人類何時登陸火星

按照設想，人類或許能在本世紀30年代登陸火星。

自從發現火星以后，人類就一直夢想登陸火星。在不久的未來，一個太空項目將開始使這一夢想具有實現的可能性。

美國宇航局的科學家表示，他們非常認真地提出了一個載人航天項目，而私營太空公司也爭先恐后地提出關于去火星的更加大膽的計劃。同樣重要的是，隨著美國的“好奇號”火星探測器成功降落在火星表面和拍下豐富的火星表面照片，公眾對火星這顆紅色星球的熱情日益高漲。

不久前，一批科學家、美國宇航局的官員、私營太空公司和其他航天機構的代表聚集在美國首都華盛頓，在人類登陸火星的專題會議上全面討論了有關問題。會議提出，將在本世紀30年代派遣宇航員登陸火星。

但是登陸火星可謂困難重重，并且還有一個大問題：目前缺少能夠將人類送上火星后再將其帶回地球的技術。如此規模的星際項目，將成為本世紀最昂貴和最困難的工程挑戰。

“火星確實距離遙遠，”美國宇航局負責國際空間站的官員薩姆·希梅米在會上說，“它比地球到空間站的距離遠出6個數量級。我們需要開發新的方式來離開地球去生存，這種方式是前所未有的。”

在人類的能力范圍內還存在一些相當嚴重的問題，包括無法為飛往火星的長距離旅行存儲足夠多的燃料，還沒有能夠降落到火星表面的載人飛行器，并且無法完全保證人類一旦到了火星能夠活下來，等等。在這次會議上很大一部分的參與者提出了載人火星項目的各種障礙。

樂觀的是，載人火星項目從技術上來說并非是不可能的，關鍵在于需要投入時間和金錢用來研發必要的工具。目前美國宇航局、其他航天機構和私營公司正在為實現這個計劃而努力。

下面是美國《連線》雜志記者概括的人類登陸火星面臨的多種問題以及一些解決的方法。

運載火箭

要登陸火星，首先需要巨大的運載火箭。

雖然人類已經在50多年前就成功地進入太空，但載人火星任務的規模比以前的任何航天項目都要大。目前還沒有火箭能夠將攜帶宇航員和到達火星必需的所有供給與燃料的巨型航天器從地球發射，擺脫地球引力到達太空。最有可能的是，火箭通過幾次飛行將航天器的部分供給和零部件送入近地軌道，宇航員再不斷和緩慢地利用這些零部件與供給修建航天器，最后飛往火星。

這仍然是非常繁重的工作。目前在太空中運轉的最大設備是國際空間站，質量達4500噸，需要31艘飛船飛行來完成。據美國宇航局表示，一個能夠將人類送往火星的飛行器應該比空間站小，質量約1250噸。美國宇航局航天工程師布雷特·德雷克稱，使用現有的火箭，估計需要70至80次的飛行來組裝火星飛船。考慮到國際空間站花了10多年時間才完成，組裝火星飛船將需要非常長的時間。

但是在未來，這項任務應該容易得多。美國宇航局希望到2017年擁有新型的太空發射系統——SLS火箭，它將是有史以來最大的飛行火箭，甚至比把宇航員送上月球的土星五號火箭還要大。美國私營太空公司——SpaceX公司也正致力于研發新型獵鷹重型運載火箭，它將具有比美國宇航局SLS火箭略小一點的載貨能力。獵鷹重型運載火箭的第一次實驗將在今年下半年開始。

美國宇航局估計至少需要發射7枚新型SLS火箭來將供給和登陸火星必需的飛船等送入地球軌道。

燃料的儲存

為了在太空中生存，人類需要許多東西：食物、氧氣、住所，還有可能是最重要的燃料。用于載人火星任務發射去太空的初始物資中大約80%將是推進劑。問題是，在空間中儲存如此大量的燃料是困難的。

處于近地軌道（宇航員搭建火星飛船時放置材料的地方）的物體每90分鐘環繞地球一圈。在一半的時間中，這些物體經受太陽強烈的烘烤，而另一半時間則是空間中寒冷的黑暗。這種變化導致液態的氫和氧——火箭的燃料蒸發。除非容器定期通風，否則存有這些燃料的容器容易爆炸。

氫特別容易從容器中泄漏，每個月大約要損失4%。這意味著如果火星項目需要在近地軌道停留一年的話，將在飛往火星前損失近一半的推進劑。將1公斤的氫送入太空的成本需要1萬美元，那么這種泄漏將是昂貴的浪費。

美國宇航局長期致力于開發在空間儲存推進劑的新技術。目前美國宇航局正在試驗空間大型低溫裝載和轉換推進劑技術。這種技術對于載人火星任務具有重要的價值，它將在太空中設立一個長久的氣體倉庫隨時為火箭補給燃料。

推進技術

要想將人類盡快送往火星，以減少暴露在射線的危害及失重狀態之中，采用先進的推進技術非常重要。

一種相對低功率的引擎可以推送一艘載有宇航員供給物質的大型飛船到達火星，這些物質供宇航員在火星上活動使用。在星際計劃中，美國宇航局想要在宇航員到達之前推送飛船先到達火星表面，等待宇航員的到來。

美國宇航局正在研究太陽能電動推進技術，這種技術是在飛船的后部發射電離氣體來使飛船前進。在之前的航天項目中，例如美國宇航局的“黎明”號飛船和日本的“隼鳥”號飛船都已使用了這項技術。火星項目需要比這些已有項目更大的太陽能電動推進器。美國宇航局目前有一個搜集小行星并將其拖拽回地球的計劃，它將促進太陽能電動推進技術的研究。

在火星上著陸

目前還沒有能力使人類平安和簡單地降落到火星，這是一個最近公認的問題。

隨著工程師開始建造越來越大的降落火星表面的航天器，他們意識到已經達到了一個極限。稀薄的火星大氣層不能很快地撐開大型降落傘，例如人類乘坐的飛船在降落時用于大幅減速的降落傘。

在2012年到達火星的“好奇號”探測器重量為1噸，這是目前為止的技術能夠發送到火星表面的最大物體。美國宇航局表示，載人火星項目至少需要發送40噸重的物體。即使“火星一號”計劃中提出的單程載人火星項目也需要攜帶近10噸的物資。

美國宇航局的專家們正致力于研究高超音速充氣系統，這是一些巨大的類似球狀的物體，將展開并變硬成為一個超剛性降落傘，用于幫助飛行器減速。但人類在火星上著陸的關鍵技術是超音速重推進技術。

美國宇航局曾在20世紀60年代和70年代就超音速重推進技術進行過風洞實驗，不久前也進行過一次。好消息是，實驗表明超音速火箭在理論上是可行的，壞消息是美國宇航局不再研究這個項目了。

當美國宇航局可能將重新研究這一項目時，一些私營航天公司也許會超越他們。例如SpaceX公司目前正在研究可重用的火箭，它可以從近地軌道返回到發射臺。該公司在今年后期也將研究超音速重推進技術。

宇航員健康問題

美國宇航局負責健康和醫療事務的專家薩拉琳·馬克說：“對于具有最復雜系統的人類身體來說，太空是個危險的地方。”

具有諷刺意味的是，為地球上大部分生命提供能量的太陽，在太空旅行中對于生物體卻是致命的。

一旦宇航員處于保護人類的地球磁場之外，太陽射線將增加他們患癌癥的可能性。來自美國宇航局“好奇號”火星探測器近期得到的數據，已經量化了射線的等級和危險的程度。類似太陽耀斑和高能粒子的大爆發可能將潛在的致命劑量的射線作用于宇宙飛船。這就是為什么2018年的美國私營載人火星項目——“靈感火星”計劃選擇在太陽的弱活動年進行，屆時太陽粒子爆發的可能性最低。不過，較低的太陽粒子活動增加了來自星系間的射線，這些射線也是有害的。

飛往火星的旅行可能需要7到9個月的時間，在整個過程中都要保護人類。目前，最可行的解決方案是用水圍繞宇宙飛船，水能夠吸收射線，并提供在太陽風暴下的一定遮擋。但是水的質量比較大，在航天項目中增加任何重量都將提高成本。在未來，將開發出能夠保護宇航員的小型磁場技術，但這可能是許多年甚至幾十年以后才能完成的。

除了射線以外，載人火星之旅面臨的最大挑戰將是微重力（又稱為零重力），它會導致不少奇怪的病癥，以及帶來一系列的心理問題。

據目前所知，人如果長期處于零重力狀態下，會導致骨骼和鈣質退化，肌肉萎縮，并且還可能產生視神經腫脹。如果不予以檢查和治療，到達火星的宇航員可能身體虛弱、骨質脆化甚至失明。

先進的醫療技術和有規律的鍛煉有助于解決太空旅行的一些身體問題。美國宇航局目前正在計劃讓宇航員在國際空間站停留一年，以便更好地研究這些因素。

然而在飛往火星的過程中將要面臨的心理問題在很大程度上是未知的。國際空間站與地球之間的距離比較近，宇航員可以向下凝視地球。但是火星項目中的宇航員沒有辦法中止他們的任務，需要忍受很長時間才能與家人溝通。

目前已有隔離實驗，專門用于研究火星宇航員將面臨的問題。在20世紀90年代，美國科學家進行的“生物圈二號”實驗一次性讓7?8個人在大型模擬環境中停留了兩年時間。參與“生物圈二號”實驗的專家泰伯·麥卡勒姆說：“所有參與該實驗的人員都表示心理問題是最大的問題。”

目前為止時間最長的模擬火星旅行的實驗是由俄羅斯組織、多國參與的國際大型實驗項目——“火星500”，從2010年6月至2011年11月，6名志愿者在密封的房間里待了500天，研究人員觀察實驗的結果。參與該項實驗的志愿者變得無精打采和無聊，其中的一名變得很消沉。6個人當中有兩人沒有出現什么問題，只有一人保持著活躍和忙碌狀態，認知能力沒有下降。

一個火星項目將要測試隔離實驗人群忍受的極限，參與實驗的志愿者可能需要通過長時間的檢查來確保他們的身心健康。

火星的資源

火星的環境嚴寒而又干旱，這些使它看起來不是最好的扎營之地。但是火星上擁有豐富的資源，宇航員可以利用它們。

美國宇航局和其他太空機構將之稱為現場資源利用，它意味著依靠土地為生。在宇航員到達之前，一臺機器將被預先發送至火星，它將從大氣中的二氧化碳提取氧氣，從土壤中提取可分離的元素，然后利用這些來制作建筑材料或者火箭燃料。

近幾十年來發現，火星擁有很多凝固成冰態的水。在某些地方的土壤中有含有足夠的冰晶，機器人可以輕易地收集一堆。

雖然經常被討論，但是現場資源利用技術從未被開發過。美國宇航局需要證明依靠外行星資源生存是可行的。

人類登陸火星也需要種植植物的能力。乍一看，在火星上種植的想法似乎是一個合理的計劃，因為宇航員需要新鮮的水果和能夠使他們減少食用凍干食品數量的農場。但是在另一個星球上種植是件棘手而且危險的事情。考慮到能夠從種植中獲取的食物數量和為之投入的能量，并且考慮到溫度控制和其他必需的系統和技術，研究人員估計需要在火星上連續經營15至20年時間，才能從農業系統中得到與投入相當的產出。

保護人類和星球

地球是我們目前知道的唯一具有生物的地方，但這并不意味著太空中不存在其他生物。

由于存在外星生物的可能性，美國宇航局和其他主要航天國家一致同意遵守嚴格的星球保護標準。1969年美國三名宇航員成功登陸月球并返回地球以后，美國宇航局將他們隔離了三周，以確保他們沒有攜帶可能危害人類的可怕的太空病毒。這樣的工作重復進行，直到1971年完成第八次載人登月任務以后，科學家們才確信宇航員從月球返回后沒有帶來危害。

雖然月球上沒有有害細菌，但是火星卻是另外一種環境。有證據表明火星可能曾經具有孕育生命的能力。在火星上存在生物的可能性確實很小，但并不為零，這些可能的生物也許是有害的。

在考慮火星上的微生物可能危害人類的同時，我們也應該關注另外一種相反的問題。人類自身擁有微生物群落和真菌（人體的每個細胞包含10個微生物細胞），而目前我們無法防止人類登陸火星對火星產生污染。未來我們將需要提高能力來保護人類免受火星的危險影響，同時也需要使火星免受人類的危險影響。

為了遵守最嚴格的行星保護協議，也許最好的方法是在火星表面實施一些無人探索任務。人類可以在近地軌道或火星的衛星上扎營，實時遙控火星表面的探測器和其他機器人。這些機器人將檢查火星表面以獲取存在生物的證據，并且可能發現更安全的著陸點。未來的技術也將防止宇航員降落火星時帶來人類的污染。

火星的沙塵

美國航天專家格蘭特·安德森說：“火星表面的一個嚴重問題是沙塵。”干旱的火星環境產生了大量微小的沙塵，而這些沙塵是有害的。

人類生活在火星表面，就像生活在巨大的鹽地里。火星沙塵具有腐蝕性，宇航員的工具需要特別堅硬，否則容易被腐蝕掉。

在火星上盡量使宇航員不暴露在沙塵的環境中更加重要，因為火星沙塵被認為是有毒的。對“好奇號”火星探測器帶回的火星土壤樣品的分析證明，火星的土壤中含有一種被稱為高氯酸鹽的化學物質。這些物質是高度氯化的鹽，可能導致人體甲狀腺的疾病。雖然這個問題不是很清楚，但在地球供水系統中，研究人員已經將高氯酸鹽列為需要高度關注的化學物質。

火星上的塵埃也可能含有致癌物質，容易使人體產生類似阿波羅宇航員患的月球花粉癥的過敏反應或肺部疾病。載人火星計劃需要了解火星塵埃與人類棲息地的濕度，否則塵埃可能會像堿液或洗衣漂白劑一樣傷害人體皮膚。

“好奇號”火星探測器正在收集的數據，能夠幫助科學家了解火星塵埃給人體健康帶來危害的程度。但是首先的任務是需要研究火星塵埃是否會致人死亡。相關公司已經開發了避免宇航員與火星沙塵接觸的技術，但仍需要廣泛的實驗來證明該項技術是有效的。

制定計劃

目前世界上已經有許多不同的載人火星計劃。美國宇航局以及SpaceX公司和Inspiration Mars公司都有這樣的計劃，其他一些航天機構也正在考慮自己的想法。但不管怎樣，最終只能有一個計劃被選用。

沒有人確切知道載人火星項目需要多少成本，但根據估計高達數百億甚至數千億美元。考慮到通貨膨脹，美國以前實施的阿波羅計劃每個項目大約花費了180億美元，而載人火星項目將是一系列難度更大的項目的組合。這樣大規模的項目似乎應該由國際間的合作來完成，并需要參與國通過正式承諾的方式制定好一切事務。該計劃還必須具有一定的靈活性。世界是復雜的，多年的任務需要應對政治變遷和經濟衰退等因素。