再加上往返地球與火星之間所測量到的輻射受照量，研究者們統計出來的受輻射總量將高達1西弗。過去的科學研究表明，大量輻射會導致40歲男性患癌致死風險上升至少4%，而40歲女性則上升至少5%。

在好奇號發(fā)回RAD數據以前，物理學家只能以電腦模型來預測太空中的輻射環(huán)境?！暗且粋€好的物理學家必須要做實驗去驗證模型，”來自科羅拉多州博爾德市西南研究所的唐·哈斯勒（Don Hassler）說，“除非經過驗證，否則不可以完全相信計算出來的模型。” 正如結果所示，計算機模擬出的模型和RAD的數據并不吻合，這些已有模型還需要再加以改進。在2014年開展這個研究的哈斯勒還說，RAD采集的數據揭露了火星表面輻射存在未曾被科學家預料到的變化，那就是不僅僅存在季節(jié)差異，還存在日差異，“輻射環(huán)境不應該成為休止符，這就像氣候一樣，需要進行管理?！?/p>

真實采集的數據還能指導在火星上建立輻射防護庇護所。如果將建筑材料運往火星，其成本必會極為高昂，因此最好的策略就是運輸建筑工具，就地取材進行建造。的確，NASA就舉辦了3D打印火星宜居地挑戰(zhàn)賽，向公眾懸賞250萬征集可以利用火星表面的冰或風化層巖土鍛造的3D打印建筑設計，紐約的一家建筑公司最終憑借他們設計的冰屋奪得桂冠。

軟著陸

如果說離開地球表面、穿越太陽系航行是一項巨大挑戰(zhàn)，那么這項挑戰(zhàn)中最棘手的一環(huán)便是最后階段——飛船下降。火星的引力因為自身質量原因，僅為地球引力的38%，聽上去好像會因此讓下降過程沒有那么劇烈，但事實上卻另有隱情：火星的大氣層比地球大氣層稀薄100倍，并且主要成分是二氧化碳。

“火星大氣層厚度對于飛船降落而言，沒有稀薄到可以被忽略的程度，又沒有厚到可以減緩飛船降落的程度?！奔又菔グ桶屠布{卡帕科學中心首席科學家、人類學家杰克·斯托斯特（Jack Stuster）評論道，他目前正與NASA合作開展宇航員行為研究。

的確，NASA好奇號火星探測器在歷時8個月的航行之后于2012年8月落地火星表面，而監(jiān)控好奇號的工程師將整個下降著陸過程稱為“地獄7分鐘”。因為好奇號自身攜帶的隔熱罩和“太空起重機”著陸系統太重，無法使用安全氣囊進行速度緩沖，因此只能同時使用降落傘和制動火箭系統來減緩降落沖擊。探測器和地球控制中心間進行通訊的信息收發(fā)需要14分鐘，這也就意味著當NASA收到好奇號開始下降的信號時，好奇號要么已經成功著陸，要么就已經徹底墜毀。

好在好奇號最終成功了，而在此之前從未有成功著陸的先例。過去著名的例子有：1999年火星氣候探測者號因為計量單位混淆的人為錯誤而在火星大氣層中著火，最終導致任務失敗。

載人飛船盡管會攜帶更多有價值的貨物，但自身的重量也就會比好奇號重很多。工程師提出了許多方案來減緩下降過程的劇烈沖擊，包括提出對上至隔熱罩和制動助推器、下到“太空起重機”著陸系統的改進方案。降落傘因為體型龐大或者所需過多，會增加下降時自身重量和任務風險，因此不太可能作為解決方案被采納。“如果要用降落傘來減緩載人飛船降落，那么至少需要像玫瑰碗球場那么大的降落傘?！彼雇兴固厮岬降拿倒逋肭驁鑫挥诩又菖了_迪納，直徑約300米。

同時，SpaceX公司使用制動火箭系統多次成功讓獵鷹9號火箭降落到發(fā)射臺，也打算在以后進軍火星時采用這一方法進行降落?！盀榱嗽诨鹦巧现?，你必須要讓助推著陸分毫不差，”馬斯克說，“我們一直用獵鷹9號練習的就是這個，這太讓人著迷了。” 事實上，現在獵鷹9號火箭著陸只使用了一個引擎，而在巨型獵鷹火箭上將使用更多這種引擎。

下一篇章

NASA為了火星首航制定了一系列先導任務。在2019年下半年或者2020年上半年，獵戶座飛船將進行試飛，此次試飛將環(huán)月航行數天并在返回地球前釋放一些微型衛(wèi)星；這項任務之后，是接踵而至的一系列任務：一年期載人深空飛行，重返月球，無人小行星飛行，最終實現載人火星航行。

在物理學和科技挑戰(zhàn)之上還存在另一問題：人。火星之旅要求宇航員與屈指可數的幾個人朝夕相對很長時間，誰能夠勝任這樣的任務？選誰去火星？怎么去挑選？斯托斯特就曾與NASA一起優(yōu)化宇航員挑選流程，他曾在1996年出版的《大膽嘗試》一書中對宇航員心理學進行論述。除此之外，NASA和ESA都資助過火星生存模擬實驗，在實驗中，志愿者會在夏威夷火山旁的棲息地（HI-SEAS項目）、地圖上找不到的意大利洞穴（CAVES項目）、南極洲或者其他地方與世隔絕進行模擬生存。

圖5 NASA對宇航員進行獵戶座飛船發(fā)射模擬訓練

火星之旅的漫漫長路簡直就是困難又迷人的系列問題長清單，但哈斯勒相信這一清單上的問題會被迅速地逐一攻克。“我堅信火星之旅終將實現，”哈斯勒說，“而且我相信一定會在預期時間之前就實現，而不是被延后。實現早晚只是決心問題，而現在決心實現火星之旅的隊伍正在日益壯大?！?/p>

所以，關于火星之旅的科幻電影變成真實紀錄片的那一天也許將很快到來。