漫話登陸和開發(fā)火星

尹懷勤

2011年11月4日歐俄進行的火星-500試驗結(jié)束，同年11月26日美國“好奇”號火星車又發(fā)射升空飛馳火星，這些活動都是為美、俄、歐計劃于本世紀30年代送人登臨火星做準備的。

火星之旅的難題與技術(shù)突破

人類遠征火星是充滿艱險的進取，面臨著必須克服的眾多難題：一是飛行動力的問題；二是人身保護和空氣、飲食品供應(yīng)問題；三是人體必須適應(yīng)新的環(huán)境問題；四是著陸火星和實時聯(lián)系問題。

1999年，專家們指出，在太空獲取氧氣和為飛船提供動力兩大難題已基本解決。從火星大氣中分離氧氣的方法已被掌握，能夠節(jié)省大量燃料的離子火箭發(fā)動機已經(jīng)出現(xiàn)。同時，俄美兩國正在地面的封閉艙里訓練航天員如何在長期的太空飛行中生活和從事科學考察。事實上，俄航天員波利亞科夫早已在“和平”號空間站上創(chuàng)造了連續(xù)飛行438個晝夜的記錄。航天員在“和平”號空間站和國際空間站上進行了數(shù)百次航天器成功對接，試驗了生活和工作保障系統(tǒng)，并已研制出生產(chǎn)水和氧氣的閉合系統(tǒng)工藝，現(xiàn)代醫(yī)學水平亦可保證人在失重狀態(tài)下停留兩年之久。這一切都為人上火星進行了有益的探索。

考慮到載人飛往火星和返回地球的絕對安全性，當前尚需亟待突破下列技術(shù)難題。首先是發(fā)射難題。鑒于載人飛船必須攜帶往返飛行和滯留火星期間所需的全部物資，其總重必然遠遠大于45噸的“阿波羅”登月飛船。這樣一來，如果是從地面直接發(fā)射，就需要研制比土星5號火箭推力還要大的運載火箭；如果是送到國際空間站上組裝后發(fā)射，但由于15年后國際空間站業(yè)已報廢，需要建設(shè)新的大型空間站和運送部件的航天器；如果是從月球上發(fā)射，需要在2015年或2020年開始建設(shè)月球基地，使其能夠承擔組裝和發(fā)射飛船的任務(wù)。以上幾種技術(shù)途徑，無論選擇哪一種，其工作艱巨性都是空前的。

其次是載人飛船安全著陸難題。飛船著陸艙從離軌到登陸火星過程中，因為不能由地面指揮中心進行實時控制，也不能像“勇氣”號那樣接觸地面后靠氣囊緩沖多次彈跳，故而要求自動控制裝置工作必須絕對可靠，降落傘面積要足夠大，制動火箭性能非常穩(wěn)定，還要防止火星風暴的干擾。著陸艙擬分下降段和上升段，下降段落地時要有緩沖裝置，上升段需要攜帶升空火箭。航天員完成考察任務(wù)后，將乘上升段飛行到軌道上與飛船對接，再返回地球。解決這些難題要比解決無人航天器軟著陸火星困難得多。

再次是返回地球難題。飛船從環(huán)繞火星軌道轉(zhuǎn)移到奔向地球的霍曼軌道，同樣需要把握出發(fā)時機，其制導系統(tǒng)和推進系統(tǒng)工作必須穩(wěn)定可靠。在返回地球飛行過程中，飛船要及時接收地球飛控中心的遙控指令，適時調(diào)整姿態(tài)并保持正確航向。當飛船進入地球軌道后，要與地球飛控中心相配合，準時釋放返回艙。航天員將乘坐返回艙完成從離軌到著陸的回收任務(wù)。這就要求返回艙攜帶的控制和通訊設(shè)備、降落傘和制動火箭至少在520天之后，工作性能仍處于良好狀態(tài)。顯而易見，這比對近地軌道載人飛船和登月載人飛船的回收要求更為嚴格，研制這些設(shè)備遇到的問題也更為復(fù)雜。

送人定居火星的設(shè)想

據(jù)2010年10月的一則報道，美國宇航局正在籌劃百年星艦計劃，準備用載人航天器將4名航天員送上火星，并實現(xiàn)永久性居住。這一消息曾引發(fā)熱議，因為它和以前的計劃有所不同，航天員從有去有回變成了只去無回。

屆時4名航天員將長居火星，其所需的生活用品、儀器設(shè)備和生產(chǎn)工具都要不斷補給或更新，直到最終做到自給自足。當然，向火星發(fā)射載人飛船或貨運飛船并不是非要沿著霍曼軌道飛行。只要有足夠的發(fā)射和推進動力，也可選擇相對較短的路徑前往，以便更快地到達目的地。為此，需要開展新型動力裝置的研發(fā)。有科學家正在研發(fā)等離子體火箭，即利用核反應(yīng)堆將氫變?yōu)?00萬攝氏度的等離子體，然后用磁場控制高溫等離子體從火箭尾部噴出，從而產(chǎn)生反作用推力。據(jù)推算，裝有等離子體火箭的宇宙飛船速度可達每秒55千米，從地球到火星只需要飛行39天的時間。一旦這種推進裝置研制成功并被證明可靠，無疑對百年星艦計劃的實現(xiàn)是一個巨大的推動。

2009年6月，美國宇航局和歐空局曾商議合作研發(fā)核火箭，以便于2016年把生命探測器送上火星。核火箭的原理是用核裂變產(chǎn)生的熱能加熱液氫，使后者通過噴管膨脹加速排出，從而產(chǎn)生推力。但這種核動力裝置不宜用在載人火星飛船上，只能用在貨運飛船上。因為它留給船內(nèi)的輻射量相當于航天員每天做8次x光胸透，即使用在貨運飛船上，從地面發(fā)射時也用不著這種核火箭，只能等待多級化學運載火箭將貨運飛船送入數(shù)百千米高的繞地軌道運行后，才啟動核火箭工作推動飛船沖出地球引力范圍并按預(yù)定軌道飛抵火星。固體堆芯式核裂變火箭不僅能長期工作，而且秒速可達24.17千米，推動貨運飛船抵達火星的時間可縮短到兩個月之內(nèi)。

為了把4名航天員送上火星并讓其長期駐守在那里，除了要在志愿者中進行嚴格挑選外，還必須要讓他們在地面上做一系列的模擬試驗，掌握處理可能遇到的各種問題的基本技能。這種試驗要比6名志愿者團隊開展的火星500試驗所含的項目和內(nèi)容更多，環(huán)境和條件也會更為惡劣，操作亦會更為復(fù)雜。

建立火星基地

為了建設(shè)火星基地，首先要選好地址。根據(jù)火星氣溫較低的實際情況，選在火星赤道附近有水的地方較為適宜，這樣既可減少航天員的御寒負擔，又便于他們的生活和工作。當然，防備沙塵暴的設(shè)施必不可少。完成火星基地的建設(shè)工程可分為三個步驟逐步實施。

第一步，制定基地規(guī)劃和設(shè)計方案，并按照設(shè)計要求研制生產(chǎn)適合火星環(huán)境的建筑材料和機器設(shè)備，包括工作和生活設(shè)施。為了盡量減輕人的體力勞動，要求所有設(shè)施和儀器最大限度的智能化和自動化，盡可能多地使用機器人?？紤]到距離地球遙遠、運輸困難、施工不易等因素，全部建材和設(shè)施都應(yīng)力求模塊化、系列化和組合化。

第二步，有計劃地向火星發(fā)射多艘載人和貨運飛船，并著陸于選定的基地地點，從實地勘測、清理場地開始進行基本建設(shè)的施工。有些建筑材料可能就地取材。同時還需要從地球上向火星發(fā)射通信衛(wèi)星，最好是定點于基地上空火星靜止軌道上的相應(yīng)位置，與地面深空網(wǎng)組成互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，以保證人員在基地任何地點都能保持與地球的通信聯(lián)系。

第三步，通過大約8年時間的建設(shè)施工和多批航天員登陸火星，逐步建成火星永久基地。該基地可能像一個大超市那么大的規(guī)模，由航天員生活區(qū)、日常工作場所、移動火星車、科研儀器設(shè)備、多種專用機器人、電力供應(yīng)和通信系統(tǒng)等部分組成，在地球物資供應(yīng)和補充不中斷的情況下，可以保障多名航天員在火星上長期居住。

開發(fā)火星資源

建設(shè)火星永久基地，無疑是航天史上的空前壯舉。在建成火星永久基地后，將不斷擴大所屬范圍，陸續(xù)完善其功能，增加工作人數(shù)，以逐步開發(fā)和利用火星資源。通過分析火星土壤和巖石

樣品已知，火星表面物質(zhì)主要化學成分及其所占比例是：氧化硅占44.7％；氧化鐵占18.2％；氧化鎂占8.3％；三氧化硫占7.7％；三氧化二鋁占5.7％；氧化鈣占5.6％；氧化鈦占0_8％；氧化鉀占o.1％。由于火星表面土壤中氧化鐵和鐵礬土的含量很高，因而使得火星表面呈現(xiàn)茶紅色?；鹦呛卸喾N元素，其重量百分數(shù)為：硅占20％；鐵占12％；鎂占5％；鈣占4％；鋁占3％；硫占3％；氯占o.7％；鈦占O.5％；鉀占O.2％。此外，還有銣、鍶、釔、鋯等稀有元素。由此可見，有些元素極具開發(fā)價值。

鑒于火星有大氣層，雖然大氣稀薄，但仍可考慮在擴大了的基地上開設(shè)航空工廠，制造適宜火星大氣的飛機，以便對火星進行大面積的高效快速探測。這種飛機可分為兩種：第一種是巡航機，從基地機場起飛，以每小時數(shù)百千米的速度在距離火星表面約10千米的高度上飛行，可對火星的大氣、磁場、重力、地質(zhì)、火山等進行巡視探測。第二種是直升機，能夠載人到預(yù)定地點進行小范圍的實地考察，還可以向火星表面適當?shù)攸c放置氣象站、震動儀等固定設(shè)備，組成探測網(wǎng)。當然，這兩種火星飛機也可以作為兩個火星基地之間人員交往的工具使用。

由于火星大氣稀薄，各種宇宙信息可以相對較多地到達火星表面，因此在拓展了的火星基地上建立天文臺，能對太陽系、銀河系以至宇宙深空進行更清晰的觀測，能發(fā)現(xiàn)和揭示更多的宇宙奧秘，能加速天文學的前進步伐，能更容易地尋找太陽系外類地行星和地外文明。

既然火星上有水和大氣，溫度也適合存活生命，在火星基地上人們肯定會嘗試在合適的地域試種植物，尤其是糧食和蔬菜作物，一旦獲得成功，將會不斷擴大試種范圍，讓多種多樣的植物在火星上開花結(jié)果，繁衍后代，逐漸改變火基的環(huán)境，為人類向火星移民創(chuàng)造條件。

從航天技術(shù)強勁發(fā)展和人類開拓天疆的強烈愿望的角度來看，火星的物理性質(zhì)及軌道參數(shù)及體積、質(zhì)量、所處位置等也是一種天然的寶貴資源，對開展太空探索活動具有重要意義。火星引力僅為地球引力的38％，故從火星表面發(fā)射載人航天器到其他星球成本要低得多。同時，把火星上的水分解成氫氣與氧氣以后，可以冷凍成液氫和液氧，成為運載火箭的燃料。由此可見，火星永久基地亦可擴建為開展宇宙航行的中途站。當然，這也有利于開展火星旅游觀光活動，并形成一種新的產(chǎn)業(yè)。雖然這是多年以后才能實現(xiàn)的飛天理想，但卻激勵著現(xiàn)代航天人向此目標步步逼近。到那個時候，火星上將豎立起巍峨的火箭發(fā)射塔和成龍配套的廠房設(shè)施，還有測控網(wǎng)、著陸場等缺一不可的系統(tǒng)工程，火星表面將會出現(xiàn)越來越熱鬧的景象。