目的地：火星

鐵銹色塵埃掃蕩著火星表面的空曠平原和很深的隕石坑，也會偶爾掠過火星上的人造物體，例如登陸器的太陽能電池板，或者火星車的輪子。地球人送到火星上的機器人已經(jīng)告訴了地球人有關(guān)火星的大量信息?；鹦巧嫌刑栂抵凶罡叩纳剑鹦潜砻婧芸赡茉?jīng)存在過、并且現(xiàn)在也可能存在大量液態(tài)水或水冰。很久以前的火星并不像今天這般冷凍，也不是一片荒漠，而是溫暖、潮濕之地。然而，地球人從未踏足過火星。

地球人還未登陸過火星，因為去火星很不容易。自1971年以來已經(jīng)有18次機器人登陸火星的嘗試，其中11次飛行器要么墜毀，要么登陸后很快就不再運轉(zhuǎn)，要么與火星擦肩而過。既然送機器人去火星都這么困難，那么載人登陸火星的難度就可想而知有多大了。

載人登陸火星絕非不可能。美國宇航局計劃在10年后完成這個壯舉。美國太空探索技術(shù)公司老板馬斯克早就表示，他希望能在火星上建立人類定居點。中國、俄羅斯和印度等國都計劃嘗試在未來實現(xiàn)載人登陸火星。

火星探索熱潮將持續(xù)很長時間，其背后是各國的雄心壯志，也是科學(xué)創(chuàng)新的體現(xiàn)。雖然火星車能干不少事，但它們不可能像人類那樣運用主觀能動性、科學(xué)知識和直覺來主動探索一個大問題：地球人在宇宙中是唯一的智慧生命嗎？一些科學(xué)家認為，要想回答這個問題，火星是最佳去處。而如果要想真正了解火星，就必須送人去火星實地考察。

為了載人去火星，所需送入太空的物資數(shù)量將大大超過以往，還要穿越數(shù)千萬千米的行星際致命空間，并且最終安全登陸火星。這是非常高難度的挑戰(zhàn)，但并非不可能完成。本文介紹的是載人登陸火星的先后步驟。

載人飛近火星任務(wù)（示例說明圖）

有大富翁勸說美國宇航局合作開展載人飛近火星任務(wù)，往返火星的整個任務(wù)期為501天。

1 離開地球

地球與火星之間的最近距離大約為5500萬千米。這聽起來很遠，但穿越如此遠的距離對已有的火箭技術(shù)而言并非高不可攀。

一旦飛船遠離地球，地球引力就大大降低，這樣就能以較小的推力來推動飛船前往火星。載人火星之旅單程耗時為9個月左右，而俄羅斯航天員在空間站上最長已經(jīng)待過一年多。載人前往火星不需要新型推進技術(shù)，例如加速很慢的太陽帆，而是只需一枚指向正確方向的巨型火箭。

獵鷹重型火箭發(fā)射情景。

幾十年來的太空探索已經(jīng)教會科學(xué)家和工程師怎樣制造巨型火箭。目前有7種類型的火箭有潛力勝任載人火星之旅。其中最強大的火箭是太空探索技術(shù)公司的重型獵鷹火箭，它一次能發(fā)送18.5噸物資到太空，這么大的重量超過迄今所有火星登陸器和火星車，但一次載人火星任務(wù)的載荷量要大得多。一個6人火星機組往返火星一次所需的食物和飲水最少也超過20噸。美國宇航局在其2017年的一份報告中估計，如果把探測裝備和宇航員在火星表面待的時間考慮進去，載人火星飛船的物資載荷量將達到大約100噸。

這并非不可想象。正在研發(fā)中的美國宇航局太空發(fā)射系統(tǒng)和太空探索技術(shù)公司的巨鷹火箭，都屬于迄今最強大的發(fā)射系統(tǒng)。太空發(fā)射系統(tǒng)的火星任務(wù)計劃載荷量超過45噸，而巨鷹火箭的計劃載荷量超過100噸。也就是說，建造更大、更好的火箭并非難事。另外，可以在發(fā)射宇航員之前先發(fā)射一些設(shè)備，這樣載人飛船就可以瘦身。不過，下面步驟的難度都大增。

2 太空旅途

看來人類已經(jīng)掌握了在太空生存的法寶，畢竟，遠離地球的國際空間站上一直有宇航員駐守。從太空探索來說，造訪空間站就好比在自家后院安營扎寨。你可能會感覺自己離家很遠，但你的父母依然會帶給你三明治。如果去火星，你就得自帶干糧。

你要擔心的并不只是食物。如果火星飛船出故障，你必須有備用配件和工具來修復(fù)。如果你生病，你得有藥。把所有以防萬一的物資都帶上火星飛船顯然行不通，因為額外重量意味著更多燃料和費用。那怎么辦？解決辦法之一是帶3D打印機上飛船，需要什么就打印什么。國際空間站上已經(jīng)有一臺3D打印機，美國宇航局一直在拿它做實驗。載人火星飛船上也可能會有3D打印機和原材料，而不會搭載一大堆可能并不需要的零部件。

載人火星飛船上的藥柜里裝什么呢？這個難題更棘手。宇航員在空間站上的經(jīng)歷證實，細菌可以在飛船上活得很好。研究顯示，在模擬微重力條件下生長的細菌會對廣譜抗生素產(chǎn)生耐藥性，而且耐藥持續(xù)時間比在地面上長久?？茖W(xué)家正在研究怎樣克制細菌耐藥性，其中包括在飛船上容易臟的地方（例如衛(wèi)生間門上）安裝抗菌膜。有科學(xué)家建議，火星宇航員可以把藥物原材料帶上飛船，按需生產(chǎn)所需藥物，而非直接帶各種藥上飛船。目前，一種自動合成簡單藥物的系統(tǒng)已在太空接受測試。

開展載人火星任務(wù)，預(yù)計會使用3D打?。ㄏ胂髨D）。

載人火星飛船（想象圖）。

無論火星宇航員是否生病，他們都會面臨太空旅行對身體的負面影響。由于在太空無須與地球引力抗爭，因此宇航員的骨骼和肌肉會退化。研究表明，宇航員在太空中待兩星期會導(dǎo)致肌肉量減少20%，哪怕每天鍛煉也如此?；鹦且Ρ鹊厍虻男√?，肌肉和骨骼退化仍是問題，火星宇航員可能每天需要鍛煉幾小時，必須有特殊飲食，也許還需要穿上肌肉壓迫服。

除了失去地球引力外，火星宇航員也不會得到磁場庇護，而磁場會讓有害的宇宙輻射轉(zhuǎn)向。美國宇航局限定男性宇航員的輻射接觸量相當于大約26.8萬次胸部X光，女性宇航員的則要低20%。如果不考慮火星宇航員在火星表面的輻射接觸量，他們在返回地球的最短旅途中的輻射接觸量為限定值的60%?？茖W(xué)家指出，每一次載人火星任務(wù)都必須評估輻射量是否會危及宇航員健康，而火星宇航員的輻射接觸總量肯定會超過限定值，目前也無法通過實驗確定載人火星任務(wù)在輻射量限制下是否能夠進行。

火星宇航員也會有心理健康問題。在遠離地球的深空，宇航員面臨極大的心理挑戰(zhàn)，畢竟宇航員在離開地球之前早已習(xí)慣了地球風(fēng)景。也許這些風(fēng)景并不算漂亮，但地球人與地球有割舍不了的聯(lián)系，看見熟悉的地方才會心安。在遙遠的異鄉(xiāng)——火星，要想從心理上適應(yīng)無疑需要非凡的能力。

3 人員選定

火星宇航員選拔標準高于普通宇航員的標準，不但要通過強體力、強腦力和強心理測試，而且有其他要求。在前往火星途中，機組既不能減員也不能增員。通常認為機組包括4～6名宇航員比較合適，他們負責(zé)保障飛行順利。

某些人員（例如工程師、醫(yī)生和科學(xué)家）對火星機組來說不可或缺。火星宇航員不必是完美宇航員，但他們應(yīng)該組成完美的宇航員團隊。目前，美國夏威夷大學(xué)的太空探索及模擬實驗仍在進行中，參與該實驗的志愿者一次要在模擬火星基地里待好幾個月，在此期間出艙時要穿模擬的火星服，還需要忍耐火星與地球之間的20分鐘通信滯后。

該實驗發(fā)現(xiàn)，如果一兩名機組成員感覺自己與他人不同，就經(jīng)常會造成沖突。這些差異體現(xiàn)在國籍、性別和音樂偏好等方面。例如一個三男一女的機組，或者機組中有人喜歡整天播放重金屬音樂，這樣的機組就可能因興趣或觀點不同而崩潰。讓整齊劃一、彼此相似的宇航員組成火星機組也不合適。如何保證火星機組成員的多樣性，又不至于產(chǎn)生劇烈沖突？目前這仍是一個難題。

“火星500”實驗場景。

讓火星機組準備好執(zhí)行火星任務(wù)，很可能需要接受比現(xiàn)在宇航員團隊更大強度的訓(xùn)練。機組每個成員都必須懂得應(yīng)對其他成員的個性，至少能化解人際交往中的小沖突。不然的話，沖突從小變大的滾雪球效應(yīng)會難以收拾。美國宇航局心理學(xué)家指出，火星機組每個成員都必須學(xué)會把自己視為整個機組的一部分，必須把機組統(tǒng)一看得高于自己的個性，必須適應(yīng)機組整體生活和運作。因此，火星機組在實際執(zhí)行火星任務(wù)之前必須在這些方面接受嚴格訓(xùn)練。

4 登陸火星

在浩渺太空旅行9個月后，火星機組將迎來行程中最危險的部分——登陸。登陸火星的困難在于火星大氣層幾乎不存在——它的平均密度還不到地球大氣層的1/160，因此降落傘不可能創(chuàng)造阻力來讓載人火星飛船減速?？茖W(xué)家考慮使用助推器為火星飛船減速，就像阿波羅機組宇航員登陸月球時那樣。因為火星引力比月球的大，所以火星飛船需要多得多的助推器來減速。這意味著火星飛船需要合并助推器組和其他設(shè)備來創(chuàng)造阻力。

這種方法已在一次1噸重的機器人任務(wù)中取得成功，但火星飛船要重太多，所以科學(xué)家正在研發(fā)這種助推器的升級版。其中一個版本是美國宇航局的膨脹式空氣動力減速器。它其實是一系列登陸裝置，它們利用凱夫拉纖維強化一個比降落傘強度高得多的爆發(fā)式膨大結(jié)構(gòu)，由此創(chuàng)造更大阻力。該局已在地面上小規(guī)模測試并取得成功。

載人飛船登陸火星（想象圖）。

但對載人火星飛船來說真正困難之處不在于怎樣登陸火星，而在于在哪里登陸?；鹦莾蓸O附近看來是最佳登陸地點，因為這些地方存在地下水冰，甚至可能存在地下湖泊，而液態(tài)水對于火星機組來說當然是一大重要資源。人類生存離不開大量水，而水很重，火星機組能帶到火星上的水量有限。科學(xué)家提出的許多載人火星任務(wù)建議中，都包括因地制宜使用火星水來制造火星機組返航所需的火箭燃料。

問題是溫度可低至-195℃的火星極地經(jīng)常有風(fēng)暴發(fā)生，因而給載人火星飛船的登陸造成困難?；鹦莾蓸O也不是令人滿意的登陸地點，例如火星北極平原很平坦，但也很單調(diào)。與火星極地相比，火星赤道地區(qū)大多數(shù)時候溫度在-100℃以上，有時可達20℃，并且赤道地區(qū)陽光更多，火星宇航員可在這里采集太陽能。更妙的是，火星赤道風(fēng)暴很少，值得探索的各種有趣地貌比比皆是。令人遺憾的是，火星赤道也有一大缺點——缺水。

看來選擇載人火星飛船的登陸地點真是一個兩難問題。對于第一批火星機組來說，在可以預(yù)測狀況的地點登陸或許最簡單，畢竟火星車已經(jīng)探索過這類地點。一旦著陸，火星機組必須原地停留一陣子。就算不建立永久性火星定居點，他們也必須在火星表面至少待幾個月，以等待火星與地球的相對位置能讓他們返回地球的旅途時間盡可能短。換句話說，就算火星機組不建立火星永久定居點，也必須有火星基地。

火星基地必須應(yīng)對火星可能致命的種種風(fēng)險。除了前面提到的嚴寒之外，火星宇航員還會遭遇通常不會在火星稀薄大氣層里燃盡的微隕石襲擊。還有火星表面來自太空的致命輻射——火星沒有全球范圍的磁場來讓這些輻射轉(zhuǎn)向。也因為火星大氣量太少，所以火星氣壓很低，幾乎與深空的真空氣壓相當。

載人火星飛船內(nèi)景（想象圖）。

火星冰屋（想象圖）。

對這些風(fēng)險的最簡單防御措施，可能就是讓宇航員盡可能待在火星飛船里，但登陸飛船上的可活動空間狹窄。另一個選擇是把火星保護棚或保護棚建造材料帶到火星。美國宇航局正在舉辦3D打印居住點的競賽，目前已有許多方案入選。其中一些方案建議采用登陸飛船材料來建造火星居住點，但也需要采用其他建筑材料，這當然會增加發(fā)射重量，因而不太行得通。那些建議使用火星當?shù)刭Y源的方案更受青睞，比如壓縮火星土壤來制磚，建造像冰屋那樣的保護棚。即便如此，在火星上建造居住點很可能仍需要提前發(fā)射一些建材包到火星。

有可能把火星地殼當作火星機組的天然保護棚。有一個建議是，火星機組在火星表面由古代熔巖流形成的柱狀洞穴中建立定居點。在火星軌道探測器拍攝的火星表面照片上，可以看見這類洞穴的入口?？茖W(xué)家探索過地球上類似的洞穴，它們的寬度通常為30米。由于火星表面引力很低，因此科學(xué)家推測火星上這種洞穴的寬度可達270米，長度可達上萬米。有朝一日，這種火星洞穴可能將容納一個完整的火星定居點街區(qū)。

勇敢的火星探索者還有其他緊迫需求需要考慮。他們在火星上的食物可能是提前凍干的，干果和種子事先包裝好。如果無法從火星大氣獲取氧氣的話，那么氧氣罐也會被提前發(fā)送一部分到火星。但解決水的問題沒那么容易。就算火星機組登陸地點地下有大量水冰，機組也需要重型設(shè)備來提取它，并且無法保證水冰一出地表就能使用。事實上，科學(xué)家至今對火星水冰了解很少。能否從火星水冰提取可飲用水，目前仍是未知數(shù)。就算可以飲用火星水，也不能保證水里沒有有毒物質(zhì)。因此，火星機組也很有可能需要把復(fù)雜的過濾裝置帶到火星。

火星宇航服也是個大問題：它們必須能很好地把火星塵埃隔絕在外，尤其是因為火星土壤中可能充滿宇航員一旦吸入或吞下就會致命的化合物。美國宇航局正在研發(fā)的新一代宇航服和特殊覆膜材料將可能解決塵埃問題?？茖W(xué)家警告說，載人火星任務(wù)執(zhí)行之前必須盡可能確保萬無一失，因為在火星上一出問題就意味著死亡。

人類火星基地（想象圖）。

5 返回地球

有些人會想當然地認為，人類將會永久定居火星。目前所有載人火星任務(wù)構(gòu)想都包括把火星宇航員送回地球，畢竟火星環(huán)境異常嚴酷，要想把火星改造成地球這樣的計劃純屬科幻，人類可能根本無法、也不希望在火星上長期生存。這就意味著火星宇航員將在登陸火星后又要經(jīng)歷另一次火箭發(fā)射、另一趟為期9個月的征途和另一次行星登陸。幸運的是，這個第二次會容易些?；鹦堑南”〈髿鈱雍洼^弱的引力意味著離開火星表面進入太空難度不很大。雖然返程之旅依然漫長，但在歸途中宇航員熟悉的藍色地球斑點會日益醒目。在降落傘和地球大氣層協(xié)助下，登陸地球不是難事。

當火星宇航員從艙中探出頭來，清新的空氣和人們的歡呼聲將包圍他們。宇航員安全回家了，而火星沙塵暴將覆蓋他們在火星表面的足跡。不過，他們的火星基地會依然屹立，準備迎接下一批地球訪客。