我们如何离开火星?

文章作者:外星探索网 | 2016-01-07
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美国航空航天局的工程师观察火星时,看到的就好像一株行星大小的捕蝇草。它用科学发现诱惑着我们,但一旦我们踏上那个星球,重力和恶劣的气候就会合力把我们困在那儿。

    而这是不可以发生的。如果说电影《火星救援》给了现实的宇宙探索什么教训的话,那就是民众不会支持花费数十亿美元,却只能把宇航员困在另一个世界的计划。可以说美国航空航天局有关这个红色星球的探测计划中最关键的部分就是如何离开那儿。

    美国航空航天局要建造可以完成离开任务的宇宙飞船——火箭升空器。这将是一项艰巨的工程,如果升空器载满燃料,就会因过重而无法从地球上起飞,也无法在火星上安全着陆。

    因此,这就需要提前组装升空器并在宇航员到达火星前几年就将其发射到那个红色星球,这样它就可以在那儿通过挤压稀薄的火星大气来制造自己的燃料了。

    然后呢?火箭升空器必须建造得十分坚固,在巨大的尘暴侵袭和强紫外线辐射下,仍然可以正常运转。当这个拥挤狭小的升空器最终从火星离开时,它需要维持宇航员数日的生活,直到与轨道飞船交会成功。

    火箭升空器的研发是重中之重,它要将一艘载人飞船从外星球发射进入运行轨道,而且机会只有一次。

    承载所有物资

    火星任务将是人类历史上的首次外层空间之旅,需要五艘独立的宇宙飞船运送宇航员和所需物资到那个红色星球上。

    美国航空航天局的工程师面临严峻的考验,要使火箭升空器在那个红色星球上安全着陆,并在那儿自行制造燃料以便运送宇航员返回地球。

    在登陆火星的任务中,一些物资会破裂成小部件,宇航员登陆后需要将其重新组装。

    而火箭升空器却不能这样。美国航空航天局约翰逊航天中心的系统工程师米歇尔·洛克说:“在尘土漫天的火星上,你穿着太空服,戴着连指手套,在这样的情况下你是不会想去安装引擎的。”

    按照美国航空航天局的话来说,约18吨的重量使得火箭升空器成为这次任务中“最大的不可分割的负载物”。迄今,我们送往火星的最重物体是重1吨的“好奇”号火星探测器。

    物体在火星上着陆不像在地球上那么容易,尤其是重达几吨的物体。太空舱从天空降落到地球上时,可以借助大气层的摩擦力减小其降落速度。

我们如何离开火星
                                                                     电影《火星救援》海报

    而火星上的空气密度仅为地球的百分之一。洛克说:“这些大气只够让人们感到烦恼,却不足以做任何有用的事情。”或者可以这么说,这些空气可以让你燃烧起来,却没办法帮你降低速度。

    这就是为什么美国航空航天局着力研发新技术,比如极超音速充气式空气动力减速器(这是一种巨型锥状充气式防热罩,也可以用作制动系统)的原因。进入火星大气层时防热罩就会展开,使着陆器的速度从极超音速降到超音速,同时利用火箭引擎实施可控着陆。

    马克·沃特尼做了这样的计算:升空器在着陆过程中将燃烧5吨至7吨的推进燃料,而从火星起飞时将需要燃烧33吨燃料以摆脱这个红色星球的引力,穿过其大气层将宇航员和科学物资安全送入预定轨道,在那儿与地球返回器实施对接。

    由于需要提前运送的东西太多,助推燃料就必须在火星上制造。

    活着离开

    火星探测队要想成功,他们必须活着离开这个星球。

    如果可以在火星上制造燃料,美国航空航天局就可以减少几吨的初始重量。而且第一次任务结束后,设备还可以留在火星上继续制造燃料,为将来的探测者制造空气和水。

    火箭升空器的引擎以甲烷和液态氧为动力。制成这种燃料需要的所有成分——碳、氢和氧气——都可以在火星上找到,前提是你要知道从哪里找。

    理论上,氧气可以从火星大气层中提取,在火星大气层中,95%是二氧化碳;也可以从地表以下的水中提取。同时产生的碳和氢还可以用来合成液态甲烷。

    然而,钻探水源无疑给本就困难重重的任务又增加了一个令人烦恼的不确定性因素。

    挖掘和加工处理比简单地从火星大气中提取要复杂得多。洛克说:“用地下水生产燃料的另一个问题是,它会迫使你只能在你非常确信有水的地方着陆。”如果在深挖后发现你着陆的地方是岩床,那么所有赌注就都落空了。

    如果无法从火星的水中提取氢气,那么就只能将氢气运送到火星上。但是,对一个初始任务来说,这一想法是行不通的。尽管氢气的质量不大,但需要很大的储罐来存储,这会占用大量宝贵的空间。

    “我们已经设计好一种着陆器,它的顶部有一个平板的甲板,”美国航空航天局马歇尔太空飞行中心的航空工程师塔拉·普尔斯格罗夫说道,“截至目前,火箭升空器已占据了甲板的大部分空间,已经没有足够的空间来存放氢气罐了。”

    美国航空航天局的工程师可以将火箭升空器加高来容纳氢气罐,但是,增加宇宙飞船的高度是他们要尽量避免的方案。如果推进器太高,着陆后翻倒的风险就会更大。

    而且,过高的火箭升空器会给宇航员带来难以承受的物理压力。在执行任务的过程中,他们最不想做的事情就是爬高高的梯子。因此,需要优先考虑便捷性。

    照此来看,目前的计划是发射一个火箭升空器,它满载液态甲烷,配备有一个化工厂,这个化工厂可以利用火星大气来制造液态氧。

    这个过程预计花费一两年的时间。当火箭升空器的燃料罐装满时,宇航员就会被送往火星。知道有一艘装满燃料的升空器在等待着将他们送回地球,会使他们觉得很安心。

    但是,美国航空航天局的工程师还不能准备任何“任务已完成”的标语横幅。“挑战之一就是我们采用的是低温推进剂,”洛克说,“一旦将推进剂送往火星,在我们真正使用它之前,要想办法在几年中使它保持冷冻状态而不被蒸发掉。”

    “我们已经研发出了推进剂,但目前还没有零泄漏的阀门。”普尔斯格罗夫补充道,“你应该已经想到了,这就是为什么我们要优先在低泄漏阀门领域做技术研发的原因。”

    说得更广泛一些,工程师担心时间是个大问题。火箭升空器需要一两年的时间来制造燃料,之后宇航员需要200天至350天的时间到达火星,再加上他们在那个红色星球上的探测,一共多达500天。

    所有因素加在一起,意味着火箭升空器在登陆后,必须要在长达4年的时间之后依然可以正常运行并且起飞。“那可是在火星环境中。”洛克说,“暴露在尘埃之中,还要接受强紫外线的辐射。想象一下你的家具暴露在外面那么长时间会变成什么样子!那还是在地球上,家具得到的保护比在火星上强得多。”

    穿好!

    在设计火箭升空器时工程师需要考虑众多问题,其中最重要的一个就是:宇航员穿什么?

    “你应该看过关于宇宙空间站的图片,”洛克说,“他们都穿着短裤和T恤衫来回走动。当你在一个大型飞行器里保持平稳飞行时,你可以离开座位活动。但在处于上升过程的飞行器里,你不能去任何别的地方,最好还是穿一件宇航服。”

    但是,该穿什么样的宇航服呢?宇航员探测火星表面时穿的那种舱外宇航服太笨重。

    如果宇航员穿着这样的衣服登上火箭升空器,工程师就必须扩大其舱容了。另外,附着在宇航服上的火星尘埃也是一个问题。在没有合适的行星保护协议的情况下,这类物质是不可以由宇航员带回地球的。

    洛克认为,最好的解决方法是把笨重的宇航服留在火星,未来的探测队可以作为零件进行回收。而宇航员离开时穿舱内活动服,即航天飞机机组人员在航天器发射和再入机舱时所穿的那种膨大的橙色装备。

    舱内活动服更加轻便灵活,因为限制此类装备暴露到户外火星环境中,因而也可以保证无尘状态。宇航员离开居住舱通过对接口进入探测器,在这里,他们可以换上干净利落的舱内服,并通过一条特殊设计的密封通道进入火箭升空器。

    运送一个密封通道到火星有一个缺点,即增加了一次性设备的重量,但洛克认为这个通道或许会有别的用处。

    “我认为加上它会很酷,”洛克说,“现在你可以带几个小型居住舱,并用这个密封通道把它们连接起来……增加新的元素总是有问题的,但如果这个新元素可以解决多个问题,它就可能成为一个优势。”

    返航

    最后,是该离开的时候了。

    火箭升空器的内部会被简化到最小的重量。这是一辆单程太空出租车,并不是一个居住舱。事实上,工程师都不一定会设计座位。在这种情况下,宇航员必须要能承受整个行程。

    火箭助力升空将持续7分钟,但行程并没有到此结束。宇航员需要燃烧更多的燃料以操控升空器进入预定轨道,与地球返回舱对接。

    假设地球返回舱停在距离火星一个火星日的轨道里(那是一种椭圆形轨道,位于火星表面250千米至33700千米的高度上),就意味着宇航员要在这个上升的升空器里待长达43小时。洛克说,这仍是一个没有解决的问题。

    “对空间推进站的工作人员来说,他们想让那个又大又宽敞的中转站停在尽可能高的位置上,”洛克说,“他们不想下降到火星的重力井中。他们很想待在距离火星3个至5个火星日的位置上,让升空器来与他们对接。如果这样,在火箭升空器上待的时间会增加,就需要额外的设备。”

    “你穿着宇航服,不喝热汤不洗澡或许可以坚持43小时,但如果要撑到3天、5天或者7天,就必须把所有这些东西都加进来,这就必须扩大升空器的尺寸。”

    一旦对接成功,所有舱内人员和物资会被转移到宇宙飞船中,并随飞船回到地球。而火箭升空器会与之分离并执行最后一项处理任务,那就是将自己送入一个预定轨道,以便不干扰未来的火星探测任务。这是一个小小的宇宙飞船的卑微结局,但它在人类历史进程中将起到至关重要的作用。

 

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