載人登陸火星之路不平坦 _火星

載人登陸火星之路不平坦
據(jù)《自然與科技》：近來，載人探測或登陸火星的新聞鬧得沸沸揚揚，主要原因有三：一是今年年初，荷蘭“火星一號”基金團隊宣布開始在全球海選參與移民火星項目的志愿者，尤其是4月22日還來到上海招募永久定居者，據(jù)悉，現(xiàn)有5萬多名志愿者參選，其中包括600多名中國人；二是4月22日，美國“靈感火星”基金團隊也開始招募飛往火星的志愿者，它由美國億萬富翁、世界首位太空游客丹尼斯·提托資助，現(xiàn)有超過上萬人報名；三是5月6日，美國航空航天局召開新聞發(fā)布會，公布了令人矚目的載人登陸火星計劃，該局局長博爾頓在發(fā)布會現(xiàn)場演講時表示，美國航空航天局期望在2030年前后實現(xiàn)這一計劃。
那么，為什么載人登陸火星一下受到如此青睞？私營公司或民間基金會真能完成載人登陸火星的壯舉嗎？載人登陸火星需攻克哪些技術(shù)難關(guān)？
三大主要目的
20世紀，人類實現(xiàn)了載人登陸月球；21世紀，人類最重要、最復(fù)雜的航天項目就是載人登火星，其主要目的有三：
一是尋找地外生命，從而深入研究生命、地球乃至宇宙起源和演化，以及人類在宇宙中的地位和最終的命運。因為科學(xué)家通過長期的天文觀測和空間探測已經(jīng)確定，火星是與地球最為相似、且距離地球最近的行星，所以探測火星生命的起源和演化可促進地球生命的起源和演化的研究。
二是大量跡象表明，火星以前很可能與目前的地球一樣，只是經(jīng)過幾十億年的演化才變成大氣層稀薄、溫度較低、水源枯竭等今天這個樣子；而另一顆離地球很近的行星——金星正好與之相反。所以，不少天文學(xué)家推斷，火星是地球的未來，金星是地球的過去。因此，載人探測或登陸火星可研究地球的演變，防止它變成人類難以生存的第二個火星。
三是載人探火星可能解決地球上存在的一些難以解決的問題。例如，到2050年，全球人口總數(shù)將從現(xiàn)在的68億增長到90多億，因此有些科學(xué)家已經(jīng)開始研究向外空移民的方案了。由于火星與地球最為相似，所以很多科學(xué)家認為可先把火星改造成適合人類居住的第二個人類家園，在地球人口超過110億以上時向火星移民。許多人認為這不是天方夜譚，因為類似載人登月等許多過去可望不可即的神話和幻想，如今有不少都變成了現(xiàn)實。
由此可見，載人探測或登陸火星對人類的未來具有深遠意義，所以，一些航天大國很早就開始考慮載人登火星的問題，但由于技術(shù)、經(jīng)費等多種原因，一直沒能實施。進入21世紀后，載人航天技術(shù)和各國經(jīng)濟發(fā)展有了長足的進步，大大增加了實現(xiàn)載人登陸火星的可行性，所以人們又開始關(guān)注載人登陸火星這一宏大目標(biāo) ，它已成為全人類的共同夢想。不過，一些私營公司也借此機會進行商業(yè)活動。
多次紙上談兵
在載人登陸火星的方案研究方面美國最為積極，先后出臺過四個比較有影響的方案。
1952年，美國火箭專家馮·布勞恩提出了“火星艦隊”方案，即發(fā)射10艘載人火星飛船，將至少50名航天員送到火星上去，但那時連衛(wèi)星都沒有發(fā)射過，所以該方案也就不了了之了。
1987年，美國航空航天局組織一個空間委員會，提出了“90天研究報告” 方案，建議耗資4500億美元，建造1000噸重的載人火星飛船，它可乘7至8名航天員。由于費用高昂，該方案當(dāng)即就被美國國會否決了。
20世界90年代初，美國火星學(xué)會提出了“火星直航”方案，它采用就地取材，利用火星大氣生產(chǎn)火箭推進劑，耗資只有200〜300億美元，能將4名航天員送到火星表面。該方案也沒被采納，可能是當(dāng)時美國正全力研制“國際空間站”，且就地取材的技術(shù)難度太大。
1997年，美國航空航天局火星探測研究組又提出了“參考飛行”方案。它是“90天報告”和“火星直航”方案的一個折中方案。不過，該方案仍沒有被采納，原因不詳。
由此可見，載人登火星十分不容易，就連早在1969年7月就進行過首次載人登月的美國至今也沒能把人送到火星上去。
當(dāng)然，荷蘭火星一號和美國靈感火星的方案比美國政府的載人登火星方案似乎容易得多，因為前者是“單程車票”，飛行時間少一半，所以載人火星飛船所攜帶的生活物資可以大大減少，失重等帶來的影響也小許多，并且不需要費用高昂、技術(shù)復(fù)雜的返回裝置；后者由于不在火星表面著陸，而只是在距火星表面150公里高空遨游，因此也能大大降低成本和技術(shù)的復(fù)雜性。但是，這兩家基金會要想探測或登陸火星仍然困難重重，相比而言，后者的可行性稍好些，但也極低。
當(dāng)年，美國為了登陸離地球約38萬公里的月球，曾耗資255億美元（相當(dāng)于現(xiàn)在的1000億美元），在工程高峰時期，參加工程的有2萬家企業(yè)、200多所大學(xué)和80多個科研機構(gòu) ，總?cè)藬?shù)超過30萬，奮斗了8年。而火星離地球的最近距離為5000萬公里，最遠達約4億公里，僅單程飛往火星的時間就達250天左右（單程飛往月球的時間只需4〜5天），所以去火星會帶來一系列嚴峻的技術(shù)挑戰(zhàn) ，即使在現(xiàn)在也非常不易。那么，載人登火星到底有多難呢？
技術(shù)難之又難
在當(dāng)今，不要說載人登陸火星了，就是進行無人探測火星也充滿了風(fēng)險。目前，全球一共發(fā)射了約43個火星探測器，只有26個獲得成功，成功率約60%，所以火星被稱為“航天器墳場” 。因此，要進行載人探測或登陸火星就更難了，必須克服千難萬險才行。例如：
首先要研制出重型運載火箭。冷戰(zhàn)時期，美蘇曾在載人登月領(lǐng)域開展過激烈的競爭，蘇聯(lián)之所以最后敗北，就是因為發(fā)射其載人登月飛船的N1重型運載火箭四次發(fā)射失敗；而美國用近地軌道運載能力達127噸的土星5號重型火箭，多次成功發(fā)射質(zhì)量大于45噸的“阿波羅”載人登月飛船。載人火星飛船的質(zhì)量必然大于載人月球飛船，所以首先需要研制出比土星5號火箭推力還大的重型火箭才行。當(dāng)然，也可采用新的方法：研制近地軌道運載能力60噸左右的火箭，用它分批發(fā)射載人火星飛船的艙段，到近地軌道交會對接成完整的載人火星飛船，從而降低重型火箭的成本和技術(shù)難度。但這會增加載人火星飛船的成本和技術(shù)難度，因此對接次數(shù)也不能太多，否則會影響可靠性。
現(xiàn)在，美國私營的太空探索技術(shù)公司正研制近地軌道運載能力達53噸的“重型獵鷹”火箭，還擬研制近地軌道運載能力達170噸的“超級載重火箭” 。美國航空航天局則正在研制“航天發(fā)射系統(tǒng)”重型運載火箭，其初始近地軌道運載能力為70噸，改進后將達到130噸。
二是要研制出載人火星飛船。目前，人類只研制出繞著地球運行的衛(wèi)星式飛船和飛往月球的登月式飛船，但還沒有打造出載人登陸火星的星際式飛船，因為它的技術(shù)難度和成本大大高于前兩者。由于路途遙遠，來往火星至少要520天，因此，飛船要解決人身保護和空氣、飲食供應(yīng)等許多難點。航天員在來往火星的過程中，會受到太陽風(fēng)暴和宇宙輻射的影響，這就需要加強太空天氣預(yù)報能力和改進各種防護設(shè)備。同時，在途中和到達火星后，都需要保證航天員的氧氣、飲水和食品的供應(yīng) 。目前能夠想到的方法有三：一是由地面帶過去，包括先用貨運飛船把生活用品發(fā)到預(yù)定著陸地點；二是采用再生式生命保障系統(tǒng) ，對航天員的尿液、汗液、呼出的二氧化碳進行回收處理，循環(huán)使用，并在艙內(nèi)種植能放出氧氣、吸收二氧化碳的蔬菜，以減少地面運輸?shù)膲毫Γ蝗蔷偷厝〔模a(chǎn)航天員生活和工作所需物資，包括分解火星大氣，使用3D打印機生產(chǎn)火星飛船的零部件等。另外，還需為火星飛船長途航行提供可靠的動力。
三是飛船在火星著陸過程中和著陸后的生活、工作保障。飛船在火星著陸時要經(jīng)歷“恐怖的7分鐘”，好在火星有大氣，可以利用降落傘減速。著陸后首先要解決能源供應(yīng)，因為火星比地球離太陽遠得多，靠太陽電池供電難以滿足需求，而且火星的沙塵暴是地球12級臺風(fēng)的幾倍，持續(xù)時間達幾個月，容易覆蓋太陽電池而嚴重影響其工作，所以要考慮用核電源，但還要保證航天員的安全性。火星沙塵暴對火星著陸器和艙外火星服密封性、可靠性也是一個考驗。另外，火星上的溫度比地球低許多,這對火星著陸器溫度控制系統(tǒng)提出了很高的要求，當(dāng)然，這也涉及著陸地點的選擇，如果把著陸器停在洞窟里，就能冬暖夏涼并防宇宙輻射；也可用火星土壤覆蓋著陸器。火星引力是地球的約1/3,在地球軌道使用的艙外航天服（120公斤）以及月球航天服（引力為地球的1/6）都無法在火星上使用，所以必須研制出功能強、質(zhì)量輕的火星航天服。從火星返回地球更為不易，因為火星引力較大，火星著陸器的上升級必須有較大的推力才行；火星飛船返回地球時的速度也比登月飛船快得多，所以難度大增，要嚴格控制進入地球軌道的角度和速度及時機，否則不是掠過地球就是墜毀在地球上。
四是人體適應(yīng)新的環(huán)境問題。在飛往火星途中和到達火星后，航天員長期處于微重力和低重力狀態(tài) ，會出現(xiàn)肌肉松弛或骨質(zhì)變輕等太空綜合征，而飛船中能活動的空間又很小，使這一問題變得更加嚴峻，并會對心理產(chǎn)生重大影響。到達火星后，與地球差異很大的火星環(huán)境對人體也是個挑戰(zhàn)和考驗。為此，俄羅斯、歐洲和中國的6名志愿者在2010〜2011年開展了“火星-500”實驗，主要探索人類登陸火星過程中所能夠耐受的一切，尤其是心理和物質(zhì)保障方面的問題。
五是要解決通信延時帶來的困難。由于地球與火星距離遙遠，無線電信號單程傳輸需要20分鐘左右，故航天員無法獲得地球控制中心的及時幫助，必須依靠飛船的自動控制設(shè)備和航天員的知識、經(jīng)驗來解決遇到的問題。在火星著陸后，還需要保證與地球的正常通信聯(lián)系。
幾種解決辦法
對于飛往火星途中因長期失重而引起的航天員肌肉萎縮、骨質(zhì)脫鈣等一系列問題，目前的主要對抗措施有兩個，一是吃藥，二是體育鍛煉。不過，目前在太空中進行的鍛煉效果并不太好，所以還在進行新的探索。克服失重不利影響的最好辦法就是用人工的辦法產(chǎn)生重力，但是由于技術(shù)上的困難，目前在航天中還無法采用人工重力作為防護措施。為了研究防止失重引起骨質(zhì)喪失的好方法，航天醫(yī)學(xué)家們正在繼續(xù)努力，希望在人類進入火星前解決此問題。
有不少專家認為，載人登陸火星最大的困難之一是宇宙輻射。人在地球上生活時，由于地球磁場有屏蔽作用，所以能把銀河宇宙輻射的強度降低70%〜90% 。人即使在地球近地軌道上飛行，所乘坐的載人航天器也能受地球磁場的屏蔽作用，使航天員受到的輻射劑量較低。但在行星際空間飛行的載人火星飛船則要受到大劑量宇宙輻射，如果不加防護裝置，航天員所受的輻射劑量可高達幾百拉德（輻射吸收劑量的專用單位，符號為rad 。1克物質(zhì)吸收0.00001焦耳的能量時，吸收劑量為1拉德）。宇宙射線中的高能質(zhì)子可穿透宇宙飛船照射到人體，擊中人體后能引起組織器官的嚴重損傷，殺死人體細胞或改變?nèi)梭w內(nèi)的DNA，降低人的免疫能力，導(dǎo)致航天員終身不育，增加癌癥的發(fā)病率。現(xiàn)有兩個解決方案，一是加厚火星飛船的艙壁，這種被動物理屏蔽方式的最大缺點是飛船質(zhì)量太大，給發(fā)射帶來巨大困難；二是采用主動物理屏蔽的方式，即在火星飛船四周產(chǎn)生人工強磁場，使射向火星飛船的輻射粒子偏離，其缺點是技術(shù)十分復(fù)雜，目前極難實現(xiàn) 。所以，對于防輻射屏蔽技術(shù)還需進一步攻關(guān) 。
火星航天員的選拔也是個難題，因為火星荒無人煙、環(huán)境惡劣，連細菌都難以生存，所面臨的風(fēng)險是常人難以想象的。有人說，在未來的載人火星飛行中，任務(wù)成敗的關(guān)鍵不在于能不能設(shè)計出可安全飛往火星的飛船，而在于能不能選拔和訓(xùn)練出能夠完成這項任務(wù)的航天員。就目前的技術(shù)水平而言，航天員到火星一個來回至少需要約520天，在這樣長的時間里待在一個狹小的環(huán)境中，對于火星航天員的生理和心理等來說都是極為嚴峻的挑戰(zhàn)，尤其是心理。火星航天員能不能保持正常和穩(wěn)定的心理狀態(tài)將火星旅行堅持到底，取決于航天員的心理素質(zhì) 。創(chuàng)造在太空連續(xù)飛行438天的俄羅斯航天員波利亞科夫說，他的航天經(jīng)歷證明人能在太空長期飛行。他感覺克服心理困難比克服生理困難還難，如果他到火星去一定要與妻子同行。
研究表明，去火星必須是由4或6人等偶數(shù)組成的乘員組，以免交談中孤立出一人來。如果火星乘員組是由4人組成，其中一名是有駕駛航空器或航天器經(jīng)驗的駕駛員，一名是懂心理、婦科、牙科等的全科醫(yī)生，一名是會修理飛船的全能工程師，還有一名是懂氣候、地址的全才科學(xué)家。如果由6人組成，則其中應(yīng)該有2名工程師航天員和2名科學(xué)家航天員。另外，男女混合編隊比清一色的男性航天機組更有利于長期火星任務(wù)的完成，在這里最重要的是團隊精神。
因為飛行時間很長，所以火星航天員的選拔和訓(xùn)練注重的是心理素質(zhì)，其次才是身體素質(zhì)和知識水平。心理選拔的任務(wù)首先是在候選人中排除那些人格有缺陷和集體主義觀念淡薄的人；同時發(fā)現(xiàn)那些不僅人格正常，而且善于團結(jié)同事、關(guān)心集體、助人為樂、心胸開闊、善于幽默和樂觀自信的人。其次是評定候選人在長期的與世隔絕的火星旅行中，能不能身心健康、堅持到底，能不能始終保持良好的心態(tài)和旺盛的工作熱情。三是在長時間完成單調(diào)和重復(fù)性的工作之后，還能不能對突然發(fā)生的各種緊急情況及時做出快速反應(yīng) 。
要勝利完成載人火星飛行任務(wù)，主要是靠集體的智慧和力量，而不是靠個人的天賦和才干。因此有沒有集體主義思想是一個非常重要的選拔條件。
最有效的方案
從上述不難看出，私營公司的“火星一號”和“靈感火星”對激發(fā)人類的太空探索精神有一定推動作用，但實施的可行性不大。私營公司適合從事把已成熟的航天技術(shù)商業(yè)化。
即使是舉全國之力實施載人登陸火星，難度也很大，最有效的辦法是有兩個：一是像建造“國際空間站”那樣開展國際合作，舉全球之力，從而減少資金、技術(shù)等方面的壓力，發(fā)揮各國的特長；二是縮短載人火星飛船抵達火星的時間，這樣就可以規(guī)避長期太空飛行帶來的生命保障、宇宙輻射、失重低重、心理生理、燃料備件等一系列問題。
美國曾計劃研制名為“普羅米修斯”的核動力載人火星飛船，它的飛行速度為87000公里/小時，是目前載人飛船速度的3倍，用2個月的時間就能到達火星。不過，當(dāng)時的核動力火星飛船方案存在巨大安全隱患，它使航天員所受的輻射量相當(dāng)于每天做8次X光胸透，所以下馬了。不過，隨著技術(shù)的發(fā)展，美國、俄羅斯現(xiàn)在又重啟核動力載人火星飛船的研制，使它不會對航天員的身體健康產(chǎn)生不利影響，還能在1〜2月之內(nèi)抵達火星。
前美籍華裔航天員張福林正在研制全功率可變比沖磁等離子火箭,如果成功,用它作為載人火星飛船的動力裝置可大大縮短人從地球前往火星所需的時間，僅用39天就能抵達火星。但該技術(shù)何時能問世現(xiàn)在還不得而知。
美國還計劃先在2020〜2025年登陸小行星，然后把它作為載人登陸火星的中轉(zhuǎn)站，從而能利用小行星上的水供航天員使用，并把水分解成氫和氧為火星飛船加注燃料。
總之，從目前人類達到的科技水平來看，載人登陸火星的所有難題都是可以逐步解決的，關(guān)鍵是需要投入大量資金并眾多專家的集體智慧來攻關(guān) 。據(jù)一項調(diào)查表明，2013年3月1000多位美國受調(diào)者民意投票顯示，71%受調(diào)者希望2033年美國派遣航天員登陸火星；75%受調(diào)者表示美國航空航天局財政預(yù)算應(yīng)當(dāng)翻倍，達到聯(lián)邦預(yù)算的1% 。當(dāng)前，美國航空航天局的財政預(yù)算僅占美國聯(lián)邦預(yù)算的0.5%，相比之下20世紀60年代“阿波羅”載人登月工程的時代，美國航空航天局的財政預(yù)算占聯(lián)邦預(yù)算的4% 。
俄羅斯、歐洲和日本都曾拋出過載人登陸火星計劃，目前還在研究相關(guān)方案。我國專家建議，我國在2025年—2030年實施載人登月，2050年實施載人登火星。
【載人登陸火星之路不平坦】至于把火星改造成人類第二個家園，然后向火星移民的方案目前也有不少，但就目前的技術(shù)發(fā)展水平和速度而言，可能要等到800年以后。(作者：龐之浩中國空間技術(shù)研究所)(eeook.com)