漫話登陸和開(kāi)發(fā)火星

尹懷勤

2011年11月4日歐俄進(jìn)行的火星-500試驗(yàn)結(jié)束，同年11月26日美國(guó)“好奇”號(hào)火星車又發(fā)射升空飛馳火星，這些活動(dòng)都是為美、俄、歐計(jì)劃于本世紀(jì)30年代送人登臨火星做準(zhǔn)備的。

火星之旅的難題與技術(shù)突破

人類遠(yuǎn)征火星是充滿艱險(xiǎn)的進(jìn)取，面臨著必須克服的眾多難題：一是飛行動(dòng)力的問(wèn)題；二是人身保護(hù)和空氣、飲食品供應(yīng)問(wèn)題；三是人體必須適應(yīng)新的環(huán)境問(wèn)題；四是著陸火星和實(shí)時(shí)聯(lián)系問(wèn)題。

1999年，專家們指出，在太空獲取氧氣和為飛船提供動(dòng)力兩大難題已基本解決。從火星大氣中分離氧氣的方法已被掌握，能夠節(jié)省大量燃料的離子火箭發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)。同時(shí)，俄美兩國(guó)正在地面的封閉艙里訓(xùn)練航天員如何在長(zhǎng)期的太空飛行中生活和從事科學(xué)考察。事實(shí)上，俄航天員波利亞科夫早已在“和平”號(hào)空間站上創(chuàng)造了連續(xù)飛行438個(gè)晝夜的記錄。航天員在“和平”號(hào)空間站和國(guó)際空間站上進(jìn)行了數(shù)百次航天器成功對(duì)接，試驗(yàn)了生活和工作保障系統(tǒng)，并已研制出生產(chǎn)水和氧氣的閉合系統(tǒng)工藝，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)水平亦可保證人在失重狀態(tài)下停留兩年之久。這一切都為人上火星進(jìn)行了有益的探索。

考慮到載人飛往火星和返回地球的絕對(duì)安全性，當(dāng)前尚需亟待突破下列技術(shù)難題。首先是發(fā)射難題。鑒于載人飛船必須攜帶往返飛行和滯留火星期間所需的全部物資，其總重必然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于45噸的“阿波羅”登月飛船。這樣一來(lái)，如果是從地面直接發(fā)射，就需要研制比土星5號(hào)火箭推力還要大的運(yùn)載火箭；如果是送到國(guó)際空間站上組裝后發(fā)射，但由于15年后國(guó)際空間站業(yè)已報(bào)廢，需要建設(shè)新的大型空間站和運(yùn)送部件的航天器；如果是從月球上發(fā)射，需要在2015年或2020年開(kāi)始建設(shè)月球基地，使其能夠承擔(dān)組裝和發(fā)射飛船的任務(wù)。以上幾種技術(shù)途徑，無(wú)論選擇哪一種，其工作艱巨性都是空前的。

其次是載人飛船安全著陸難題。飛船著陸艙從離軌到登陸火星過(guò)程中，因?yàn)椴荒苡傻孛嬷笓]中心進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，也不能像“勇氣”號(hào)那樣接觸地面后靠氣囊緩沖多次彈跳，故而要求自動(dòng)控制裝置工作必須絕對(duì)可靠，降落傘面積要足夠大，制動(dòng)火箭性能非常穩(wěn)定，還要防止火星風(fēng)暴的干擾。著陸艙擬分下降段和上升段，下降段落地時(shí)要有緩沖裝置，上升段需要攜帶升空火箭。航天員完成考察任務(wù)后，將乘上升段飛行到軌道上與飛船對(duì)接，再返回地球。解決這些難題要比解決無(wú)人航天器軟著陸火星困難得多。

再次是返回地球難題。飛船從環(huán)繞火星軌道轉(zhuǎn)移到奔向地球的霍曼軌道，同樣需要把握出發(fā)時(shí)機(jī)，其制導(dǎo)系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)工作必須穩(wěn)定可靠。在返回地球飛行過(guò)程中，飛船要及時(shí)接收地球飛控中心的遙控指令，適時(shí)調(diào)整姿態(tài)并保持正確航向。當(dāng)飛船進(jìn)入地球軌道后，要與地球飛控中心相配合，準(zhǔn)時(shí)釋放返回艙。航天員將乘坐返回艙完成從離軌到著陸的回收任務(wù)。這就要求返回艙攜帶的控制和通訊設(shè)備、降落傘和制動(dòng)火箭至少在520天之后，工作性能仍處于良好狀態(tài)。顯而易見(jiàn)，這比對(duì)近地軌道載人飛船和登月載人飛船的回收要求更為嚴(yán)格，研制這些設(shè)備遇到的問(wèn)題也更為復(fù)雜。

送人定居火星的設(shè)想

據(jù)2010年10月的一則報(bào)道，美國(guó)宇航局正在籌劃百年星艦計(jì)劃，準(zhǔn)備用載人航天器將4名航天員送上火星，并實(shí)現(xiàn)永久性居住。這一消息曾引發(fā)熱議，因?yàn)樗鸵郧暗挠?jì)劃有所不同，航天員從有去有回變成了只去無(wú)回。

屆時(shí)4名航天員將長(zhǎng)居火星，其所需的生活用品、儀器設(shè)備和生產(chǎn)工具都要不斷補(bǔ)給或更新，直到最終做到自給自足。當(dāng)然，向火星發(fā)射載人飛船或貨運(yùn)飛船并不是非要沿著霍曼軌道飛行。只要有足夠的發(fā)射和推進(jìn)動(dòng)力，也可選擇相對(duì)較短的路徑前往，以便更快地到達(dá)目的地。為此，需要開(kāi)展新型動(dòng)力裝置的研發(fā)。有科學(xué)家正在研發(fā)等離子體火箭，即利用核反應(yīng)堆將氫變?yōu)?00萬(wàn)攝氏度的等離子體，然后用磁場(chǎng)控制高溫等離子體從火箭尾部噴出，從而產(chǎn)生反作用推力。據(jù)推算，裝有等離子體火箭的宇宙飛船速度可達(dá)每秒55千米，從地球到火星只需要飛行39天的時(shí)間。一旦這種推進(jìn)裝置研制成功并被證明可靠，無(wú)疑對(duì)百年星艦計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)巨大的推動(dòng)。

2009年6月，美國(guó)宇航局和歐空局曾商議合作研發(fā)核火箭，以便于2016年把生命探測(cè)器送上火星。核火箭的原理是用核裂變產(chǎn)生的熱能加熱液氫，使后者通過(guò)噴管膨脹加速排出，從而產(chǎn)生推力。但這種核動(dòng)力裝置不宜用在載人火星飛船上，只能用在貨運(yùn)飛船上。因?yàn)樗艚o船內(nèi)的輻射量相當(dāng)于航天員每天做8次x光胸透，即使用在貨運(yùn)飛船上，從地面發(fā)射時(shí)也用不著這種核火箭，只能等待多級(jí)化學(xué)運(yùn)載火箭將貨運(yùn)飛船送入數(shù)百千米高的繞地軌道運(yùn)行后，才啟動(dòng)核火箭工作推動(dòng)飛船沖出地球引力范圍并按預(yù)定軌道飛抵火星。固體堆芯式核裂變火箭不僅能長(zhǎng)期工作，而且秒速可達(dá)24.17千米，推動(dòng)貨運(yùn)飛船抵達(dá)火星的時(shí)間可縮短到兩個(gè)月之內(nèi)。

為了把4名航天員送上火星并讓其長(zhǎng)期駐守在那里，除了要在志愿者中進(jìn)行嚴(yán)格挑選外，還必須要讓他們?cè)诘孛嫔献鲆幌盗械哪M試驗(yàn)，掌握處理可能遇到的各種問(wèn)題的基本技能。這種試驗(yàn)要比6名志愿者團(tuán)隊(duì)開(kāi)展的火星500試驗(yàn)所含的項(xiàng)目和內(nèi)容更多，環(huán)境和條件也會(huì)更為惡劣，操作亦會(huì)更為復(fù)雜。

建立火星基地

為了建設(shè)火星基地，首先要選好地址。根據(jù)火星氣溫較低的實(shí)際情況，選在火星赤道附近有水的地方較為適宜，這樣既可減少航天員的御寒負(fù)擔(dān)，又便于他們的生活和工作。當(dāng)然，防備沙塵暴的設(shè)施必不可少。完成火星基地的建設(shè)工程可分為三個(gè)步驟逐步實(shí)施。

第一步，制定基地規(guī)劃和設(shè)計(jì)方案，并按照設(shè)計(jì)要求研制生產(chǎn)適合火星環(huán)境的建筑材料和機(jī)器設(shè)備，包括工作和生活設(shè)施。為了盡量減輕人的體力勞動(dòng)，要求所有設(shè)施和儀器最大限度的智能化和自動(dòng)化，盡可能多地使用機(jī)器人。考慮到距離地球遙遠(yuǎn)、運(yùn)輸困難、施工不易等因素，全部建材和設(shè)施都應(yīng)力求模塊化、系列化和組合化。

第二步，有計(jì)劃地向火星發(fā)射多艘載人和貨運(yùn)飛船，并著陸于選定的基地地點(diǎn)，從實(shí)地勘測(cè)、清理場(chǎng)地開(kāi)始進(jìn)行基本建設(shè)的施工。有些建筑材料可能就地取材。同時(shí)還需要從地球上向火星發(fā)射通信衛(wèi)星，最好是定點(diǎn)于基地上空火星靜止軌道上的相應(yīng)位置，與地面深空網(wǎng)組成互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，以保證人員在基地任何地點(diǎn)都能保持與地球的通信聯(lián)系。

第三步，通過(guò)大約8年時(shí)間的建設(shè)施工和多批航天員登陸火星，逐步建成火星永久基地。該基地可能像一個(gè)大超市那么大的規(guī)模，由航天員生活區(qū)、日常工作場(chǎng)所、移動(dòng)火星車、科研儀器設(shè)備、多種專用機(jī)器人、電力供應(yīng)和通信系統(tǒng)等部分組成，在地球物資供應(yīng)和補(bǔ)充不中斷的情況下，可以保障多名航天員在火星上長(zhǎng)期居住。

開(kāi)發(fā)火星資源

建設(shè)火星永久基地，無(wú)疑是航天史上的空前壯舉。在建成火星永久基地后，將不斷擴(kuò)大所屬范圍，陸續(xù)完善其功能，增加工作人數(shù)，以逐步開(kāi)發(fā)和利用火星資源。通過(guò)分析火星土壤和巖石

樣品已知，火星表面物質(zhì)主要化學(xué)成分及其所占比例是：氧化硅占44.7％；氧化鐵占18.2％；氧化鎂占8.3％；三氧化硫占7.7％；三氧化二鋁占5.7％；氧化鈣占5.6％；氧化鈦占0_8％；氧化鉀占o(jì).1％。由于火星表面土壤中氧化鐵和鐵礬土的含量很高，因而使得火星表面呈現(xiàn)茶紅色?；鹦呛卸喾N元素，其重量百分?jǐn)?shù)為：硅占20％；鐵占12％；鎂占5％；鈣占4％；鋁占3％；硫占3％；氯占o(jì).7％；鈦占O.5％；鉀占O.2％。此外，還有銣、鍶、釔、鋯等稀有元素。由此可見(jiàn)，有些元素極具開(kāi)發(fā)價(jià)值。

鑒于火星有大氣層，雖然大氣稀薄，但仍可考慮在擴(kuò)大了的基地上開(kāi)設(shè)航空工廠，制造適宜火星大氣的飛機(jī)，以便對(duì)火星進(jìn)行大面積的高效快速探測(cè)。這種飛機(jī)可分為兩種：第一種是巡航機(jī)，從基地機(jī)場(chǎng)起飛，以每小時(shí)數(shù)百千米的速度在距離火星表面約10千米的高度上飛行，可對(duì)火星的大氣、磁場(chǎng)、重力、地質(zhì)、火山等進(jìn)行巡視探測(cè)。第二種是直升機(jī)，能夠載人到預(yù)定地點(diǎn)進(jìn)行小范圍的實(shí)地考察，還可以向火星表面適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)放置氣象站、震動(dòng)儀等固定設(shè)備，組成探測(cè)網(wǎng)。當(dāng)然，這兩種火星飛機(jī)也可以作為兩個(gè)火星基地之間人員交往的工具使用。

由于火星大氣稀薄，各種宇宙信息可以相對(duì)較多地到達(dá)火星表面，因此在拓展了的火星基地上建立天文臺(tái)，能對(duì)太陽(yáng)系、銀河系以至宇宙深空進(jìn)行更清晰的觀測(cè)，能發(fā)現(xiàn)和揭示更多的宇宙奧秘，能加速天文學(xué)的前進(jìn)步伐，能更容易地尋找太陽(yáng)系外類地行星和地外文明。

既然火星上有水和大氣，溫度也適合存活生命，在火星基地上人們肯定會(huì)嘗試在合適的地域試種植物，尤其是糧食和蔬菜作物，一旦獲得成功，將會(huì)不斷擴(kuò)大試種范圍，讓多種多樣的植物在火星上開(kāi)花結(jié)果，繁衍后代，逐漸改變火基的環(huán)境，為人類向火星移民創(chuàng)造條件。

從航天技術(shù)強(qiáng)勁發(fā)展和人類開(kāi)拓天疆的強(qiáng)烈愿望的角度來(lái)看，火星的物理性質(zhì)及軌道參數(shù)及體積、質(zhì)量、所處位置等也是一種天然的寶貴資源，對(duì)開(kāi)展太空探索活動(dòng)具有重要意義。火星引力僅為地球引力的38％，故從火星表面發(fā)射載人航天器到其他星球成本要低得多。同時(shí)，把火星上的水分解成氫氣與氧氣以后，可以冷凍成液氫和液氧，成為運(yùn)載火箭的燃料。由此可見(jiàn)，火星永久基地亦可擴(kuò)建為開(kāi)展宇宙航行的中途站。當(dāng)然，這也有利于開(kāi)展火星旅游觀光活動(dòng)，并形成一種新的產(chǎn)業(yè)。雖然這是多年以后才能實(shí)現(xiàn)的飛天理想，但卻激勵(lì)著現(xiàn)代航天人向此目標(biāo)步步逼近。到那個(gè)時(shí)候，火星上將豎立起巍峨的火箭發(fā)射塔和成龍配套的廠房設(shè)施，還有測(cè)控網(wǎng)、著陸場(chǎng)等缺一不可的系統(tǒng)工程，火星表面將會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越熱鬧的景象。