人類距離登陸火星還有多遠(yuǎn)

蒂亞·格霍西+李有觀

美國(guó)前任總統(tǒng)巴拉克·奧巴馬于2016年10月11日在美國(guó)有線電視新聞網(wǎng)（CNN）的一篇專欄文章中寫道：“我們已經(jīng)為美國(guó)航天業(yè)的未來設(shè)定了一個(gè)明確而又至關(guān)重要的目標(biāo)：在21世紀(jì)30年代將人類送上火星，并且使他們安全地返回地球，最終實(shí)現(xiàn)在火星上長(zhǎng)期生存。”

隨著奧巴馬重申在未來二三十年內(nèi)使人類到達(dá)火星的雄心勃勃的目標(biāo)，美國(guó)的登陸火星的計(jì)劃終于確定。那么下一個(gè)問題來了：怎樣才能夠到達(dá)火星？

美國(guó)航空航天局已制訂出前往火星旅行的詳細(xì)計(jì)劃。位于美國(guó)首都華盛頓市的喬治·華盛頓大學(xué)艾略特國(guó)際關(guān)系學(xué)院太空政策研究所的政治科學(xué)與國(guó)際事務(wù)名譽(yù)教授約翰·洛格斯頓說，如果這個(gè)期限延長(zhǎng)到21世紀(jì)30年代的最后一年，那么到達(dá)火星的計(jì)劃是可以實(shí)現(xiàn)的。

其他專家則認(rèn)為奧巴馬設(shè)定的時(shí)間表不夠大膽。美國(guó)的一家非營(yíng)利組織—火星協(xié)會(huì)—的創(chuàng)始人兼主席、著名航空航天工程師、先鋒航天公司總裁、《前往火星：登陸紅色星球的計(jì)劃》的作者羅伯特·祖布林說：“與1961年制訂計(jì)劃將人類送上月球卻在8年后才實(shí)現(xiàn)目標(biāo)相比，如今我們距離登陸火星的目標(biāo)更近。下一任總統(tǒng)應(yīng)該宣布一個(gè)雄心勃勃的目標(biāo)：在2020年或者2024年到

達(dá)火星，否則登陸火星的任務(wù)將失去先機(jī)，太空探索可能會(huì)進(jìn)一步推遲。”

不論什么時(shí)間開始實(shí)施登陸火星的計(jì)劃，在航天員準(zhǔn)備出發(fā)之前，專家都必須解決如下一些技術(shù)問題。

第一步：擁有把航天員送上太空的美國(guó)技術(shù)

目前，美國(guó)是依靠俄羅斯的“聯(lián)盟”號(hào)宇宙飛船將航天員送往國(guó)際空間站的。未來這種情況將有所改變，因?yàn)槊绹?guó)的一些私營(yíng)航天航空公司正在努力研制載人和載貨的航天系統(tǒng)。約翰·洛格斯頓介紹說，由著名工程師埃隆·馬斯克建立的美國(guó)太空探索技術(shù)公司（簡(jiǎn)稱Space X）開發(fā)了可部分重復(fù)使用的運(yùn)載火箭，及名為“龍飛船”的載人太空運(yùn)輸系統(tǒng)；美國(guó)波音公司也在與美國(guó)航空航天局合作研發(fā)新型的載人宇宙飛船——CST-100型宇宙飛船。埃隆·馬斯克表示，Space

X研制的用于前往火星的運(yùn)載火箭可能于2018年發(fā)射。

第二步：建造更大的宇宙飛船

美國(guó)洛杉磯市一家航空航天公司的工程專家布雷特·德拉克說，前往火星的航行需要一艘大型宇宙飛船，它能夠搭載多名航天員以及三年往返所需的所有物品和潛在的貨物。這家公司是一個(gè)非營(yíng)利性組織，致力為聯(lián)邦政府研究運(yùn)載火箭、衛(wèi)星系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)以及太空技術(shù)。

約翰·洛格斯頓補(bǔ)充說：“將宇宙飛船上的全體航天員送上火星意味著該飛船必須具有更大的有效載荷，因?yàn)樾枰\(yùn)載往返的燃料及物資。要知道，火星上可沒有便利店為返程提供補(bǔ)給物資。”

一種方法是建造巨大的宇宙飛船；另一種方法是首先制造多個(gè)較小的模塊（其中一些模塊可以載人，另一些可以運(yùn)載物資），分別發(fā)射進(jìn)入軌道，然后在空間進(jìn)行組裝。約翰·洛格斯頓說：“不管選用哪一種，我們都具備了這方面的基本技術(shù)。”

“前往火星的宇宙飛船必須比我們以前建造的任何一艘都大。”羅伯特·祖布林說，“即使如此，也不需要新的科學(xué)技術(shù)。”

目前，美國(guó)洛克希德·馬丁公司正在為美國(guó)航空航天局研發(fā)一種可以搭乘4人的名為“獵戶座”的新型宇宙飛船，它由駕駛艙、登陸艙、返回艙、乘員艙、服務(wù)艙以及異常中斷系統(tǒng)等組成，直徑約5米，重量約23噸。美國(guó)航空航天局將利用它進(jìn)行外太空探索。“獵戶座”宇宙飛船已經(jīng)于2014年12月5日成功完成首次無人試飛，將于2018年進(jìn)行繞月飛行，為之后的載人航天任務(wù)做準(zhǔn)備。

第三步：制造更大的火箭

將更大的宇宙飛船發(fā)射進(jìn)入太空深處需要使用更大的火箭。據(jù)美國(guó)航空航天局的專家介紹，他們計(jì)劃對(duì)自行研制的世界上體積最大、動(dòng)力最強(qiáng)的火箭系統(tǒng)進(jìn)行第二次測(cè)試。該火箭系統(tǒng)被稱為太空發(fā)射系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱SLS），是一種從航天飛機(jī)演變而來的超重型運(yùn)載火箭，其高度和總重量分別達(dá)到117米和2948噸。太空發(fā)射系統(tǒng)將于2018年建造完成，并將開啟人類探索太空的新紀(jì)元。屆時(shí)，太空發(fā)射系統(tǒng)將把載有航天員的“獵戶座”宇宙飛船送入太空，首個(gè)目的地為月球，最終目的地是火星。Space X也在研發(fā)重型獵鷹運(yùn)載火箭，其高度為69.2米，是一種能夠?qū)⒇浳锖腿藛T送上月球、小行星，甚至火星的可重復(fù)使用的大型運(yùn)載火箭。

第四步：宇宙飛船的減速和著陸

宇宙飛船到達(dá)火星軌道以后，就需要在這個(gè)紅色星球上著陸。在過去的航天任務(wù)中，摩擦、熱效應(yīng)和降落傘都可以為飛船減速。但對(duì)重型宇宙飛船來說，降落傘的制動(dòng)能力顯然是不夠的。

現(xiàn)在，專家在這個(gè)問題上取得了進(jìn)展。例如，Space X展示了用于高速宇宙飛船減速的超音速反向推進(jìn)器，在著陸時(shí)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)。

第五步：解決在太空中長(zhǎng)期居住的問題

現(xiàn)在，航天員已經(jīng)成功地在國(guó)際空間站中生活了幾星期，甚至幾個(gè)月，這證明了在火星建立生命維持系統(tǒng)的可行性。這個(gè)系統(tǒng)可以為航天員提供安全用水、處理廢物，并過濾空氣等。專家說，類似的系統(tǒng)也可用于在火星上生活。

然而，火星與國(guó)際空間站不同。國(guó)際空間站位于近地軌道，距離地球只有幾小時(shí)的航程。如果發(fā)生什么意外情況，地球上的專家可以前來救援。但是在火星上這是不可能的，因?yàn)榧词乖诘厍蚺c火星相距最近的情況下，到達(dá)火星至少需要6個(gè)月至9個(gè)月的時(shí)間。

布雷特·德拉克說：“生命維持系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵進(jìn)步是提高系統(tǒng)的可靠性。對(duì)火星任務(wù)來說，系統(tǒng)一旦失效，既不能迅速返回地球修理，也無法完全恢復(fù)正常工作。所以，生命維持系統(tǒng)應(yīng)該在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)（許多年內(nèi)）具有可靠性，并且可以由航天員維護(hù)。”

第六步：避免致命的宇宙輻射

參與火星任務(wù)的航天員需要保護(hù)自己免受兩種形式的輻射： 太陽質(zhì)子事件（或太陽耀斑）和銀河系宇宙輻射。據(jù)布雷特·德拉克介紹說，第一種輻射可以通過設(shè)置專門的遮擋太陽粒子的設(shè)備來消除，例如由生命維持系統(tǒng)的給水系統(tǒng)構(gòu)成的水墻。

對(duì)銀河系宇宙輻射的屏蔽顯然更加棘手。在外太空，宇宙輻射的強(qiáng)度非常高。然而，美國(guó)航空航天局的“好奇”號(hào)火星探測(cè)器搭載的火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室對(duì)宇宙輻射水平的測(cè)量顯示，火星表面的輻射水平與國(guó)際空間站上觀測(cè)到的輻射水平相近。約翰·洛格斯頓解釋說，國(guó)際空間站所處的近地軌道位于兩個(gè)甜甜圈形狀的輻射帶（范艾倫輻射帶）的下方，它阻擋了許多來自太陽的帶電粒子和宇宙射線。

布雷特·德拉克認(rèn)為，可以采用快速通過外太空的方法，盡量減少暴露在最高輻射強(qiáng)度下的時(shí)間。他說：“在火星的表面比在外太空更安全。”

第七步：在月球軌道進(jìn)行測(cè)試

根據(jù)美國(guó)航空航天局制定的火星之旅的時(shí)間表，在正式開始火星任務(wù)之前，許多長(zhǎng)期太空系統(tǒng)將在月球和地球之間的軌道上進(jìn)行測(cè)試。在2018年至2030年之間的某個(gè)時(shí)間，美國(guó)航空航天局計(jì)劃發(fā)射載人航天器，實(shí)施航天員在月球附近進(jìn)行太空行走的任務(wù)。其中一些任務(wù)可能持續(xù)1年，為登陸火星的壯舉做好充分準(zhǔn)備。

約翰·洛格斯頓說，這一計(jì)劃將為登陸火星任務(wù)的所有環(huán)節(jié)提供測(cè)試機(jī)會(huì)，而且距離地球不會(huì)太遠(yuǎn)，出現(xiàn)問題也可以及時(shí)處理。

第八步：在火星上建造房屋

一旦航天員到達(dá)火星，他們也不能立即返航。約翰·洛格斯頓說，前往火星的航行可能需要6個(gè)月至9個(gè)月的時(shí)間，但只有等到火星和地球運(yùn)行到相對(duì)于太陽比較好的位置，才能夠返航。因此，可能需要等待14個(gè)月。（為了使返航的距離較短，應(yīng)在地球與火星處在太陽的同一側(cè)時(shí)返航。）

從某種意義上來說，執(zhí)行火星任務(wù)的先驅(qū)者將類似于16世紀(jì)的海上探險(xiǎn)家，他們遠(yuǎn)渡重洋，離開自己的祖國(guó)很長(zhǎng)一段時(shí)間。鑒于這一點(diǎn)，在火星上建造永久性居所是具有重要意義的。

“航天員的確需要在火星表面建立某種棲息地，而不是整天待在宇航服中。雖然看起來這有些困難，但美國(guó)拍攝的科幻電影《火星救援》中就相對(duì)真實(shí)地描繪出未來的火星生活設(shè)施。”約翰·洛格斯頓說。