亞當(dāng)·曼++曾連榮

運(yùn)載火箭

雖然人類在5 0多年前就成功地進(jìn)入太空，但載人火星任務(wù)的規(guī)模比以前的任何航天項(xiàng)目都要大。目前還沒有火箭能夠讓攜帶宇航員和到達(dá)火星必需的所有供給與燃料的巨型航天器擺脫地球引力到達(dá)太空，可能需要用火箭分批將零件送入近地軌道，宇航員在太空中組裝好航天器和給養(yǎng)再飛往火星。

目前，太空中最大的運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備是國(guó)際空間站，質(zhì)量達(dá)4 0 0余噸，當(dāng)年用了3 1艘飛船才運(yùn)載完成。能將人類送往火星的飛行器質(zhì)量約1 2 5 0噸，使用現(xiàn)有的火箭，需要7 0次至8 0次的飛行才能完成任務(wù)。國(guó)際空間站花了1 0多年時(shí)間才組裝完成，組裝火星飛船也需要非常長(zhǎng)的時(shí)間。

也許，未來這項(xiàng)任務(wù)會(huì)容易得多。如果新型太空發(fā)射系統(tǒng)SLS 火箭在2 0 1 7年研發(fā)成功，其運(yùn)載能力還是相當(dāng)可觀的。美國(guó)私營(yíng)太空公司SpaceX 公司正在研發(fā)新型獵鷹重型運(yùn)載火箭，它的運(yùn)載能力比SLS火箭略小一點(diǎn)。美國(guó)航空航天局估計(jì)，至少需要發(fā)射7枚新型SLS 火箭，才能將登陸火星必需的供給和飛船等送入地球軌道。

燃料的儲(chǔ)存

人類在太空中生存需要很多東西：食物、氧氣、住所、燃料。載人火星任務(wù)送到太空的物資中，推進(jìn)劑將占去大約8 0%。問題是，在太空中儲(chǔ)存如此大量的燃料是很困難的。宇航員搭建火星飛船時(shí)放置材料的地方處于近地軌道，在這里，物體大約每9 0分鐘環(huán)繞地球一圈。它們有一半的時(shí)間處在太陽的高溫烘烤中，而另一半時(shí)間則在太空冰冷的黑暗中。這種變化很容易導(dǎo)致液態(tài)的氫和氧蒸發(fā)，如果處理不當(dāng)，儲(chǔ)存燃料的容器還可能爆炸。在那里，容器中的氫一個(gè)月內(nèi)就會(huì)蒸發(fā)掉4%。如果火星項(xiàng)目在近地軌道停留1年，將損失近1/2的推進(jìn)劑。將1千克氫送入太空的成本大約是1萬美元，這種泄漏是巨大的浪費(fèi)。美國(guó)航空航天局正在測(cè)試大型太空低溫裝載和轉(zhuǎn)換推進(jìn)劑技術(shù)。如果成功，美國(guó)航空航天局就可以在太空設(shè)立一個(gè)長(zhǎng)久的氣體倉庫，隨時(shí)為火箭補(bǔ)給燃料。

推進(jìn)技術(shù)

美國(guó)航空航天局計(jì)劃先把飛船送到火星表面，再把宇航員送過去。要將人類盡快送往火星，先進(jìn)的推進(jìn)技術(shù)非常重要。美國(guó)航空航天局正在研究太陽能推進(jìn)技術(shù)，這是一種通過飛船尾部發(fā)射電離氣體來推進(jìn)飛船的技術(shù)。美國(guó)航空航天局的“黎明”號(hào)飛船和日本的“隼鳥”號(hào)飛船都已使用了這項(xiàng)技術(shù)?；鹦琼?xiàng)目需要比這些已有項(xiàng)目更大的太陽能電動(dòng)推進(jìn)器。美國(guó)航空航天局目前有一個(gè)搜集小行星并將其拖拽回地球的計(jì)劃，它將促進(jìn)太陽能電動(dòng)推進(jìn)技術(shù)的研究。

在火星上著陸

稀薄的火星大氣層不能很快撐開大型降落傘，所以大型航天器降落火星有很大困難?！昂闷妗碧?hào)重1噸，是目前能夠發(fā)送到火星表面的最大物體。美國(guó)航空航天局表示，載人火星項(xiàng)目至少需要發(fā)送4 0噸重的物體到火星?！盎鹦?號(hào)”計(jì)劃的單程載人火星項(xiàng)目也需要攜帶近1 0噸物資。美國(guó)航空航天局的專家正在研發(fā)一種高超音速充氣系統(tǒng)。這是一些巨大的類似球狀的物體，展開后可幫助飛行器減速。

不過，人類在火星上著陸的關(guān)鍵是超音速重推進(jìn)技術(shù)。美國(guó)航空航天局曾在2 0世紀(jì)6 0年代至7 0年代就超音速重推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，不久前也進(jìn)行過一次。好消息是，實(shí)驗(yàn)表明超音速重推進(jìn)技術(shù)在理論上是可行的，壞消息是美國(guó)航空航天局不再研究這個(gè)項(xiàng)目了。

現(xiàn)在，一些私營(yíng)航天公司，例如SpaceX公司正在研究可重用的火箭，它可以從近地軌道返回發(fā)射臺(tái)。該公司可能會(huì)在遲一些時(shí)候研究超音速重推進(jìn)技術(shù)。

宇航員健康問題

對(duì)具有最復(fù)雜系統(tǒng)的人類身體來說，太空是個(gè)危險(xiǎn)的地方。為地球生命提供能量的太陽，在太空旅行中對(duì)生物卻是致命的威脅。一旦宇航員處于地球磁場(chǎng)之外，太陽的射線將在他們體內(nèi)積聚，從而增加他們患癌癥的風(fēng)險(xiǎn)?！昂闷妗碧?hào)火星探測(cè)器近期得到的數(shù)據(jù)已經(jīng)量化了火星表面的射線等級(jí)和危險(xiǎn)程度。類似太陽耀斑和高能粒子的大爆發(fā)可能將潛在的、致命劑量的射線作用于宇宙飛船。因此， 美國(guó)私營(yíng)載人火星項(xiàng)目——“靈感火星”——計(jì)劃選擇在太陽的弱活動(dòng)年2 0 1 8年進(jìn)行，屆時(shí)太陽粒子爆發(fā)的可能性最低。不過，較低的太陽粒子活動(dòng)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個(gè)月至9個(gè)月的時(shí)間，在整個(gè)過程中都要保護(hù)人類。目前，最可行的解決方案是用水把宇宙飛船包起來。水能夠吸收射線，并能在遭遇太陽風(fēng)暴時(shí)提供一定的遮擋。但是水的質(zhì)量比較大，在航天項(xiàng)目中增加任何重量都將提高成本。未來有望開發(fā)出能夠保護(hù)宇航員的小型磁場(chǎng)技術(shù)，但這是許多年后才能實(shí)現(xiàn)的。

除了射線，載人火星之旅面臨的最大挑戰(zhàn)是微重力（又稱零重力），它會(huì)導(dǎo)致不少奇怪的病癥，以及一系列的心理問題。如果長(zhǎng)期處于零重力狀態(tài)，會(huì)出現(xiàn)骨骼鈣質(zhì)流失、肌肉萎縮、視神經(jīng)腫脹等問題，如果得不到及時(shí)治療，可能導(dǎo)致身體虛弱、骨質(zhì)脆化，甚至失明。先進(jìn)的醫(yī)療技術(shù)和有規(guī)律的鍛煉有助于解決太空旅行中出現(xiàn)的一些身體問題。目前，美國(guó)航空航天局正計(jì)劃讓宇航員在國(guó)際空間站停留1年，以便更好地研究這些因素。然而，在飛往火星的過程中，宇航員要面臨的心理問題在很大程度上是未知的。國(guó)際空間站與地球之間的距離比較近，宇航員可以看見地球，但是火星項(xiàng)目的宇航員要忍受長(zhǎng)時(shí)間不能與家人溝通的痛苦。2 0世紀(jì)9 0年代，美國(guó)科學(xué)家曾進(jìn)行“生物圈2”號(hào)實(shí)驗(yàn)，讓8個(gè)人在大型模擬環(huán)境中停留近2年。參與“生物圈2”號(hào)實(shí)驗(yàn)的專家泰伯·麥卡勒姆說：“所有參與該實(shí)驗(yàn)的人員都表示心理問題是最大的問題?！钡侥壳盀橹?，時(shí)間最長(zhǎng)的火星旅行模擬實(shí)驗(yàn)是由俄羅斯組織、多國(guó)參與的國(guó)際大型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 “火星5 0 0”。2 0 1 0年6月至2 0 1 1年1 1月，6名志愿者在密封的房間里待了5 0 0天。隨著時(shí)間的推移，參與該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的志愿者在房間中變得無精打采，其中1名變得很消沉。6名中有2名沒有出現(xiàn)什么問題，只有1名保持著活躍和忙碌狀態(tài)，認(rèn)知能力沒有下降。

目前，美國(guó)正在進(jìn)行一個(gè)火星項(xiàng)目，測(cè)試人類能忍受孤獨(dú)的極限。

火星的資源

火星環(huán)境寒冷干燥，不過火星擁有豐富的資源，宇航員可以利用它們。

在宇航員到達(dá)之前，一臺(tái)機(jī)器會(huì)被預(yù)先發(fā)送至火星。它將利用火星大氣中的二氧化碳提取氧氣，從土壤中提取可分離的元素，然后用它們制造建筑材料和火箭燃料。火星固態(tài)水儲(chǔ)量豐富，在某些地方的土壤中有足夠的冰晶，機(jī)器人可以輕易地收集。

雖然經(jīng)常被討論，但是現(xiàn)場(chǎng)資源利用技術(shù)從未被開發(fā)過。美國(guó)航空航天局需要證明依靠外行星資源生存是可行的。

人類還需要在火星上種植植物，因?yàn)橛詈絾T需要新鮮的水果和能夠使他們減少食用凍干食品數(shù)量的農(nóng)場(chǎng)。但是在另一個(gè)星球上種植是件棘手而且危險(xiǎn)的事情。美國(guó)專家泰伯·麥卡勒姆說：“沒有人希望宇航員依靠自己生產(chǎn)的食物生存。植物是挑剔的，如果宇航員出現(xiàn)錯(cuò)誤，它們可能會(huì)死亡?！痹诜治隽酥参锓N植的投入和產(chǎn)出，以及溫度控制和其他必需的系統(tǒng)和技術(shù)需求后，麥卡勒姆估計(jì)，要在火星上連續(xù)經(jīng)營(yíng)1 5年至2 0年的時(shí)間，才能從農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中得到與投入相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)出。

保護(hù)人類和星球

由于有外星生物存在的可能性，美國(guó)航空航天局和其他主要航天國(guó)家一致同意遵守嚴(yán)格的星球保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。1 9 6 9年，當(dāng)美國(guó)3名宇航員成功登陸月球并返回地球時(shí)，美國(guó)航空航天局將他們隔離了三周，以確保他們沒有帶來可能危害人類的可怕的太空病毒。這樣的工作重復(fù)進(jìn)行，直到1 9 7 1年完成第八次載人登月任務(wù)后，科學(xué)家才確信宇航員沒有從月球帶來危害。

雖然月球上沒有有害細(xì)菌，但火星是另外一種環(huán)境。在火星上存在生物的可能性確實(shí)很小，但并不為零，有證據(jù)證明火星可能曾經(jīng)具有孕育生命的能力。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(shí)，我們也應(yīng)該關(guān)注另外一個(gè)相反的問題。人類自身擁有微生物群落和真菌，而目前我們無法防止這些微生物和真菌隨人類登陸火星后對(duì)火星造成污染。我們需要提高能力來保護(hù)人類免受火星的影響，同時(shí)也需要使火星免受人類的危險(xiǎn)影響。為了遵守最嚴(yán)格的行星保護(hù)協(xié)議，最好的方法是在火星表面實(shí)施一些無人探索任務(wù)。人類可以在近地軌道或火星的衛(wèi)星上扎營(yíng)，實(shí)時(shí)遙控火星表面的探測(cè)器和其他機(jī)器人。這些機(jī)器人將檢查火星表面以獲取是否存在生物的證據(jù)，并且發(fā)現(xiàn)更安全的著陸點(diǎn)。未來的技術(shù)也將防止宇航員降落火星時(shí)帶來人類的污染。

火星的沙塵

干旱的火星環(huán)境產(chǎn)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耐用，否則容易被腐蝕。

盡量使宇航員不暴露在火星的沙塵環(huán)境中更加重要，因?yàn)榛鹦巧硥m被認(rèn)為是有毒的?！昂闷妗碧?hào)對(duì)火星土壤樣品進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，火星的土壤中含有高氯酸鹽。在地球供水系統(tǒng)中，高氯酸鹽是需要高度關(guān)注的化學(xué)物質(zhì)，可能導(dǎo)致人體甲狀腺疾病。

火星上的塵埃也可能含有致癌物質(zhì)，可能會(huì)使人體出現(xiàn)類似阿波羅宇航員患的月球花粉癥之類的過敏反應(yīng)或肺部疾病。載人火星計(jì)劃需要了解火星塵埃與人類棲息地的濕度，否則塵埃可能像堿液或漂白劑一樣傷害人體皮膚。目前，美國(guó)航空航天局以及S p a c e X 公司、I n s p i r a t i o nMars 公司都有火星登陸計(jì)劃，其中的一個(gè)將被選為最終計(jì)劃。

沒有人確切知道載人火星項(xiàng)目需要多少成本，估計(jì)高達(dá)數(shù)百億甚至數(shù)千億美元。這樣的項(xiàng)目似乎應(yīng)該通過國(guó)際合作來完成，這就需要參與國(guó)通過正式承諾的方式制定好一切事務(wù)。世界是復(fù)雜的，長(zhǎng)期的任務(wù)還要應(yīng)對(duì)政治變遷和經(jīng)濟(jì)衰退等因素。