我們如何離開火星？

文/馬克·施特勞斯 譯/于巧峰

美國航空航天局的工程師觀察火星時，看到的就好像一株行星大小的捕蠅草。它用科學發現誘惑著我們，但一旦我們踏上那個星球，重力和惡劣的氣候就會合力把我們困在那兒。

而這是不可以發生的。如果說電影《火星救援》給了現實的宇宙探索什么教訓的話，那就是民眾不會支持花費數十億美元，卻只能把宇航員困在另一個世界的計劃。可以說美國航空航天局有關這個紅色星球的探測計劃中最關鍵的部分就是如何離開那兒。

美國航空航天局要建造可以完成離開任務的宇宙飛船——火箭升空器。這將是一項艱巨的工程，如果升空器載滿燃料，就會因過重而無法從地球上起飛，也無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火星前幾年就將其發射到那個紅色星球，這樣它就可以在那兒通過擠壓稀薄的火星大氣來制造自己的燃料了。

然后呢？火箭升空器必須建造得十分堅固，在巨大的塵暴侵襲和強紫外線輻射下，仍然可以正常運轉。當這個擁擠狹小的升空器最終從火星離開時，它需要維持宇航員數日的生活，直到與軌道飛船交會成功。

火箭升空器的研發是重中之重，它要將一艘載人飛船從外星球發射進入運行軌道，而且機會只有一次。

承載所有物資

火星任務將是人類歷史上的首次外層空間之旅，需要五艘獨立的宇宙飛船運送宇航員和所需物資到那個紅色星球上。

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

在登陸火星的任務中，一些物資會破裂成小部件，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。美國航空航天局約翰遜航天中心的系統工程師米歇爾·洛克說：“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想去安裝引擎的。”

按照美國航空航天局的話來說，約18噸的重量使得火箭升空器成為這次任務中“最大的不可分割的負載物”。迄今，我們送往火星的最重物體是重1噸的“好奇”號火星探測器。

物體在火星上著陸不像在地球上那么容易，尤其是重達幾噸的物體。太空艙從天空降落到地球上時，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

而火星上的空氣密度僅為地球的百分之一。洛克說：“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，這些空氣可以讓你燃燒起來，卻沒辦法幫你降低速度。

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

馬克·沃特尼做了這樣的計算：升空器在著陸過程中將燃燒5噸至7噸的推進燃料，而從火星起飛時將需要燃燒33噸燃料以擺脫這個紅色星球的引力，穿過其大氣層將宇航員和科學物資安全送入預定軌道，在那兒與地球返回器實施對接。

由于需要提前運送的東西太多，助推燃料就必須在火星上制造。

活著離開

火星探測隊要想成功，他們必須活著離開這個星球。

如果可以在火星上制造燃料，美國航空航天局就可以減少幾噸的初始重量。而且第一次任務結束后，設備還可以留在火星上繼續制造燃料，為將來的探測者制造空氣和水。

火箭升空器的引擎以甲烷和液態氧為動力。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。同時產生的碳和氫還可以用來合成液態甲烷。

然而，鉆探水源無疑給本就困難重重的任務又增加了一個令人煩惱的不確定性因素。

挖掘和加工處理比簡單地從火星大氣中提取要復雜得多。洛克說：“用地下水生產燃料的另一個問題是，它會迫使你只能在你非常確信有水的地方著陸。”如果在深挖后發現你著陸的地方是巖床，那么所有賭注就都落空了。

如果無法從火星的水中提取氫氣，那么就只能將氫氣運送到火星上。但是，對一個初始任務來說，這一想法是行不通的。盡管氫氣的質量不大，但需要很大的儲罐來存儲，這會占用大量寶貴的空間。

“我們已經設計好一種著陸器，它的頂部有一個平板的甲板，”美國航空航天局馬歇爾太空飛行中心的航空工程師塔拉·普爾斯格羅夫說道，“截至目前，火箭升空器已占據了甲板的大部分空間，已經沒有足夠的空間來存放氫氣罐了。”

美國航空航天局的工程師可以將火箭升空器加高來容納氫氣罐，但是，增加宇宙飛船的高度是他們要盡量避免的方案。如果推進器太高，著陸后翻倒的風險就會更大。

而且，過高的火箭升空器會給宇航員帶來難以承受的物理壓力。在執行任務的過程中，他們最不想做的事情就是爬高高的梯子。因此，需要優先考慮便捷性。

照此來看，目前的計劃是發射一個火箭升空器，它滿載液態甲烷，配備有一個化工廠，這個化工廠可以利用火星大氣來制造液態氧。

這個過程預計花費一兩年的時間。當火箭升空器的燃料罐裝滿時，宇航員就會被送往火星。知道有一艘裝滿燃料的升空器在等待著將他們送回地球，會使他們覺得很安心。

但是，美國航空航天局的工程師還不能準備任何“任務已完成”的標語橫幅。“挑戰之一就是我們采用的是低溫推進劑，”洛克說，“一旦將推進劑送往火星，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而不被蒸發掉。”

“我們已經研發出了推進劑，但目前還沒有零泄漏的閥門。”普爾斯格羅夫補充道，“你應該已經想到了，這就是為什么我們要優先在低泄漏閥門領域做技術研發的原因。”

說得更廣泛一些，工程師擔心時間是個大問題。火箭升空器需要一兩年的時間來制造燃料，之后宇航員需要200天至350天的時間到達火星，再加上他們在那個紅色星球上的探測，一共多達500天。

所有因素加在一起，意味著火箭升空器在登陸后，必須要在長達4年的時間之后依然可以正常運行并且起飛。“那可是在火星環境中。”洛克說，“暴露在塵埃之中，還要接受強紫外線的輻射。想象一下你的家具暴露在外面那么長時間會變成什么樣子！那還是在地球上，家具得到的保護比在火星上強得多。”

穿好！

在設計火箭升空器時工程師需要考慮眾多問題，其中最重要的一個就是：宇航員穿什么？

“你應該看過關于宇宙空間站的圖片，”洛克說，“他們都穿著短褲和T恤衫來回走動。當你在一個大型飛行器里保持平穩飛行時，你可以離開座位活動。但在處于上升過程的飛行器里，你不能去任何別的地方，最好還是穿一件宇航服。”

但是，該穿什么樣的宇航服呢？宇航員探測火星表面時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，工程師就必須擴大其艙容了。另外，附著在宇航服上的火星塵埃也是一個問題。在沒有合適的行星保護協議的情況下，這類物質是不可以由宇航員帶回地球的。

洛克認為，最好的解決方法是把笨重的宇航服留在火星，未來的探測隊可以作為零件進行回收。而宇航員離開時穿艙內活動服，即航天飛機機組人員在航天器發射和再入機艙時所穿的那種膨大的橙色裝備。

艙內活動服更加輕便靈活，因為限制此類裝備暴露到戶外火星環境中，因而也可以保證無塵狀態。宇航員離開居住艙通過對接口進入探測器，在這里，他們可以換上干凈利落的艙內服，并通過一條特殊設計的密封通道進入火箭升空器。

運送一個密封通道到火星有一個缺點，即增加了一次性設備的重量，但洛克認為這個通道或許會有別的用處。

“我認為加上它會很酷，”洛克說，“現在你可以帶幾個小型居住艙，并用這個密封通道把它們連接起來……增加新的元素總是有問題的，但如果這個新元素可以解決多個問題，它就可能成為一個優勢。”

返航

最后，是該離開的時候了。

火箭升空器的內部會被簡化到最小的重量。這是一輛單程太空出租車，并不是一個居住艙。事實上，工程師都不一定會設計座位。在這種情況下，宇航員必須要能承受整個行程。

火箭助力升空將持續7分鐘，但行程并沒有到此結束。宇航員需要燃燒更多的燃料以操控升空器進入預定軌道，與地球返回艙對接。

假設地球返回艙停在距離火星一個火星日的軌道里（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上升的升空器里待長達43小時。洛克說，這仍是一個沒有解決的問題。

“對空間推進站的工作人員來說，他們想讓那個又大又寬敞的中轉站停在盡可能高的位置上，”洛克說，“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個至5個火星日的位置上，讓升空器來與他們對接。如果這樣，在火箭升空器上待的時間會增加，就需要額外的設備。”

“你穿著宇航服，不喝熱湯不洗澡或許可以堅持43小時，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來，這就必須擴大升空器的尺寸。”

一旦對接成功，所有艙內人員和物資會被轉移到宇宙飛船中，并隨飛船回到地球。而火箭升空器會與之分離并執行最后一項處理任務，那就是將自己送入一個預定軌道，以便不干擾未來的火星探測任務。這是一個小小的宇宙飛船的卑微結局，但它在人類歷史進程中將起到至關重要的作用。