载人登陆火星之路不平坦

时间:20-09-14 栏目:天文科学 作者:wenkula 评论:0 点击: 26 次



载人登陆火星之路不平坦


载人登陆火星之路不平坦


据《自然与科技》:近来,载人探测或登陆火星的新闻闹得沸沸扬扬,主要原因有三:一是今年年初,荷兰“火星一号”基金团队宣布开始在全球海选参与移民火星项目的志愿者,尤其是4月22日还来到上海招募永久定居者,据悉,现有5万多名志愿者参选,其中包括600多名中国人;二是4月22日,美国“灵感火星”基金团队也开始招募飞往火星的志愿者,它由美国亿万富翁、世界首位太空游客丹尼斯·提托资助,现有超过上万人报名;三是5月6日,美国航空航天局召开新闻发布会,公布了令人瞩目的载人登陆火星计划,该局局长博尔顿在发布会现场演讲时表示,美国航空航天局期望在2030年前后实现这一计划。


那么,为什么载人登陆火星一下受到如此青睐?私营公司或民间基金会真能完成载人登陆火星的壮举吗?载人登陆火星需攻克哪些技术难关?


三大主要目的


20世纪,人类实现了载人登陆月球;21世纪,人类最重要、最复杂的航天项目就是载人登火星,其主要目的有三:


一是寻找地外生命,从而深入研究生命、地球乃至宇宙起源和演化,以及人类在宇宙中的地位和最终的命运。因为科学家通过长期的天文观测和空间探测已经确定,火星是与地球最为相似、且距离地球最近的行星,所以探测火星生命的起源和演化可促进地球生命的起源和演化的研究。


二是大量迹象表明,火星以前很可能与目前的地球一样,只是经过几十亿年的演化才变成大气层稀薄、温度较低、水源枯竭等今天这个样子;而另一颗离地球很近的行星——金星正好与之相反。所以,不少天文学家推断,火星是地球的未来,金星是地球的过去。因此,载人探测或登陆火星可研究地球的演变,防止它变成人类难以生存的第二个火星。


三是载人探火星可能解决地球上存在的一些难以解决的问题。例如,到2050年,全球人口总数将从现在的68亿增长到90多亿,因此有些科学家已经开始研究向外空移民的方案了。由于火星与地球最为相似,所以很多科学家认为可先把火星改造成适合人类居住的第二个人类家园,在地球人口超过110亿以上时向火星移民。许多人认为这不是天方夜谭,因为类似载人登月等许多过去可望不可即的神话和幻想,如今有不少都变成了现实。


由此可见,载人探测或登陆火星对人类的未来具有深远意义,所以,一些航天大国很早就开始考虑载人登火星的问题,但由于技术、经费等多种原因,一直没能实施。进入21世纪后,载人航天技术和各国经济发展有了长足的进步,大大增加了实现载人登陆火星的可行性,所以人们又开始关注载人登陆火星这一宏大目标,它已成为全人类的共同梦想。不过,一些私营公司也借此机会进行商业活动。


多次纸上谈兵


在载人登陆火星的方案研究方面美国最为积极,先后出台过四个比较有影响的方案。


1952年,美国火箭专家冯·布劳恩提出了“火星舰队”方案,即发射10艘载人火星飞船,将至少50名航天员送到火星上去,但那时连卫星都没有发射过,所以该方案也就不了了之了。


1987年,美国航空航天局组织一个空间委员会,提出了“90天研究报告” 方案,建议耗资4500亿美元,建造1000吨重的载人火星飞船,它可乘7至8名航天员。由于费用高昂,该方案当即就被美国国会否决了。


20世界90年代初,美国火星学会提出了“火星直航”方案,它采用就地取材,利用火星大气生产火箭推进剂,耗资只有200〜300亿美元,能将4名航天员送到火星表面。该方案也没被采纳,可能是当时美国正全力研制“国际空间站”,且就地取材的技术难度太大。


1997年,美国航空航天局火星探测研究组又提出了“参考飞行”方案。它是“90天报告”和“火星直航”方案的一个折中方案。不过,该方案仍没有被采纳,原因不详。


由此可见,载人登火星十分不容易,就连早在1969年7月就进行过首次载人登月的美国至今也没能把人送到火星上去。


当然,荷兰火星一号和美国灵感火星的方案比美国政府的载人登火星方案似乎容易得多,因为前者是“单程车票”,飞行时间少一半,所以载人火星飞船所携带的生活物资可以大大减少,失重等带来的影响也小许多,并且不需要费用高昂、技术复杂的返回装置;后者由于不在火星表面着陆,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术的复杂性。但是,这两家基金会要想探测或登陆火星仍然困难重重,相比而言,后者的可行性稍好些,但也极低。


当年,美国为了登陆离地球约38万公里的月球,曾耗资255亿美元(相当于现在的1000亿美元),在工程高峰时期,参加工程的有2万家企业、200多所大学和80多个科研机构,总人数超过30万,奋斗了8年。而火星离地球的最近距离为5000万公里,最远达约4亿公里,仅单程飞往火星的时间就达250天左右(单程飞往月球的时间只需4〜5天),所以去火星会带来一系列严峻的技术挑战,即使在现在也非常不易。那么,载人登火星到底有多难呢?


技术难之又难


在当今,不要说载人登陆火星了,就是进行无人探测火星也充满了风险。目前,全球一共发射了约43个火星探测器,只有26个获得成功,成功率约60%,所以火星被称为“航天器坟场”。因此,要进行载人探测或登陆火星就更难了,必须克服千难万险才行。例如:


首先要研制出重型运载火箭。冷战时期,美苏曾在载人登月领域开展过激烈的竞争,苏联之所以最后败北,就是因为发射其载人登月飞船的N1重型运载火箭四次发射失败;而美国用近地轨道运载能力达127吨的土星5号重型火箭,多次成功发射质量大于45吨的“阿波罗”载人登月飞船。载人火星飞船的质量必然大于载人月球飞船,所以首先需要研制出比土星5号火箭推力还大的重型火箭才行。当然,也可采用新的方法:研制近地轨道运载能力60吨左右的火箭,用它分批发射载人火星飞船的舱段,到近地轨道交会对接成完整的载人火星飞船,从而降低重型火箭的成本和技术难度。但这会增加载人火星飞船的成本和技术难度,因此对接次数也不能太多,否则会影响可靠性。


现在,美国私营的太空探索技术公司正研制近地轨道运载能力达53吨的“重型猎鹰”火箭,还拟研制近地轨道运载能力达170吨的“超级载重火箭”。美国航空航天局则正在研制“航天发射系统”重型运载火箭,其初始近地轨道运载能力为70吨,改进后将达到130吨。


二是要研制出载人火星飞船。目前,人类只研制出绕着地球运行的卫星式飞船和飞往月球的登月式飞船,但还没有打造出载人登陆火星的星际式飞船,因为它的技术难度和成本大大高于前两者。由于路途遥远,来往火星至少要520天,因此,飞船要解决人身保护和空气、饮食供应等许多难点。航天员在来往火星的过程中,会受到太阳风暴和宇宙辐射的影响,这就需要加强太空天气预报能力和改进各种防护设备。同时,在途中和到达火星后,都需要保证航天员的氧气、饮水和食品的供应。目前能够想到的方法有三:一是由地面带过去,包括先用货运飞船把生活用品发到预定着陆地点;二是采用再生式生命保障系统,对航天员的尿液、汗液、呼出的二氧化碳进行回收处理,循环使用,并在舱内种植能放出氧气、吸收二氧化碳的蔬菜,以减少地面运输的压力;三是就地取材,生产航天员生活和工作所需物资,包括分解火星大气,使用3D打印机生产火星飞船的零部件等。另外,还需为火星飞船长途航行提供可靠的动力。


三是飞船在火星着陆过程中和着陆后的生活、工作保障。飞船在火星着陆时要经历“恐怖的7分钟”,好在火星有大气,可以利用降落伞减速。着陆后首先要解决能源供应,因为火星比地球离太阳远得多,靠太阳电池供电难以满足需求,而且火星的沙尘暴是地球12级台风的几倍,持续时间达几个月,容易覆盖太阳电池而严重影响其工作,所以要考虑用核电源,但还要保证航天员的安全性。火星沙尘暴对火星着陆器和舱外火星服密封性、可靠性也是一个考验。另外,火星上的温度比地球低许多,这对火星着陆器温度控制系统提出了很高的要求,当然,这也涉及着陆地点的选择,如果把着陆器停在洞窟里,就能冬暖夏凉并防宇宙辐射;也可用火星土壤覆盖着陆器。火星引力是地球的约1/3,在地球轨道使用的舱外航天服(120公斤)以及月球航天服(引力为地球的1/6)都无法在火星上使用,所以必须研制出功能强、质量轻的火星航天服。从火星返回地球更为不易,因为火星引力较大,火星着陆器的上升级必须有较大的推力才行;火星飞船返回地球时的速度也比登月飞船快得多,所以难度大增,要严格控制进入地球轨道的角度和速度及时机,否则不是掠过地球就是坠毁在地球上。


四是人体适应新的环境问题。在飞往火星途中和到达火星后,航天员长期处于微重力和低重力状态,会出现肌肉松弛或骨质变轻等太空综合征,而飞船中能活动的空间又很小,使这一问题变得更加严峻,并会对心理产生重大影响。到达火星后,与地球差异很大的火星环境对人体也是个挑战和考验。为此,俄罗斯、欧洲和中国的6名志愿者在2010〜2011年开展了“火星-500”实验,主要探索人类登陆火星过程中所能够耐受的一切,尤其是心理和物质保障方面的问题。


五是要解决通信延时带来的困难。由于地球与火星距离遥远,无线电信号单程传输需要20分钟左右,故航天员无法获得地球控制中心的及时帮助,必须依靠飞船的自动控制设备和航天员的知识、经验来解决遇到的问题。在火星着陆后,还需要保证与地球的正常通信联系。


几种解决办法


对于飞往火星途中因长期失重而引起的航天员肌肉萎缩、骨质脱钙等一系列问题,目前的主要对抗措施有两个,一是吃药,二是体育锻炼。不过,目前在太空中进行的锻炼效果并不太好,所以还在进行新的探索。克服失重不利影响的最好办法就是用人工的办法产生重力,但是由于技术上的困难,目前在航天中还无法采用人工重力作为防护措施。为了研究防止失重引起骨质丧失的好方法,航天医学家们正在继续努力,希望在人类进入火星前解决此问题。


有不少专家认为,载人登陆火星最大的困难之一是宇宙辐射。人在地球上生活时,由于地球磁场有屏蔽作用,所以能把银河宇宙辐射的强度降低70%〜90%。人即使在地球近地轨道上飞行,所乘坐的载人航天器也能受地球磁场的屏蔽作用,使航天员受到的辐射剂量较低。但在行星际空间飞行的载人火星飞船则要受到大剂量宇宙辐射,如果不加防护装置,航天员所受的辐射剂量可高达几百拉德(辐射吸收剂量的专用单位,符号为rad。1克物质吸收0.00001焦耳的能量时,吸收剂量为1拉德)。宇宙射线中的高能质子可穿透宇宙飞船照射到人体,击中人体后能引起组织器官的严重损伤,杀死人体细胞或改变人体内的DNA,降低人的免疫能力,导致航天员终身不育,增加癌症的发病率。现有两个解决方案,一是加厚火星飞船的舱壁,这种被动物理屏蔽方式的最大缺点是飞船质量太大,给发射带来巨大困难;二是采用主动物理屏蔽的方式,即在火星飞船四周产生人工强磁场,使射向火星飞船的辐射粒子偏离,其缺点是技术十分复杂,目前极难实现。所以,对于防辐射屏蔽技术还需进一步攻关。


火星航天员的选拔也是个难题,因为火星荒无人烟、环境恶劣,连细菌都难以生存,所面临的风险是常人难以想象的。有人说,在未来的载人火星飞行中,任务成败的关键不在于能不能设计出可安全飞往火星的飞船,而在于能不能选拔和训练出能够完成这项任务的航天员。就目前的技术水平而言,航天员到火星一个来回至少需要约520天,在这样长的时间里待在一个狭小的环境中,对于火星航天员的生理和心理等来说都是极为严峻的挑战,尤其是心理。火星航天员能不能保持正常和稳定的心理状态将火星旅行坚持到底,取决于航天员的心理素质。创造在太空连续飞行438天的俄罗斯航天员波利亚科夫说,他的航天经历证明人能在太空长期飞行。他感觉克服心理困难比克服生理困难还难,如果他到火星去一定要与妻子同行。


研究表明,去火星必须是由4或6人等偶数组成的乘员组,以免交谈中孤立出一人来。如果火星乘员组是由4人组成,其中一名是有驾驶航空器或航天器经验的驾驶员,一名是懂心理、妇科、牙科等的全科医生,一名是会修理飞船的全能工程师,还有一名是懂气候、地址的全才科学家。如果由6人组成,则其中应该有2名工程师航天员和2名科学家航天员。另外,男女混合编队比清一色的男性航天机组更有利于长期火星任务的完成,在这里最重要的是团队精神。


因为飞行时间很长,所以火星航天员的选拔和训练注重的是心理素质,其次才是身体素质和知识水平。心理选拔的任务首先是在候选人中排除那些人格有缺陷和集体主义观念淡薄的人;同时发现那些不仅人格正常,而且善于团结同事、关心集体、助人为乐、心胸开阔、善于幽默和乐观自信的人。其次是评定候选人在长期的与世隔绝的火星旅行中,能不能身心健康、坚持到底,能不能始终保持良好的心态和旺盛的工作热情。三是在长时间完成单调和重复性的工作之后,还能不能对突然发生的各种紧急情况及时做出快速反应。


要胜利完成载人火星飞行任务,主要是靠集体的智慧和力量,而不是靠个人的天赋和才干。因此有没有集体主义思想是一个非常重要的选拔条件。


最有效的方案


从上述不难看出,私营公司的“火星一号”和“灵感火星”对激发人类的太空探索精神有一定推动作用,但实施的可行性不大。私营公司适合从事把已成熟的航天技术商业化。


即使是举全国之力实施载人登陆火星,难度也很大,最有效的办法是有两个:一是像建造“国际空间站”那样开展国际合作,举全球之力,从而减少资金、技术等方面的压力,发挥各国的特长;二是缩短载人火星飞船抵达火星的时间,这样就可以规避长期太空飞行带来的生命保障、宇宙辐射、失重低重、心理生理、燃料备件等一系列问题。


美国曾计划研制名为“普罗米修斯”的核动力载人火星飞船,它的飞行速度为87000公里/小时,是目前载人飞船速度的3倍,用2个月的时间就能到达火星。不过,当时的核动力火星飞船方案存在巨大安全隐患,它使航天员所受的辐射量相当于每天做8次X光胸透,所以下马了。不过,随着技术的发展,美国、俄罗斯现在又重启核动力载人火星飞船的研制,使它不会对航天员的身体健康产生不利影响,还能在1〜2月之内抵达火星。


前美籍华裔航天员张福林正在研制全功率可变比冲磁等离子火箭,如果成功,用它作为载人火星飞船的动力装置可大大缩短人从地球前往火星所需的时间,仅用39天就能抵达火星。但该技术何时能问世现在还不得而知。


美国还计划先在2020〜2025年登陆小行星,然后把它作为载人登陆火星的中转站,从而能利用小行星上的水供航天员使用,并把水分解成氢和氧为火星飞船加注燃料。


总之,从目前人类达到的科技水平来看,载人登陆火星的所有难题都是可以逐步解决的,关键是需要投入大量资金并众多专家的集体智慧来攻关。据一项调查表明,2013年3月1000多位美国受调者民意投票显示,71%受调者希望2033年美国派遣航天员登陆火星;75%受调者表示美国航空航天局财政预算应当翻倍,达到联邦预算的1%。当前,美国航空航天局的财政预算仅占美国联邦预算的0.5%,相比之下20世纪60年代“阿波罗”载人登月工程的时代,美国航空航天局的财政预算占联邦预算的4%。


俄罗斯、欧洲和日本都曾抛出过载人登陆火星计划,目前还在研究相关方案。我国专家建议,我国在2025年—2030年实施载人登月,2050年实施载人登火星。


至于把火星改造成人类第二个家园,然后向火星移民的方案目前也有不少,但就目前的技术发展水平和速度而言,可能要等到800年以后。(作者:庞之浩 中国空间技术研究所)(神秘的地球uux.cn)



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