漫話登陸和開發(fā)火星

尹懷勤

2011年11月4日歐俄進(jìn)行的火星-500試驗結(jié)束，同年11月26日美國“好奇”號火星車又發(fā)射升空飛馳火星，這些活動都是為美、俄、歐計劃于本世紀(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)征火星是充滿艱險的進(jìn)取，面臨著必須克服的眾多難題：一是飛行動力的問題；二是人身保護(hù)和空氣、飲食品供應(yīng)問題；三是人體必須適應(yīng)新的環(huán)境問題；四是著陸火星和實時聯(lián)系問題。

1999年，專家們指出，在太空獲取氧氣和為飛船提供動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)動機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)。同時，俄美兩國正在地面的封閉艙里訓(xùn)練航天員如何在長期的太空飛行中生活和從事科學(xué)考察。事實上，俄航天員波利亞科夫早已在“和平”號空間站上創(chuàng)造了連續(xù)飛行438個晝夜的記錄。航天員在“和平”號空間站和國際空間站上進(jìn)行了數(shù)百次航天器成功對接，試驗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，如果是從地面直接發(fā)射，就需要研制比土星5號火箭推力還要大的運載火箭；如果是送到國際空間站上組裝后發(fā)射，但由于15年后國際空間站業(yè)已報廢，需要建設(shè)新的大型空間站和運送部件的航天器；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程中，因為不能由地面指揮中心進(jìn)行實時控制，也不能像“勇氣”號那樣接觸地面后靠氣囊緩沖多次彈跳，故而要求自動控制裝置工作必須絕對可靠，降落傘面積要足夠大，制動火箭性能非常穩(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接，再返回地球。解決這些難題要比解決無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。在返回地球飛行過程中，飛船要及時接收地球飛控中心的遙控指令，適時調(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，這比對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月的一則報道，美國宇航局正在籌劃百年星艦計劃，準(zhǔn)備用載人航天器將4名航天員送上火星，并實現(xiàn)永久性居住。這一消息曾引發(fā)熱議，因為它和以前的計劃有所不同，航天員從有去有回變成了只去無回。

屆時4名航天員將長居火星，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)動力，也可選擇相對較短的路徑前往，以便更快地到達(dá)目的地。為此，需要開展新型動力裝置的研發(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)?00萬攝氏度的等離子體，然后用磁場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天的時間。一旦這種推進(jìn)裝置研制成功并被證明可靠，無疑對百年星艦計劃的實現(xiàn)是一個巨大的推動。

2009年6月，美國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，使后者通過噴管膨脹加速排出，從而產(chǎn)生推力。但這種核動力裝置不宜用在載人火星飛船上，只能用在貨運飛船上。因為它留給船內(nèi)的輻射量相當(dāng)于航天員每天做8次x光胸透，即使用在貨運飛船上，從地面發(fā)射時也用不著這種核火箭，只能等待多級化學(xué)運載火箭將貨運飛船送入數(shù)百千米高的繞地軌道運行后，才啟動核火箭工作推動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期工作，而且秒速可達(dá)24.17千米，推動貨運飛船抵達(dá)火星的時間可縮短到兩個月之內(nèi)。

為了把4名航天員送上火星并讓其長期駐守在那里，除了要在志愿者中進(jìn)行嚴(yán)格挑選外，還必須要讓他們在地面上做一系列的模擬試驗，掌握處理可能遇到的各種問題的基本技能。這種試驗要比6名志愿者團(tuán)隊開展的火星500試驗所含的項目和內(nèi)容更多，環(huán)境和條件也會更為惡劣，操作亦會更為復(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)工程可分為三個步驟逐步實施。

第一步，制定基地規(guī)劃和設(shè)計方案，并按照設(shè)計要求研制生產(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，要求所有設(shè)施和儀器最大限度的智能化和自動化，盡可能多地使用機(jī)器人。考慮到距離地球遙遠(yuǎn)、運輸困難、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，有計劃地向火星發(fā)射多艘載人和貨運飛船，并著陸于選定的基地地點，從實地勘測、清理場地開始進(jìn)行基本建設(shè)的施工。有些建筑材料可能就地取材。同時還需要從地球上向火星發(fā)射通信衛(wèi)星，最好是定點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都能保持與地球的通信聯(lián)系。

第三步，通過大約8年時間的建設(shè)施工和多批航天員登陸火星，逐步建成火星永久基地。該基地可能像一個大超市那么大的規(guī)模，由航天員生活區(qū)、日常工作場所、移動火星車、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期居住。

開發(fā)火星資源

建設(shè)火星永久基地，無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)，以逐步開發(fā)和利用火星資源。通過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。火星含有多種元素，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，有些元素極具開發(fā)價值。

鑒于火星有大氣層，雖然大氣稀薄，但仍可考慮在擴(kuò)大了的基地上開設(shè)航空工廠，制造適宜火星大氣的飛機(jī)，以便對火星進(jìn)行大面積的高效快速探測。這種飛機(jī)可分為兩種：第一種是巡航機(jī)，從基地機(jī)場起飛，以每小時數(shù)百千米的速度在距離火星表面約10千米的高度上飛行，可對火星的大氣、磁場、重力、地質(zhì)、火山等進(jìn)行巡視探測。第二種是直升機(jī)，能夠載人到預(yù)定地點進(jìn)行小范圍的實地考察，還可以向火星表面適當(dāng)?shù)攸c放置氣象站、震動儀等固定設(shè)備，組成探測網(wǎng)。當(dāng)然，這兩種火星飛機(jī)也可以作為兩個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，能對太陽系、銀河系以至宇宙深空進(jìn)行更清晰的觀測，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，將會不斷擴(kuò)大試種范圍，讓多種多樣的植物在火星上開花結(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)展和人類開拓天疆的強(qiáng)烈愿望的角度來看，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，對開展太空探索活動具有重要意義。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，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，成為運載火箭的燃料。由此可見，火星永久基地亦可擴(kuò)建為開展宇宙航行的中途站。當(dāng)然，這也有利于開展火星旅游觀光活動，并形成一種新的產(chǎn)業(yè)。雖然這是多年以后才能實現(xiàn)的飛天理想，但卻激勵著現(xiàn)代航天人向此目標(biāo)步步逼近。到那個時候，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，還有測控網(wǎng)、著陸場等缺一不可的系統(tǒng)工程，火星表面將會出現(xiàn)越來越熱鬧的景象。