未來(lái)50年的宇宙之旅

王致誠(chéng)

在未來(lái)的50年，人類在征服宇宙的道路中將能取得多大成就?美國(guó)國(guó)家宇宙委員會(huì)(USNCC)對(duì)此進(jìn)行了大肚的預(yù)測(cè)。這個(gè)1985年3月由里根總統(tǒng)任命的USNCC經(jīng)過(guò)20多年的考察研究之后，最近向現(xiàn)任總統(tǒng)奧巴馬遞交了一份題為《2010-2060年開拓宇宙新邊疆》的報(bào)告，在這份200余頁(yè)的報(bào)告中，寫下了人類面向未來(lái)50年開拓宇宙的宏偉理想。

2015年啟用太空梯

美國(guó)國(guó)家宇宙委員會(huì)(USNCC)報(bào)告書的第一要點(diǎn)，是開發(fā)通往宇宙的、既安全又便宜的運(yùn)輸手段。2009年一家位于美國(guó)西雅圖的公司主動(dòng)挑起了制造太空梯的重?fù)?dān)。目前美國(guó)航空航天局的高級(jí)設(shè)計(jì)研究所已投資制造太空梯，全部資金大約需要70～100億美元。

從理論上講，太空梯并不神奇。在地球赤道的海面上建造一個(gè)平臺(tái)，用飛船放下一條長(zhǎng)達(dá)10萬(wàn)km的繩索，把它固定在平臺(tái)上，隨著地球一起旋轉(zhuǎn)，由于旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力剛好抵消了地球的吸引力，它便得到了一個(gè)向外的張力，于是，太空梯就從地球到太空之間豎立起來(lái)。它就像你在頭頂上甩動(dòng)一根一頭拴著小球的繩子一樣。然后，用一個(gè)由激光提供能量的爬升器在纜繩上上下移動(dòng)，運(yùn)送飛船、建筑材料甚至乘客。

科學(xué)家們?cè)O(shè)想，先把一個(gè)攜帶太空梯半成品的飛船或航天飛機(jī)發(fā)射到與地球同步的靜止衛(wèi)星所在的軌道上，使其和地球同步飛行。把這個(gè)半成品的太空梯從飛船上放下來(lái)，落到赤道海面上的平臺(tái)上。把半成品的太空梯固定在平臺(tái)上，然后，飛船就漂浮在上面。接著再用一個(gè)由激光束提供能量的爬升器在這個(gè)太空梯的半成品上上下移動(dòng)，把其他建造太空梯的纜繩擰在這個(gè)太空梯半成品上，進(jìn)一步建造太空梯，這大約要用兩年半的時(shí)間。這樣，太空梯才最后建成。

2020年開通宇宙公路

USNCC報(bào)告書上指出，開發(fā)通往宇宙既安全又便宜的另一運(yùn)輸手段是宇宙公路。即以地球?yàn)槌霭l(fā)點(diǎn)，把公路延伸到太空。目前這些公路的出入口僅限于美國(guó)的卡納維拉爾角和蘇聯(lián)的拜科努爾等幾個(gè)地點(diǎn)，而且費(fèi)用高得驚人。為了把太空置于人類的控制之下，必須開發(fā)更便宜的，從什么地方都能起飛的運(yùn)輸手段。

根據(jù)USNCC報(bào)告書預(yù)測(cè)，將在2020年實(shí)現(xiàn)在普通機(jī)場(chǎng)也能起飛的Zeus航空航天飛機(jī)，可采用改變動(dòng)作的方式飛行，即從起飛到速度達(dá)到4倍音速這一階段，采用吸收外部氣體并壓縮它的滑輪噴氣引擎；在高空速度從4倍音速增加到12倍音速期間，采用壓縮外部氣體速度能的超音速燃燒沖壓噴氣引擎；沖出大氣層后采用火箭引擎。這樣在不同的速度和高度，分別采用最佳的動(dòng)作方式，就能達(dá)到經(jīng)濟(jì)省能的效果。

這種Zeus航空航天飛機(jī)是未來(lái)專門用于運(yùn)送旅客的。為了把貨物運(yùn)往太空，還要開發(fā)兩級(jí)火箭式貨物運(yùn)輸機(jī)。這種貨物運(yùn)輸機(jī)采用無(wú)人駕駛的自動(dòng)方式，但其第二級(jí)軌道器也可以作為客機(jī)使用?；鸺娇蜋C(jī)在效率和費(fèi)用方面不如航空航天飛機(jī)，但技術(shù)困難少，因此US-NCC也把它作為一種方案提出來(lái)。

這種運(yùn)輸機(jī)像航天飛機(jī)那樣垂直起飛，但助推器(第一級(jí))也是有翼的，與主體分離后，可以滑翔返回發(fā)射場(chǎng)。現(xiàn)在航天飛機(jī)的運(yùn)輸費(fèi)用是1kg貨物9000美元，但將來(lái)兩級(jí)火箭式貨物運(yùn)輸機(jī)的費(fèi)用可以期待降到1kg貨物1000美元以下。

2030年建成月球賓館

USNCC報(bào)告書指出，月球太空港一旦建成，不僅是宇航員，科學(xué)家與許多技能工人也將陸續(xù)登月。與此同時(shí)，建造月球賓館，組團(tuán)登月旅行的計(jì)劃也在積極構(gòu)思中。一切順利的話，2030年，一座別開生面的月球賓館將在太空出現(xiàn)。

在月球上建造賓館，首先要考慮月球和地球環(huán)境的不同。理想位置宜選在晝夜溫差小、生活環(huán)境穩(wěn)定的地方，也就是建在太陽(yáng)西沉后仍是白天的地方。鑒于月球的地軸傾斜度為50，距月球兩極緯度5。的地方就不會(huì)有完全的黑夜，氣溫可穩(wěn)定在0℃左右；這樣的地區(qū)，月球上有14.4萬(wàn)km²，同時(shí)，考慮到距月球地表深93cm以下的地方受太陽(yáng)溫度變化影響少，因此月球賓館通常是考慮建在地下的。

初步設(shè)想利用月球的熔巖隧道建在地下的月球賓館，將建立一個(gè)維持生命的環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使空氣保持與地球相同的大氣壓，室溫控制在18℃～24℃之間。第一座月球賓館將設(shè)有200間客房和供客人用餐的餐廳、休息室等，賓館的墻面設(shè)有能看到賓館周圍和宇宙景色的銀幕，每個(gè)客房都設(shè)有浴室、廁所、電視和可視電話，并配有健身體育設(shè)施。在重力和加速度只有地球1/6的月球上，乒乓球和網(wǎng)球必須加重質(zhì)量，同時(shí)還應(yīng)在乒乓臺(tái)周圍和網(wǎng)球場(chǎng)上鋪滿有吸附力的地毯，人們的鞋底也裝有吸附器以增加引力。

據(jù)USNCC報(bào)告書的設(shè)計(jì)，月球上每人每天的用水量，按地球上用水量折半計(jì)算，計(jì)需16.8kg，大量用水必須在月球上用化學(xué)方法生產(chǎn)。排放的生活廢水可通過(guò)再生重新變?yōu)榧儍舻乃?。月球上所需的能源，每天人均?4kW，全部由太陽(yáng)能電池和燃料電池供應(yīng)。月球賓館所需的食品，計(jì)劃通過(guò)建立月球農(nóng)場(chǎng)和牧場(chǎng)來(lái)解決。農(nóng)場(chǎng)可栽培小麥、水稻、土豆、番茄等，在封閉式農(nóng)場(chǎng)的條件下，保持相當(dāng)于大氣中8倍濃度的二氧化碳，只需通常栽培植物的1/2時(shí)間，即可獲得3.8倍的收獲量。牧場(chǎng)也將飼養(yǎng)適應(yīng)月球環(huán)境的微型豬和雞、羅非魚、蝸牛等生物自給自足，屆時(shí)人類的登月折桂將不再是夢(mèng)想。2040年建立火星據(jù)點(diǎn)

USNCC的報(bào)告的第三要點(diǎn)，是把火星作為月球之后的開拓目標(biāo)?；鹦堑沫h(huán)境比月球更容易親近?；鹦怯邢喈?dāng)于地球1％的大氣(因此可以使用氣體制動(dòng)器)，同時(shí)也存在水。自轉(zhuǎn)周期是24 h37 min。也有四季的變化，表面重力是地球的38％。

USNCC報(bào)告指出，人類在火星建立實(shí)用型據(jù)點(diǎn)是在2040年后。在此之前，無(wú)人探測(cè)器將多次詳細(xì)調(diào)查火星表面、內(nèi)層以及空域狀況?；鹦腔剡h(yuǎn)比月球基地距離地球遠(yuǎn)，因此從一開始就要求自給自足。火星上若有緊急事態(tài)發(fā)生，救援隊(duì)從地球趕到火星也需要一年以上的時(shí)間。所以必須建立兩個(gè)火星基地，以便互相支援幫助。因此，火星基地不僅營(yíng)造在火星表面，而且要營(yíng)造在其衛(wèi)星幅波斯和德莫斯之上。這兩顆火衛(wèi)和小行星一樣，可能也含有很多有用的物資?，F(xiàn)行的假說(shuō)認(rèn)為這兩顆衛(wèi)星是被火星俘獲的小行星。

在火星衛(wèi)星的軌道上建設(shè)作為火星門戶的大空港?；鹦翘崭圻\(yùn)行在比衛(wèi)星福波斯更靠近火星的軌道上。如果從福波斯和德莫斯這兩顆衛(wèi)星上伸出索道，那么以最小的能量就能把來(lái)自地球的連絡(luò)船送到火星表面。飛往火星的聯(lián)絡(luò)船首先用空氣制動(dòng)器減速，進(jìn)入環(huán)繞火星的長(zhǎng)橢圓軌道；然后與德莫斯衛(wèi)星向上方伸出的索道對(duì)接，再沿索道而下，經(jīng)過(guò)德莫斯衛(wèi)星，到達(dá)下索道的末端；從這里放出，不用火箭逆噴射，就能進(jìn)入更低的軌道。聯(lián)絡(luò)船

在經(jīng)過(guò)福波斯衛(wèi)星時(shí)也采取同樣的操作，然后與火星太空港對(duì)接，或直接突入火星大氣。當(dāng)然，從火星返程的聯(lián)絡(luò)船，按照完全相反的過(guò)程，經(jīng)火星太空港、福波斯、德莫斯飛向地球。

根據(jù)USNCC報(bào)告書的預(yù)測(cè)，在火星建筑初期基地是在2030-2040年，火星太空港的建設(shè)也在同時(shí)進(jìn)行。至于真正的火星基地建設(shè)，恐怕要到21世紀(jì)50年代初才能開始。

2050年建成宇宙退回航母

USNCC報(bào)告認(rèn)為：50年后到月球去旅行，也許就像50年前乘飛機(jī)到國(guó)外一樣容易，但是飛往火星則決非易事，因?yàn)榈交鹦侨ヂ眯?，旅途就需?～7個(gè)月以上的時(shí)間。為此，開發(fā)宇宙巡回航母成為USNCC報(bào)告的第四要點(diǎn)。

據(jù)USNCC報(bào)告，從地／月系統(tǒng)到外太空的出發(fā)點(diǎn)是Pull-1太空港。在兩個(gè)天體周圍存在著5個(gè)引力均衡點(diǎn)，由于是法國(guó)數(shù)學(xué)家拉格朗日首先發(fā)現(xiàn)的，所以取名為拉格朗日點(diǎn)：其中3個(gè)(Pull-1、Pull-2、Pull-3)在連結(jié)兩個(gè)天體的直線上，另外2個(gè)(Pull-4、Pull-5)分別與兩個(gè)天體連結(jié)能形成等邊三角形。之所以選擇拉格朗日點(diǎn)作為飛往外太空的出發(fā)點(diǎn)，是因?yàn)閺倪@里出發(fā)，所需的脫離速度極小，最為節(jié)省能源。Pull-1太空港的建設(shè)將遲于地球太空港和火星太空港，大約要在2040年-2050年。

作為連結(jié)月球和火星的交通手段，USNCC報(bào)告提出開發(fā)宇宙巡回航母的獨(dú)特設(shè)想，這是跨越地球和火星的軌道，環(huán)繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的宇宙船。根據(jù)以往的概念，火星宇宙飛船首先在地球附近加速，轉(zhuǎn)移到環(huán)繞太陽(yáng)的軌道，到達(dá)火星附近再減速，轉(zhuǎn)移到環(huán)繞火星的軌道。這樣每一單程都要加速和減速，徒然浪費(fèi)能量。宇宙巡回航母不需要加速或減速，僅在地球和火星附近通過(guò)。為到達(dá)目的地，先用聯(lián)絡(luò)船移乘宇宙巡回航母，再在適當(dāng)時(shí)換乘聯(lián)絡(luò)船，降落在目的星。如果選擇合適的軌道，那么宇宙巡回航母就可以以幾乎相同的機(jī)遇接近地球和火星。

乘坐宇宙巡回航母的旅行需幾個(gè)月的時(shí)間，因此船內(nèi)的設(shè)施就像遠(yuǎn)洋客船那樣復(fù)雜。船內(nèi)建立人造生態(tài)系統(tǒng)，再生氧氣和水，并栽培植物，因此糧食的一部分可以自給。而且，宇宙巡回航母必須能自給自足地航行幾年，因?yàn)槿f(wàn)一接近火星的移乘和補(bǔ)給失敗，那么到下一次接近都要單獨(dú)航行。

宇宙巡回航母以自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生人造引力，防止乘員身體變?nèi)?。改變旋轉(zhuǎn)速度，人造引力的強(qiáng)度也會(huì)隨之改變。從地球飛向火星，先產(chǎn)生與地球相同的人造引力1G，到達(dá)火星附近時(shí)降為0.38G。這樣，乘員可在航行過(guò)程中與目的地的引力相適應(yīng)。從火星返回地球時(shí)，人造引力再逐漸提高。