載人火星之旅新藍圖

策劃 本刊編輯部 編譯 汪琳 魏明 劉聲遠

載人火星之旅新藍圖

策劃 本刊編輯部 編譯 汪琳 魏明 劉聲遠

2010年6月，6名男性志愿者進入一個模擬密封艙，開始為期約一年半（共520天）的與世隔絕的生活，以此模擬名為“火星500”的載人往返火星的全程任務(wù)。這一模擬火星之旅引起廣泛關(guān)注?？茖W家說，真正的載人火星之旅至少還要等20到25年才能成行，但在新技術(shù)的幫助下，它一定能夠?qū)崿F(xiàn)。

① 模擬去火星

載人火星之旅是一定能實現(xiàn)的，這只是一個時間問題。不過，在成行之前，我們必須做好一切準備。下面介紹的最新模擬任務(wù)只不過是千頭萬緒中的一個必須進行的準備環(huán)節(jié)而已。201

模擬密封艙艙門關(guān)閉

0年6月3日，6名男性志愿者進入俄羅斯的一個模擬飛船密封艙，開始為期約一年半（共520天）的與世隔絕的生活，以此模擬一次名為“火星500”的載人往返火星的全程任務(wù)。

這6名志愿者是從1000名申請者中間挑選出來的，其中一名來自中國、一名來自意大利、一名來自法國、三名來自俄羅斯。模擬密封艙位于莫斯科生物醫(yī)學問題研究院內(nèi)，看起來就像是來自科幻小說中、由四個內(nèi)部連通、沒有窗戶的圓柱形艙構(gòu)成，其內(nèi)部的總體空間為550立方米。這次任務(wù)引起國際科學界廣泛關(guān)注。當志愿者們進入模擬密封艙之際，一些到場參觀者打趣地祝愿他們“2011年新年快樂”。志愿者進入模擬密封艙后，厚重的鐵艙門被關(guān)閉。

就像一次真正的火星任務(wù)一樣，這個6人“機組”食用與宇航員在空間站上食用的一樣的食物，并且有嚴格的食品配額。他們呼吸經(jīng)過回收的空氣，還將在“飛船”上自行種植蔬果。此外，他們與“飛船”外部只能以電子郵件的方式進行聯(lián)系，并且按照火星之旅的要求有多達40分鐘的遲延。模擬密封艙的鐵門直到實驗結(jié)束才會打開，不過，在此期間要是有“宇航員”意外“死亡”，其“尸體”將被推出“飛船”，此時艙門也會打開。

“飛船船長”在進入模擬密封艙時才新婚幾個星期，主辦方和志愿者想通過這一點來考察參加真正的火星之旅的宇航員是否能經(jīng)受住長時間的情感煎熬。這次模擬實驗之所以只選擇男性志愿者參加，也是考慮到避免情感糾葛影響初期的載人火星之旅。

在模擬密封艙里的漫長日子被分成每天3個8小時，分別為睡眠、工作和休閑。艙里有書籍、語言學習資料和3D視頻游戲。有“宇航員”攜帶吉他進入“飛船”，假如真正的火星飛船上有相似的東西，那么宇航員們或許不會感覺飛船上的日子難捱。

志愿者們進入模擬密封艙之前

左圖：模擬密封艙溫室內(nèi)栽培植物

右圖：“機組”人員在模擬密封艙內(nèi)用餐

在520天的任務(wù)期里，有3名“宇航員”將間或離開“母船”，進入一個模擬火星登陸器的特殊艙。與此同時，另外兩名“宇航員”將在一個沙坑中模擬太空漫步，屆時他們將戴上3D眼鏡以幫助誘導(dǎo)在火星表面行走的感覺。

按照目前可行的技術(shù)，在一次火星任務(wù)中，前往火星需費時250天，在火星表面待30天，從火星返回地球需240天，加起來就是520天。這次模擬實驗當然不可能模擬真實火星任務(wù)的方方面面，例如無法模擬恐懼感——“此行恐怕會一去不復(fù)返”的感覺。與真實的太空飛行不同的還有，模擬實驗中志愿者們將不會面臨長期失重和宇宙中離子化輻射的威脅。

此前，莫斯科生物醫(yī)學問題研究院已進行過兩次類似的實驗，其中一次持續(xù)了14天，另一次持續(xù)了105天。科學家估計，真實的載人火星之旅至少還要等20到25年才能成行，但載人火星之旅是一定能實現(xiàn)的，這只是一個時間問題。而在成行之前，做好一切準備是必須的，此次最新模擬只不過是千頭萬緒中的一個準備環(huán)節(jié)而已，但又是必須進行的環(huán)節(jié)之一。

② 奔向火星

火星先驅(qū)者（想象圖）

迄今為止，美國宇航局的載人登陸火星計劃仍語焉不詳，缺乏細節(jié)。不過，下面介紹的這個方案被不少航天界人士所看好，對于愛好航天的一般人來說，讀起來也饒有趣味。

1961年，美國宇航局曾提出兩種載人登陸月球的可行計劃——“地球軌道會合”和“直入月球軌道”。盡管當時宇航局官員準備在這兩種方案中選擇一種，但弗吉尼亞州蘭利研發(fā)中心名不見經(jīng)傳的工程師約翰·霍巴特卻提出了另外一種非常大膽而又頗具匠心的方案——“月球軌道會合”。按照這個方案，兩艘飛船將在距離地球40萬千米的月球軌道上進行對接。該方案一經(jīng)提出，立即驚呆了所有人，大家都認為這個方案太復(fù)雜、太危險也太古怪。然而，霍巴特的執(zhí)著，以及“月球軌道會合”方案的完美邏輯最終戰(zhàn)勝了一切質(zhì)疑，1969年7月20日，兩名美國宇航員——尼爾·阿姆斯特朗和巴茲·奧爾德林——踏上了月球。

實現(xiàn)登月40年后，美國宇航局重提送人上火星計劃，這時人們又想起了約翰·霍巴特的反傳統(tǒng)精神。按照美國宇航局原本的計劃，載人登陸火星任務(wù)基本上就是載人登月任務(wù)的擴大版：用大功率火箭將一次性使用的大型飛船從地面推送到行星際速度，然后逐漸減速以實現(xiàn)最終登陸火星。這個計劃無疑需要巨大的能量，換句話說，規(guī)模過于龐大，實施過于復(fù)雜，成本過于高昂，如果實施，最終可能面臨和“阿波羅計劃”一樣的命運。“阿波羅計劃”是美國歷次載人登月任務(wù)的總稱。該計劃因每次任務(wù)成本高昂，而宇航員登上月球后只能作短時間停留，完成月球漫步、插上旗幟、簡單取樣等任務(wù)，實際意義不大，最終不得不中止。

毋容置疑，載人登陸火星計劃應(yīng)該從載人登月任務(wù)中吸取經(jīng)驗教訓(xùn)。曾經(jīng)登陸月球的奧爾德林根據(jù)自身登月經(jīng)驗和學識提出了一個較為完整、具體的登陸火星的全程方案。他提出的載人登陸火星藍圖，是基于可重復(fù)使用、在永久性軌道里持續(xù)環(huán)繞于地球和火星之間的飛船。從長計議，奧爾德林的這一方案所需的能源要少得多。一旦就位，一個環(huán)繞飛船體系再加上可靠的時間表和較低的維護成本，就能為定期、多次性載人登陸火星，并且在這顆紅色星球表面建立永久性人類基地打開方便之門。

下面是奧爾德林對他的載人登陸火星計劃所進行的詳解。

約翰·霍巴特在解釋“月球軌道會合”

環(huán)繞飛船系統(tǒng)

一艘永久性環(huán)繞飛船的主要優(yōu)勢，就是它只需被加速一次。在它首次被推進至一個經(jīng)過火星和地球的太陽軌道后，環(huán)繞飛船就靠自身動量在太空中滑翔，只需偶爾略施推力以使它保持在軌道中就可以了，這樣就可大大降低單次火星任務(wù)的總能源需求。由于常規(guī)化學火箭是如此“饑渴”——例如搭載奧爾德林等人登月的“阿波羅11號”飛船超過90%的質(zhì)量都是用于起飛的燃料，因此省下來的每一千克質(zhì)量都意味著更少的推進劑和更小型、更低成本的推進器。

當環(huán)繞飛船帶著長時間太空行程所必需的長期人類生存系統(tǒng)、輻射屏蔽和人工重力裝置在軌道中安定下來后，它將以可預(yù)測的日程經(jīng)過火星和地球。宇航員駕駛“的士飛船”（例如美國宇航局正在研發(fā)的“乘員探索飛船”），在環(huán)繞飛船經(jīng)過地球時和它對接，為此只需要不多的推進劑來讓“的士飛船”加速。當環(huán)繞飛船經(jīng)過火星時，“的士飛船”脫離環(huán)繞飛船，減速進入火星軌道，這就好比一位乘客走下火車一樣。環(huán)繞飛船隨即加速離開火星，踏上重返地球的征程，為搭載下一批前往火星的人們做好準備。

實際上，火星-地球環(huán)繞飛船的理念早在20世紀60年代就已提出。當時，科學家設(shè)想的是，被稱為“卡斯托”的太空艙在多個非正圓軌道中環(huán)繞太陽運行，這些非正圓軌道既要經(jīng)過火星也要經(jīng)過地球。不過，使用這樣的軌道，環(huán)繞飛船要花長達7年半的時間才能完成一次往返地球和火星之旅，而且一次載人登陸火星任務(wù)需要多達6艘環(huán)繞飛船在這些交叉的軌道中繞行。

上圖：環(huán)繞飛船奔向火星（想象圖）

中圖：無人載荷艙與環(huán)繞飛船分離（想象圖）

下圖：火星登陸器與環(huán)繞飛船分離（想象圖）

奧爾德林認為應(yīng)該有更有效的方式。運用自己在麻省理工學院做博士研究期間開發(fā)的變軌技術(shù)，以及在“雙子座12號”飛船和“阿波羅11號”飛船上獲得的第一手太空飛行經(jīng)驗，奧爾德林計算出：假如利用來自地球的引力援助（也稱彈弓效應(yīng)），將環(huán)繞飛船彈射到一個更好的軌道，那么載人登陸火星任務(wù)所需的時間就可大大縮短。

引力援助是一種早已被證明切實可行的行星際飛行技術(shù)，它已被應(yīng)用于“旅行者1號”、“旅行者2號”、“卡西尼-惠更斯號”和“伽利略號”等多個無人探測器。假如一艘飛行器飛得足夠靠近一顆行星，它的軌道就會被這顆行星的引力場折曲。這一過程可以被比作是一只球（飛行器）從一面墻（行星）彈射開來。假如墻是朝著球移動的，那么球的反彈速度就會比碰撞之前高。同樣，假如墻有一定的傾角，那么碰撞后球就會改變運動方向。不管在上面哪種情況下，大量能量都會被添加給飛行器（例如環(huán)繞飛船），并且無需任何燃料（推進劑）。

利用來自地球的引力援助，再在較小程度上利用來自火星的彈弓效應(yīng)，奧爾德林設(shè)計出一條環(huán)繞飛船軌道，環(huán)繞飛船只需26個月就能完成一次往返地球和火星之旅。其中，按照美國宇航局正在考慮中的最少中轉(zhuǎn)次數(shù)，環(huán)繞飛船只需5個月就能到達火星。

不過，引力援助環(huán)繞飛船的理念有一個很大的缺點，就是環(huán)繞飛船在飛經(jīng)火星時的時速高達43452千米。這在“的士飛船”脫離環(huán)繞飛船飛向火星表面的過程中并無大礙，因為后者可依靠火星大氣的摩擦力來減速和制動，無需使用任何推進劑；但在“的士飛船”離開火星返回地球的行程中，它將需要大量推進劑才能趕得上快速離開的環(huán)繞飛船。

為了解決這一難題，奧爾德林設(shè)想了一種混合飛船，并把它稱作“半環(huán)繞飛船”，用于從火星返回地球的階段。同環(huán)繞飛船一樣，半環(huán)繞飛船也將在地球和火星之間的引力援助軌道中穿梭，但它在火星大氣中將利用大氣摩擦來減速（也稱大氣制動）和中斷主動環(huán)繞，并在一個圍繞火星的軌道中懶洋洋地待機4個月，直到搭載下一艘返回地球的“的士飛船”。半環(huán)繞飛船的飛近速度將低至每小時8000千米，這樣的速度很容易讓低推進劑的“的士飛船”與之會合。一旦到達地球軌道，它將釋放“的士飛船”，讓其通過大氣制動進入地球大氣層，而它自己則被彈射進一趟迂回的14個月之旅，重返火星等待下一次任務(wù)。

半環(huán)繞飛船也有一個缺陷，就是需要推進劑來讓自己加速脫離火星軌道以返回地球。盡管這樣，與用傳統(tǒng)火箭進行直飛相比，總成本的降低仍然十分可觀。半環(huán)繞飛船的第二個缺點是重返地球的中轉(zhuǎn)時間較長，大約需要8個月。不過，半環(huán)繞飛船的軌道還可以再精細化，以達到最短的中轉(zhuǎn)時間、最優(yōu)的軌道周期和飛近速度?？茖W家目前正在進行這方面的研究。

在月球表面開采和提煉資源（想象圖）

技術(shù)支持

環(huán)繞飛船本身其實只是一項長期太空計劃的“蓋頂石”。奧爾德林認為，美國宇航局建議用“的士飛船”重返月球是朝著載人登陸火星邁出的正確的第一步。第二步應(yīng)該包括對火星的衛(wèi)星福波斯進行探索性飛行，福波斯可以充當載人登陸火星的初期跳板。但是，要想創(chuàng)造一個可持續(xù)的火星運輸系統(tǒng)，則需要一個巨大的支持性基礎(chǔ)設(shè)施。

在月球上建立永久基地，就可以使用月球冰為“的士飛船”向環(huán)繞飛船的沖刺生產(chǎn)液態(tài)氧和氫燃料。20世紀90年代，美國宇航局的探測器首次發(fā)現(xiàn)了月球極地附近隕擊坑里存在冰的跡象，此后至今的探測結(jié)果已經(jīng)確認月球上存在冰，而且有大量冰。

“的士飛船”、半環(huán)繞飛船及火星登陸器/上升器所需的液態(tài)氧和甲烷燃料，也可以在火星表面的永久性基地生產(chǎn)。這個推進劑工廠的生產(chǎn)原料包括液態(tài)氫和提取自火星大氣的二氧化碳。最近，火星巡游車已經(jīng)在火星極地地表下發(fā)現(xiàn)了水冰，這意味著也可以在火星上就地生產(chǎn)氫燃料。

一隊無人運輸船將為環(huán)繞飛船和月球及火星表面的人類基地供給物資。這些無人運輸船不使用化學火箭，而是使用效率更高的低推進力離子驅(qū)動引擎（早在1998年，美國宇航局就在其“深空1號”探測器上對離子驅(qū)動引擎進行了成功測試）。因速度太慢，它們不適用于載人太空旅行，但可作為運輸船提前幾年發(fā)射。

飛向火星

現(xiàn)在讓我們假想時間已經(jīng)到了2040年，一趟為期5年的火星往返之旅正在地面整裝待發(fā)。

8名宇航員坐在“的士飛船”里被發(fā)射升空，一種高性能的氫推進器為飛船提供動力。進入低地球軌道后，“的士飛船”同一艘火星登陸器及先前發(fā)射自地球的一個推進艙對接。在這個“阿波羅式”的三單元系統(tǒng)中，宇航員點火進入一個環(huán)繞地球、高度偏離正圓的6天“集結(jié)”軌道，然后被帶到地球與月球之間一半距離的地方，與一艘供給船對接，供給船上裝載著在月球上生產(chǎn)的液態(tài)氧和氫燃料?！暗氖匡w船”從推進艙汲取燃料，以便加速與環(huán)繞飛船對接。此刻，環(huán)繞飛船正快速接近地球。

“的士飛船”轉(zhuǎn)而飛向火星，其變軌點火持續(xù)大約7分鐘，加速度達到大約2g（g是重力加速度，2g即兩倍重力加速度）。如果操作無誤，大約10天后，“的士飛船”在距離地球160萬千米的地方與環(huán)繞飛船會合?！暗氖匡w船”和火星登陸器分離，兩者都同環(huán)繞飛船對接，此時環(huán)繞飛船正懶洋洋地旋轉(zhuǎn)著以模擬火星的引力——只有地球引力的38%。宇航員離開“的士飛船”，進入環(huán)繞飛船的居住艙，里面配有食物、水、輻射屏蔽裝置及一切長期太空任務(wù)所必需的東西。在這里，宇航員可以讀完一本長篇小說，因為在接下來的5個月里沒有太多工作。

隨著環(huán)繞飛船接近火星，宇航員重新進入“的士飛船”，等待下降至火星軌道。同環(huán)繞飛船告別后，攜帶著登陸器的“的士飛船”進入火星大氣層，作幾分鐘的空氣制動后跳進一個低軌道。在這里，宇航員轉(zhuǎn)入登陸器——就像尼爾·阿姆斯特朗和巴茲·奧爾德林當年在“阿波羅11號”飛船上那樣——離開忠誠的“的士飛船”，點燃登陸器的反向制動火箭，準備降落到火星表面。使用空氣制動、一把降落傘和精確的火箭制動，宇航員最終在火星主要基地成功登陸。

此刻，在26個月前登陸火星、執(zhí)行上一次火星之旅任務(wù)的機組成員們正等候在基地，他們用香檳酒迎接新到的同事，也急切渴望搭乘新同事們使用的登陸器/上升器，踏上歷時18個月的返回地球家園之旅。至于新到的宇航員，在一陣新鮮感過去之后，肯定也將長時間渴盼漫長的回家之旅——畢竟火星還遠遠沒有地球家園那么讓人留戀！

火星表面的宇航員及探索艙（想象圖）

返回地球

在接下來的44個月里，宇航員們探索火星表面，監(jiān)控一系列研究項目，管理至關(guān)重要的燃料制造廠。在第18個月，上一批宇航員踏上返鄉(xiāng)路。在第26個月，新一批宇航員登陸火星，而現(xiàn)在的這批宇航員將使用他們的登陸器/上升器開始返回地球之旅。接著，發(fā)射添加燃料的火箭，為新來的宇航員留在軌道中的“的士飛船”添加燃料。在第38個月前后，半環(huán)繞飛船抵達并通過空氣制動進入自己的為期4個月的火星軌道環(huán)繞，此時仍待在火星表面、但即將離開的宇航員們，將可能看見半環(huán)繞飛船在劃過火星大氣上層過程中留下的明亮軌跡。隨著這批宇航員離開時間的臨近，半環(huán)繞飛船下降到低軌道與“的士飛船”對接。這時，宇航員從火星表面發(fā)射無人火箭，火箭上攜帶著為半環(huán)繞飛船添加的燃料。

離別的時刻終于來到。機組成員為登陸器/上升器灌滿燃料，上升器升入火星軌道，同已經(jīng)連接上“的士飛船”的半環(huán)繞飛船會合。在經(jīng)歷一次力度溫和的返回地球變軌點火后，半環(huán)繞飛船離開火星軌道，開始為期8個月的回家旅程。

一旦進入合適的軌道，宇航員就會在零重力之下飄浮起來。半環(huán)繞飛船不旋轉(zhuǎn)，也就是不提供模擬的引力，這是因為回程中無需重力——由于長期失重的影響（參見相關(guān)鏈接：行星際旅行的挑戰(zhàn)），宇航員重返地球引力場已不是什么大問題。在半環(huán)繞飛船上宇航員可以進行一些恢復(fù)性的訓(xùn)練，事實上這將為他們重溫自己的這趟劃時代旅程提供一個良好的機會。

隨著越來越接近地球，“的士飛船”脫離半環(huán)繞飛船，通過空氣制動進入地球大氣層。在“的士飛船”準備下降進行最終的著陸時，一面降落傘展開，它要么進入海洋到達正在等待的回收船旁邊，要么降落在陸地上。與此同時，半環(huán)繞飛船離開地球軌道，被彈射到返回火星的軌道。

環(huán)繞飛船體系所改變的不僅僅是載人登陸火星計劃的成本，而且還包括這一計劃背后的基本理念。這種新理念可以實現(xiàn)定期、多次展開載人往返火星之旅，從而在火星上永久性維持人類的存在。與浪費型、短期性、急功近利的“讓我們盡快去火星”的計劃不同，環(huán)繞飛船計劃需要相對長時間的策劃和準備。奧爾德林認為，只有這樣，才能最終建立起地球與我們未來第二家園——火星之間的太空通道。

③ 定居火星

定居火星不僅僅是一個科幻話題，還是一個嚴肅的科學研究話題?；鹦堑谋砻鏃l件尤其是存在水的跡象，使得它成為太陽系中除地球外最可能支持人類生存的行星。

盡管月球被建議作為人類定居外星的第一個星球，但火星相比月球有一個優(yōu)勢——火星擁有大氣層，雖很稀薄，但仍可能支撐人類及其他生物生存。

火星與地球相似之處

雖然金星與地球在總體組成方面最相似，但是說到能滿足人類定居的條件方面，火星與地球之間的相似度遠高于金星。以下是地球與火星之間最重要的相似之處。

●火星日（太陽日）同地球日非常接近。一個火星日是24小時39分鐘35.244秒。

●火星表面積是地球表面積的28.4%，只略低于地球的陸地面積（占地球總面積的29.2%）?；鹦堑陌霃绞堑厍虬霃降囊话耄鹦琴|(zhì)量是地球的1/10，這意味著火星不僅體積比地球小，而且平均密度也比地球低。

●火星的軸傾角是25.19度，而地球的是23.44度。因此，火星上的季節(jié)同地球季節(jié)很相似，但每個火星季節(jié)的長度都是對應(yīng)的地球季節(jié)長度的接近兩倍，這是因為火星年的長度是地球年的1.88倍?；鹦潜睒O目前指向天鵝座，而不是小熊座。

●火星有大氣層，盡管很稀薄（只有地球大氣層的大約0.7%），卻能在一定程度上阻擋太陽輻射和宇宙輻射。事實上，探測器已經(jīng)多次成功利用火星大氣進行了空氣制動。

●最近，美國宇航局“火星探索者巡游車”、“鳳凰號”火星登陸器和歐洲空間局“火星快車”探測器對火星的探測結(jié)果證實，火星表面的確存在水冰?；鹦强磥頁碛写罅恐С值厍蝾惿璧囊恍┗驹?。

荒涼的火星表面

火星與地球不同之處

地球與火星的不同之處在于：

●火星的表面重力只有地球的1/3多一點，目前仍不清楚如此低水平的重力是否足以預(yù)防與失重有關(guān)的健康問題。

●火星表面比地球表面寒冷得多，前者平均溫度是-63℃，最低溫度是-140℃。地球上迄今為止發(fā)現(xiàn)的最低溫度是-89.2℃，是科學家在南極洲記錄到的。

●目前火星表面不存在任何液態(tài)水體。

●與地球相比，火星距離太陽更遠，到達火星大氣上層的太陽能（太陽常數(shù)）還不到到達地球大氣上層或到達月球表面的太陽能的一半。不過，到達火星表面的太陽能并不像到達地球表面的太陽能那樣受到稠密大氣層的阻礙。

●火星的軌道比地球軌道更偏離正圓，這加劇了火星表面溫度和太陽常數(shù)的變動。

●目前火星表面的大氣壓只有大約6毫巴，遠低于“阿姆斯特朗極限值”——61.8毫巴，后者是人類不穿宇航服在太空環(huán)境中生存所需的最低氣壓。由于對火星實施地球化改造不可能成為一個近期目標，所以火星表面的可居住結(jié)構(gòu)必須配備壓力艙。這種壓力艙在外形上與飛船相似，其內(nèi)部氣壓在0.3333巴到1巴之間。

●火星大氣主要由二氧化碳組成，正因此，雖然火星大氣壓低于地球大氣壓，但火星表面的二氧化碳氣壓卻是地球表面的大約53倍?；鹦谴髿庵羞€有大量一氧化碳。此外，火星的磁層微弱，因而無法讓太陽風轉(zhuǎn)向。這些因素顯然都不利于人類定居火星。

最寒冷時期的火星比目前還冷得多（想象圖）

“全副武裝”出艙，抵御火星表面輻射（想象圖）

可居住性

火星表面的可居住性遠高于其他任何已知行星或衛(wèi)星的表面。例如，水星表面的冷熱變化過于極端，金星表面過于熾熱，那些外行星及其衛(wèi)星的表面又過于寒冷，因而它們都不適宜于生命存在。只有金星的云層頂部在可居住性方面比較接近于地球和火星，難怪有天文學家猜測金星云層可能存在我們難以想象的生命形式。而在地球上，同火星匹配的地貌和條件就太多了。例如，在1961年5月創(chuàng)下的載人氣球所升至的最高高度是34668米，在這個高度的氣壓與火星表面相同。而在地球北極和南極的嚴寒，則在火星表面司空見慣。

美國宇航局副局長戴爾2007年3月21日在該局舉行的一次高科技大會上說：“我們希望發(fā)現(xiàn)火星是否能夠為人類提供第二個人家園——能夠延伸人類文明——在距離地球超過6400萬千米的地方?！贝蠖鄶?shù)天文學家相信，未來可以對火星實施地球化改造，使得包括人在內(nèi)的各種各樣的生命能夠在這顆紅色行星表面相對自主地生存。

輻射問題

宇宙輻射和太陽風會損害DNA，大大增加人體患癌概率。雖然長期行星際飛行對人體健康的影響還不清楚，但科學家估計男性死于在往返地球與火星過程中所受輻射的概率高達19%，再加上男性在地球上死于癌癥的可能性——20%，總的可能性就高達39%。對于女性來說，這種可能性更高，這是因為女性的腺組織更大。

與地球不同，火星不具有全球性的磁場，再加上火星大氣層稀薄，因此大量的離子化輻射會到達火星表面。美國宇航局“火星奧德賽飛行器”上攜帶的“火星輻射環(huán)境試驗儀”發(fā)現(xiàn)，火星上空軌道中輻射水平是國際空間站上的3.5倍。暴露在這樣的火星輻射下3年以內(nèi)，基本上符合目前美國宇航局所認定的安全標準。至于火星表面，輻射水平還會低一些，但根據(jù)各地的地勢高度和磁場水平不同而有很大變化。

上圖：“火星奧德賽飛行器”（想象圖）

下圖：太陽帆（想象圖）

不時發(fā)生的太陽質(zhì)子事件會產(chǎn)生很高的輻射劑量，“火星輻射環(huán)境試驗儀”觀測到了一些這樣的事件，而在地球附近的感應(yīng)器卻未感應(yīng)到這類事件，這是因為太陽質(zhì)子事件是有方向性的，這也使得未來的火星宇航員得到提前預(yù)警的難度加大。

宇航員前往火星或從火星返回地球途中要在宇宙空間待很長時間，但科學家對于太空輻射迄今仍所知不多。不過，科學家正在利用粒子加速器來模擬太空輻射，研究它對生物的影響，并且開發(fā)相應(yīng)的屏蔽技術(shù)。有證據(jù)顯示，太空輻射或許并不像此前認為的那么危險，但登陸火星必須當心輻射侵害尤其是太陽質(zhì)子事件的影響。不過，以目前的技術(shù)應(yīng)該能防御這些嚴重輻射。

飛船技術(shù)

從飛船變軌所需能量來看，從地球前往火星比前往其他任何行星都更容易，只有金星是一個例外。若使用郝曼轉(zhuǎn)移軌道（由德國科學家郝曼在1925年提出，假定飛船在兩個共面環(huán)形軌道中移動），從地球前往火星需要在太空中飛行大約9個月。若采取經(jīng)過改進的軌道，可以將這一時間縮短到7個月甚至6個月，但所需能量更多，目前這樣的軌道已在機器人火星任務(wù)中采用。要想繼續(xù)縮短飛行時間，就需要高得多的能量和多得多的燃料，使用化學燃料的火箭是不可能做到的，而正在開發(fā)中、尚未投入使用的先進空間推進技術(shù)如“可變特定脈沖磁等離子體火箭”或核火箭等則能做到，核火箭甚至能將這一飛行時間縮短至大約兩星期。另一種思路是借助太陽帆或離子驅(qū)動，使飛船持續(xù)穩(wěn)定加速。不過，目前這幾項新技術(shù)都不成熟，甚至很不成熟。

④ 讓火星變成地球

火星基地的工廠參與火星地球化改造（想象圖）

對火星實施地球化改造的通俗說法是“讓火星變成地球”。具體而言，就是通過改變火星的氣候、表面地貌和其他已知的火星特征，使火星成為一顆可以供地球人和其他地球生命居住的星球。

根據(jù)在地球上的經(jīng)驗，一顆行星的環(huán)境確實可以被人為改變，例如全球變暖就被認為主要是人類活動尤其是工業(yè)革命以來的人類活動所造成的。不過，創(chuàng)造一個不受約束的行星生物圈的可行性究竟有多大目前仍不確定。下面描述的行星地球化改造的多種方法或許都沒有超越目前人類的技術(shù)能力，但就目前情況而言，要想獲得實施這些方法所需的天量經(jīng)濟和自然資源還非常非常困難。換句話說，在近期就想對其他天體例如月球或火星實施地球化改造是不可行的，但是在不遠的將來也許是可行的。

讓天體地球化的理由

在未來，地球人口爆炸和對資源的需求激增或許會迫使人類移居一部分到火星、月球及附近其他行星之類的其他星球上，同時還要開發(fā)太陽系中的能量及其他材料。這就是實施天體地球化改造的主要理由。

讓行星地球化的遠期理由，就是讓地球生命能夠逃避未來的天譴——大毀滅。生命不可能在地球上永久存在，從現(xiàn)在起到大約76億年后，太陽將膨脹到最大體積，變成紅巨星，其表面將延伸到今天地球軌道之外20%的地方，亮度將增加3000倍。假如到那時地球上仍有生命存在，它們肯定將被毀滅?？茖W家預(yù)測，膨脹的太陽將可能毀滅金星和水星，地球也將因為過于熾熱而無法再支持生命存在。不過，太陽在變成紅巨星的過程中會失去相當大一部分質(zhì)量，因此也有一種可能性存在，即火星及其他外行星屆時將逃離太陽的魔掌，這是因為這些行星的軌道屆時也將加寬。地球的最終命運則不太確定，隨著技術(shù)的進步，地球人最終或許能夠使得地球的軌道加寬，并且使地球維持足夠高的角速度，從而讓地球免遭被太陽吞噬的厄運。為做到這一點，地球軌道寬度需要被增加到1.3～1.7個天文單位（1.9億～2.5億千米）之間。

據(jù)推測，在太陽進入紅巨星階段之前，地球就會被淘汰出自己在太陽系可居住地帶中的位置。據(jù)估計，再過30億年，太陽的亮度會增加33%，加熱的太陽和增加的太陽輻射將蒸干地球的海洋，地球最終將變回最初那樣的熔融狀態(tài)，太陽系中可居住地帶屆時將移至火星軌道外。這一過程將賦予地球居民幾千年的時間來開發(fā)太空技術(shù)，最終實現(xiàn)在太陽系里的其他地方定居。

上圖：火星表面的巨型冰川（想象圖）

下圖：火星被一步一步改造成地球的模樣（想象圖）

背景

火星的構(gòu)成中包括許多土壤礦物，從理論上說它們可被用于對火星進行地球化改造?；鹦潜砻嫦麓嬖诖罅克?，而在火星兩極地區(qū)表面也存在水冰，與干冰（凍結(jié)的二氧化碳）混合在一起?？茖W家還推測，在火星的地殼深處也存在巨量冰。火星極地的干冰在火星夏季升華，留下少量水，但被勁風以接近每小時400千米的速度掃虐，大量塵埃和水蒸氣由此進入火星大氣層，使得火星大氣中可能擁有像地球上那樣的卷云。

火星大氣層中只有微量的分子氧（O2），但氧也存在于二氧化碳中，而二氧化碳是火星大氣層的主要成分。原子氧則存在于火星表面的大量金屬氧化物中，在火星土壤中也存在。對美國宇航局“鳳凰號”火星登陸器提取的火星土壤樣本進行的分析表明，火星土壤中存在高氯酸鹽，而在化學制氧機中可以使用高氯酸鹽來釋放氧。還可以用電離方法將火星表面的水分解為氧和氫，但前提是得到足夠的水和電。

有科學家認為，火星在其形成之初擁有和地球類似的環(huán)境，可能存在液態(tài)水，但今天火星水可能只存在于火星極地和火星表面下的永凍層中。換句話說，今天的火星沒有液態(tài)水但有水冰存在。今天火星的微弱引力意味著，火星大氣上層的輕質(zhì)氣體可能加速了火星大氣的稀薄化，大量原子逃逸進入太空。此外，火星明顯缺乏板塊運動，在理論上這會減緩氣體從鎖閉在沉積層中到進入大氣中的循環(huán)。不過，到達火星表面的大量太陽風也可能在加速火星大氣層的稀薄化。火星缺乏磁場和地質(zhì)活動，可能都是因為火星的體積較小，火星內(nèi)部的冷卻比地球迅速得多，不過這一過程的細節(jié)迄今仍不清楚。

過去的火星是有水的（想象圖）

需要的改變

對火星實施地球化改造將包括三種互相交叉的變革：構(gòu)筑火星大氣層—保持它的溫暖—阻止它逃逸到太空。火星大氣相對稀薄，因此火星表面氣壓只有0.6千帕，而地球的表面氣壓為101.3千帕?；鹦谴髿庵邪?5%的二氧化碳、3%的氮、1.6%的氬，此外還有微量的氧、水和甲烷。正因為火星大氣主要由二氧化碳構(gòu)成，而二氧化碳是典型的溫室氣體，所以一旦開始加熱火星，更多的二氧化碳就會從火星兩極的冰封地區(qū)進入大氣層，加劇溫室效應(yīng)。也就是說，構(gòu)筑火星大氣和加熱它這兩個過程是相互加強的，都對火星地球化有利。然而，為了實現(xiàn)火星地球化，還必須大規(guī)模、長時間地使用一些特定的技術(shù)，從而實現(xiàn)可持續(xù)的變革，這些變革主要包括以下幾個方面：

制造大氣、水

在構(gòu)建火星大氣方面，最重要的一步是水的引入。水可以從冰質(zhì)小行星或木星及土星的衛(wèi)星那里得到，當然也可能從其他水源得到，只是目前看來使用這些“其他水源”并不現(xiàn)實。

表面水 一個擁有大量水、距離火星又不太遠的水源是矮行星谷神星。據(jù)估計，谷神星的質(zhì)量占整個小行星帶質(zhì)量的25%～33%。谷神星的質(zhì)量大約為9.43乘以10的20次方千克，水占谷神星質(zhì)量的大約20%（這個數(shù)據(jù)目前仍有爭議），水可能主要集中在谷神星的表面及接近表面的地下。谷神星的總水量大約是1.886乘以10的20次方千克，而火星的總質(zhì)量約為6.42乘以10的23次方千克。因此，一個非常粗略的估計是，谷神星的水量大約占火星總質(zhì)量的0.03%。但這仍然算得上龐大的水量，要想將如此巨量的水或來自任何冰質(zhì)衛(wèi)星的水運送到火星上去，無疑是極為困難的事。任何想改變谷神星的軌道以便將它整個移往火星的企圖（就像是運用“引力拖拉機”來讓小行星偏離軌道的策略一樣），都可能對火星軌道造成擾動（因為谷神星完全有可能由此撞擊火星），從而引發(fā)長時間的地質(zhì)動蕩。

引入氨 另一個更復(fù)雜的辦法就是把氨作為一種強力溫室氣體。事實上，在太陽系外圍環(huán)繞的那些小行星之類的天體上可能存在大量凍結(jié)的氨，有可能通過超大型核彈轟炸之類的方法使這些天體上的氨移往火星大氣層。氨中富含氮，或許還能同時解決為火星大氣層提供緩沖氣體的問題。另一方面，持續(xù)的較小規(guī)模轟炸也有助于增加火星大氣層溫度和質(zhì)量。

要想構(gòu)筑適合人類居住的火星大氣層，引入緩沖氣體是一項很大的挑戰(zhàn)。在地球上，氮是主要的大氣成分，占大氣質(zhì)量的77%。火星恐怕也需要氮作為緩沖氣體，雖然不需要那么大的比例，但要想獲得足量的氮、氬或其他相對惰性的氣體，還是很難的。

碳氫化合物的引入 還有一種辦法就是引入甲烷或其他碳氫化合物，這些化合物在土星的衛(wèi)星之一泰坦的大氣層及表面廣泛存在。一旦讓甲烷進入火星大氣層，作為一種溫室氣體，甲烷能強化溫室效應(yīng)。甲烷或其他化合物也有助于迅速增加火星大氣壓。在火星地球化改造的第二步，這些氣體還可以用來為火星大氣生產(chǎn)水和二氧化碳，相關(guān)的化學反應(yīng)可以通過加熱或太陽的紫外輻射來引發(fā)，生成的大量水和二氧化碳可以用來引發(fā)植物的光合作用。

氫的引入 為了構(gòu)筑火星大氣層尤其是為火星大氣添加水，也可以考慮引入氫。例如，氫可以與來自火星土壤中的三氧化二鐵發(fā)生化學反應(yīng)，生成水和氧化鐵。根據(jù)火星大氣中的二氧化碳含量不同，引入氫并同二氧化碳進行化學反應(yīng)，能產(chǎn)生水、熱量和石墨，也能產(chǎn)生甲烷和水。

使用全氟化碳 要想適應(yīng)人類的長期生存，火星氣候必須保持長期穩(wěn)定，這可能需要像全氟化碳這樣的極為強力的溫室氣體。為此，可以發(fā)射搭載壓縮全氟化碳的火箭撞擊火星，使全氟化碳釋放并進入火星大氣層。這種方法相對廉價，最終同樣能改變火星大氣的組成，暖化火星的氣候。但需進行10年的連續(xù)不斷的撞擊。也有科學家建議直接開采火星上存在的含氟礦，估計火星上的含氟礦儲量不亞于地球，這樣不僅能維持全氟化碳等超強力溫室氣體的連續(xù)生產(chǎn)，而且更有利于維持火星表面的“適宜”溫度。

加熱火星

為了加熱火星，為火星添加熱量并保持其現(xiàn)有熱量是至關(guān)重要的步驟，這是因為來自太陽的熱量是行星氣候的主要源泉。隨著運用各種方法讓火星變暖，火星極地的干冰（凍結(jié)的二氧化碳）將氣化進入火星大氣，從而進一步加強溫室效應(yīng)。因氣體流動造成的巨大氣流將引發(fā)規(guī)模龐大、長期持續(xù)的沙塵暴，通過沙塵吸收太陽輻射而暖化火星大氣中的分子。

安裝軌道鏡 可把特殊鋁膜制成的超級大鏡子置于環(huán)繞火星的軌道中，將陽光直接引向火星表面，由此直接讓火星表面升溫。還可將大鏡子固定在火星極地上空附近，使極地干冰升華以強化溫室效應(yīng)。

改變反射率 改變火星表面的反射率，能夠更有效利用照射到火星的陽光?；鹦堑男l(wèi)星福波斯和德莫斯表面有大量暗色灰燼，通過一些高科技手段，可以讓它們集中成較大的塵埃，然后從太空均勻地“撒”向火星表面，使火星表面變暗，吸熱增加。另外，也可將一些暗色的極端微生物（有可能在火星的極端環(huán)境下生存）例如地衣、藻類和細菌等引到火星表面，它們也能吸收大量的太陽輻射，而這些輻射如果沒有這些微生物存在的話就會被反射回太空。

假如這些生命形式能在火星表面成功傳播，火星大氣中就將添加少量的氧（這些微生物制造的氧），當然這么一點點氧是不夠人類呼吸的。不過，假如密度變得足夠高之后，火星大氣壓就會接近地球大氣壓。

用鏡子及透鏡聚焦陽光來加熱小行星使其蒸發(fā)。同樣的思路可用于加熱火星（想象圖）

小行星碰撞 還可以用一種方式來為火星加熱，就是導(dǎo)引小行星撞擊火星表面，撞擊的能量大部分以熱能的形式釋放，能將火星表面的冰氣化成水蒸氣，而水蒸氣也是一種溫室氣體。還可以根據(jù)小行星的成分來選擇小行星，例如富含氨的小行星會在撞擊火星時將大量氨釋放進火星大氣層，強化火星大氣的溫室效應(yīng)。

磁場 地球上之所以水量豐富，是由于地球電離層被磁場充盈，電離層中的氫離子雖因質(zhì)量輕而游動很快，但它們無法逃逸到外太空，這是因為它們的軌道被磁場轉(zhuǎn)向。金星雖然擁有稠密的大氣，卻只有微量水，其原因就在于金星沒有磁場?；鹦谴髿庵袥]有水，也是基于同樣的原因。

科學家相信，火星之所以不適宜于大多數(shù)生命形式的生存，就是因為很高的太陽輻射水平?；鹦侨狈﹄婋x層，太陽輻射就將火星大氣稀釋到了今天的地步；太陽風為火星大氣頂層添加大量能量，使得那里的大氣粒子達到逃逸速度而離開火星。事實上，這一效應(yīng)已被位于火星軌道中的探測器探測到了。另一種理論認為，正是太陽風撕裂了火星大氣層。

另一方面，金星的例子表明，缺乏電離層并不意味著就不可能有厚密但干燥的大氣層，而稠密的大氣層照樣能為行星表面抵擋一部分太陽輻射。這樣的情況在地球上已經(jīng)發(fā)生，地球電離層曾數(shù)次改變方向甚至徹底坍塌了一段時間，但地球生命仍然能延續(xù)至今，也可能說明缺乏電離層并不是太可怕的事。

缺乏保護性的磁場會對人體健康造成影響，這主要是源于宇宙射線對機體的傷害?？茖W家目前正在評估這種傷害。

2000年以來的火星探測項目

在軌項目 美國宇航局的“火星全球勘測者”探測器已于1997年抵達環(huán)繞火星的軌道，此后它拍攝了火星的全部表面。2001年，美國宇航局的“2001火星奧德賽”探測器進入火星軌道，在火星極地表面下發(fā)現(xiàn)了大量水冰，并且還為未來宇航員登陸火星測試了輻射水平。歐洲空間局的首個火星探測器——“火星快車”于2004年1月進入火星軌道。美國宇航局的“火星勘測軌道飛行器”于2006年11月進入火星軌道，它全天候監(jiān)測火星的天氣和表面情況，為未來的載人或不載人火星登陸器尋找合適的登陸地點，此外它還有新型的通訊系統(tǒng)。2007年9月27日，美國宇航局發(fā)射“黎明號”機器人探測器，定于2011年和2012年之間抵達位于小行星帶中的灶神星（小行星）進行探測，2015年抵達谷神星進行探測?！袄杳魈枴痹?009年2月17日抵達火星，并借助火星的引力援助前往灶神星。

實地項目 2004年1月，美國宇航局的“勇氣號”和“機遇號”火星探索巡游車（簡稱火星車）登陸火星，這兩部火星車上搭載著系列相機和光譜儀，它們隨后對火星巖石、土壤、地形地貌等情況展開了縱深性的探測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)火星在歷史上曾經(jīng)存在過大量水，而且現(xiàn)在也存在水。2008年5月，美國宇航局的“鳳凰號”飛行器登陸火星，其主要任務(wù)是尋找適合可能存在的火星微生物生存的環(huán)境條件，同時繼續(xù)探索火星水歷史。2010年5月12日，美國宇航局宣布“鳳凰號”已在火星上徹底失靈（死亡）。不過，至此它已超出任務(wù)期服役好幾個月，因此“鳳凰號”任務(wù)總體上是成功的。

行星際旅行的挑戰(zhàn)

即便載人登陸火星之旅的基本藍圖已定，要想真的載人去火星目前仍困難重重。環(huán)繞飛船的人工重力可以緩解零重力下的肌肉萎縮、骨質(zhì)流失和心律不齊等問題，但空間旅行對人體來說仍是極大的考驗。另一個難題是：如何推動負載去支撐火星基地。環(huán)繞飛船體系能降低所需的推進劑數(shù)量，但推進技術(shù)的革命性創(chuàng)新或許將比環(huán)繞飛船體系更實用。下面是在行星際旅行中宇航員所面臨的一些最主要的問題。

輻射 宇宙輻射和致命的太陽耀斑或許是前往火星的宇航員所面臨的最大風險。用于屏蔽核電站輻射的混凝土塊對飛船來說太重而無法攜帶，但一些種類的塑料和淡水能夠阻擋一部分粒子。一個更具未來色彩的思路是用一個磁盾包裹飛船，這個磁盾能讓輻射轉(zhuǎn)向，仿佛是地球磁場的一個微型版。

壓力 對長期進行太空旅行的人來說，長時間待在太空艙里很可能會引發(fā)厭倦、抑郁甚至暴力沖突。睡眠循環(huán)被打斷會讓情況變得更糟：飛船上沒有24小時的光周期，宇航員一天平均睡6小時，而一個成功的機組必須保持清醒和通力合作，因此科學家正在研究用人造陽光和藥物來誘導(dǎo)生理節(jié)奏（與地球24小時運轉(zhuǎn)相關(guān)的新陳代謝、內(nèi)分泌作用及睡眠等的節(jié)奏）。能讀懂面部表情的感應(yīng)器或許將被用來判斷一個宇航員是否正處在負面情緒中。當然，對候選的宇航員必須進行嚴格的篩選，以確保他們從一開始就狀態(tài)穩(wěn)定，心理和生理素質(zhì)良好。

感染 在一艘嚴格封閉的飛船上，其他潛在的危險還包括耐藥的病原體和化學泄漏。1997年，俄羅斯“和平號”空間站上的空調(diào)器發(fā)生防凍劑滲漏，結(jié)果造成航天員們的呼吸問題?？茖W家正在研發(fā)的生物感應(yīng)器將能識別有害微生物的表面形狀，從而能以很高的靈敏度來持續(xù)監(jiān)測飛船內(nèi)部的空氣質(zhì)量。