人类登陆火星前的技术8个步骤

文章作者:lili | 2016-12-15
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虽然就在今天早些时候,本站报道了火星车好奇号犹如神助般找到了火星曾经存在生命的线索。但这并不意味着我们就可以马上去火星一探究竟了。正如本站一直强调的,技术上还不够成熟,而且对火星环境,地形等条件的监测还不到位,冒然前往,可能无功而返,甚至搭上一切。如俗话说的,路正不怕路远,会走了再去跑。

 

  随着奥巴马总统重申在20至30年内使人类到达火星的远大抱负,美国火星登陆计划终于揭开面纱。那么问题来了:怎样才能实现这一壮举呢?

  “这一明确而又重大的目标将开启美国航空航天史的新篇章:在本世纪30年代将人类送上火星,并安全返回,进一步实现在火星长期停留的最终目标。”美国现任总统奥巴马在10月11日的CNN专栏中写道。

  美国宇航局(NASA)已制定出火星旅行计划。乔治华盛顿大学(The George Washington University)太空政策研究所(the Space Policy Institute)的政治学与国际事务名誉教授John Logsdon表示,如果将期限宽裕到2030年底,上述计划是可以实现的。

  其他专家则认为奥巴马总统的时间限制过于苛刻。

  火星协会(The Mars Society,非营利性组织)主席、《登陆红色星球计划》(The Case for Mars: The Plan to Settle the Red Planet,Free Press,2011)的作者Robert Zubrin说到:“相比于1961年计划将人类送上月球却在八年后才实现目标的我们,今天的我们离火星登陆的目标更近。下一任总统理应制定20年代或2024年登陆计划,不然火星任务将失去动机,太空探索进程也将延缓。”

  无论如何,在宇航员整装待发之前,有些问题亟待科学家们解决。

  第一步:建立太空载人飞行技术

  目前美国依赖于俄罗斯联盟号飞船(Soyuz)将宇航员送至国际空间站。这一状况将有所改变。一些私营太空飞行器制造商正努力研制载人和载货系统:埃隆·马斯克(Elon Musk)的美国太空探索技术公司(SpaceX)致力于开发龙系(Dragon)运载火箭,波音公司也在研发它的CST-100系列火箭。据Logsdon介绍,马斯克说SpaceX的火星运载火箭将于2018年发射。(运载火箭是由火箭推动,将飞船和卫星送往太空的装置。)

  第二步:建造更大的太空飞船

  Bret Drake介绍,一次火星航行需要飞船能搭载多名宇航员、三年往返火星的供给以及部分货物。他是洛杉矶航空航天公司(Los Angeles-based Aerospace Corp。)的一位工程专家,该公司属于非营利性组织,致力于为联邦政府研究运载设备、卫星系统、地面控制系统及太空技术。

  Logsdon补充道:“将飞船上全体成员送上火星意味着飞船必须能够承受更大的载荷,因为需要考虑往返的燃料及物资供给。要知道火星上可没有7-11便利店为返程提供补给。”

  第一种策略是建造巨大的飞船;另一个是首先制造多个较小的模块分别发射,再在空间轨道上组装。(一些模块可载人,另一些用于运载供给。)无论如何,我们已经具备基本技术。Zubrin说:“虽然它比我们曾今建造的飞船大,但仍可以运用已有的科学技术。”

  目前,Lockheed Martin正在研发可运载四人的猎户座(Orion)飞船,将被安置于重型运载火箭——太空运载系统SLS(Space Launch System)的上方。NASA将运用它进行外太空探索。猎户座飞船已经与2014年12月5日成功完成首次试飞,将于2018年进行绕月飞行。

  第三步:建造更大的火箭

  大型飞船的深空运载系统需要搭载更大的火箭。NASA计划开展自制火箭的第二次测试,据NASA介绍,该火箭将成为世界最大火箭,并运用到SLS中。SpaceX也在研发Falcon重型火箭,旨在克服较重载荷(包括人类)。

  第四步:减速与着陆

  到达火星轨道后,就需要在这个红色星球上着陆。在以往任务中,摩擦、热效应和降落伞都可以为飞船减速。但对于重型飞船,降落伞的制动力显然不足。

  不过,科学家们在这个问题上取得了进展。例如SpaceX公司展示了用于高速飞船减速的超声波反向推进器,在着陆时借助发动机制动。Drake说:“我们已具备让大型飞船在火星表面着陆的可行方法。”

  第五步:解决空间站中长期居住问题

  宇航员已经成功实现在国际空间站(International Space Station)中航行数周和数月,说明了长期居住系统的可行性,它为宇航员提供安全用水,进行水处理,以及过滤空气。专家表示,类似的系统也可用于火星任务。

  然而,不同之处在于国际空间站位于近地轨道,离地球仅有数小时行程。若有损坏,地球即可展开援救。但在火星是不可能的,因为即使在地球与火星相离最近的情况下,到达火星最少需要6至9个月。

  Drake说:“生命维持系统改进的关键在于提高它的可靠度。对于火星任务,一但系统失效,既不能迅速返回地球,也无法完全恢复供给。因而生命维持系统在较长时间内(多年内)应具有可靠性,并保证宇航员能够维修维护。”

  第六步:避免致命的宇宙辐射

  参与火星任务的宇航员需要抵御两类辐射:太阳质子事件(或称太阳耀斑)和银河宇宙辐射。据Drake介绍,第一种辐射可以通过设置专门的太阳风遮挡设备来消除,比如由生命维持系统的给水系统构成的水墙。(它需要将水墙与饮用水和淋浴用水的供水系统相连。)

  银河宇宙射线的遮挡显然更加棘手。在外太空,宇宙辐射强度非常高。然而,Drake表示火星表面探测车好奇号(Curiosity)搭载的火星科学实验室(Mars Science Laboratory)观测到火星表面辐射照射水平和国际空间站上的观测水平相近。Logsdon解释说国际空间站所处的近地轨道位于两个甜甜圈状的地球范艾伦辐射带(Earth‘s Van Allen belts)下方,它们屏蔽了太阳释放的带电粒子和宇宙射线。

  Drake提出,可以采取在外太空快速航行的策略,尽量缩短暴露与高强辐射下的时间。他说:“在火星地表远比在外太空安全。”

  第七步:去月球演练

  根据NASA的火星之旅时间表,在正式开始航行之前,许多长期空间系统将在月地间轨道进行测试。在2018至2030年之间,NASA计划开展在月球附近太空行走的载人航天任务。部分任务或将持续一年,为火星登陆的壮举奠定基础。

  计划也包括了从某个小行星采样并改变其运动轨迹。

  Logsdon表示,这一计划将为火星任务的各个关节提供测试机会,且离地球较近,以防意外。

  第八步:在火星建造房屋

  即使到达火星,宇航员也不能立即返航。Logsdon说,到达火星的航行可能需要6至9个月,但只有等到火星和地球运行到相对太阳较一致的位置,才能返航。这样可能需要等待14个月。(为使航行距离较短,应在地球与火星处在太阳同侧而不是两侧时返航。)

  他还说道,某种意义上,火星任务的先驱就像16实际海上航行的探险家,远离祖国孤筏重洋。因而在火星建设永久性居所是值得的。

  Logdson补充道:“虽然这看上去很难实现,但宇航员的确需要一个家,而不是整天待在宇航服中。电影火星救援(The Martian)中就较真实地描绘出未来的火星住所。”

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