劉安立

有科學家提出，要想在2039年之前載人登陸火星，就需要在2033年之前載人登陸火星的衛(wèi)星福波斯。

美國宇航局曾經(jīng)設(shè)想，最早能在21世紀20年代末載人登陸火星。雖然這一目標現(xiàn)在看來難以實現(xiàn)，但一項新研究表明，在不遠的將來載人登陸火星并非癡人說夢。這項研究提出，要想在2039年之前載人登陸火星，就需要在2033年之前載人登陸火星的衛(wèi)星福波斯（火衛(wèi)一）。

美國宇航局噴氣推進實驗室科學家普萊斯說：“載人登陸火星在我們這代人的有生之年就可能實現(xiàn)，而且經(jīng)費也不需要業(yè)界預(yù)計的載人火星任務(wù)最低花費——萬億美元那么高昂。”載人登陸火星是美國宇航局載人航天長期計劃的重頭戲。事實上，美國前總統(tǒng)奧巴馬希望宇航局能在2035年前后載人登陸火星。科學家認為，要想載人登陸火星，需要先抵達火星附近。為此，不妨先前往火星的兩顆小小衛(wèi)星——福波斯和德莫斯（火衛(wèi)二）當中的一顆，然后再登陸火星。普萊斯說，把載人火星之旅分成兩階段能降低風險和成本，更有助于一年一年實質(zhì)性地推動載人登陸火星的最終實現(xiàn)。

普萊斯及其在噴氣推進實驗室的兩位同事提出的載人火星任務(wù)架構(gòu)是：2033年之前載人去福波斯，2039年之前載人登陸火星。這一架構(gòu)只是一種設(shè)想，并非是美國宇航局的官方戰(zhàn)略，但普萊斯希望這個架構(gòu)能幫助大家從比較樂觀的角度來看待載人火星探索。就算在科學界，認為載人火星之旅太困難的悲觀情緒也很普遍，認為在近幾十年根本無法實現(xiàn)載人火星之旅的大有人在。還有人認為，要想載人登陸火星，不花上萬億美元是不可能的。但普萊斯等人指出，這種極度悲觀是不必要的。

按照普萊斯等人設(shè)計的架構(gòu)，在載人登陸火星之前，有必要先在福波斯上建立一個基地。該計劃需要美國宇航局仍在研發(fā)和測試中的“太空發(fā)射系統(tǒng)”巨型火箭發(fā)射4次。其中首次發(fā)射在2029年進行，發(fā)射一艘星際交通船和兩大化學推進載荷（一艘福波斯轉(zhuǎn)移火箭和一艘地球轉(zhuǎn)移軌道射入火箭）。星際交通船將使用太陽能電力推進，在不到4年時間里，把這兩艘火箭送入火星軌道。普萊斯說，這一架構(gòu)無需現(xiàn)有推進技術(shù)有大突破便可實現(xiàn)。

巨型火箭的第二次發(fā)射將攜帶另一艘星際交通船和預(yù)制的福波斯小型基地，該基地能支持4人機組生存。星際交通船將把基地投送到福波斯表面科學家指定的位置，然后與基地居住艙待在一起，提供動力。

巨型火箭的第三次發(fā)射可以在2032年前后進行，將攜帶一個深空居住艙（與福波斯基地居住艙設(shè)計相同）和一艘火星軌道插入火箭到地球軌道。

巨型火箭第四次發(fā)射將把一艘“獵戶座號”飛船和一個4人機組送去與這套設(shè)備對接。這些設(shè)備將把宇航員們送入火星軌道，這段旅程將持續(xù)200～250天。在福波斯表面待命的轉(zhuǎn)移火箭將在2033年把4人機組送到福波斯表面的基地。宇航員們將在那里待大約300天，然后離開福波斯返回地球。福波斯居住艙將保留在福波斯表面，等待可能前來的另一批宇航員。普萊斯說，這一福波斯中轉(zhuǎn)架構(gòu)是是實現(xiàn)宇航員往返于地球—火星軌道的有效手段。

根據(jù)該架構(gòu)，可使用類似的多步驟方法（采用星際交通船和預(yù)制設(shè)備）讓宇航員在2039年登陸火星，但這需要巨型火箭發(fā)射6次，而非4次。為此，要把一艘23噸重的登陸器送入火星軌道，讓它在那里等待宇航員到來。登陸器包含一個居住艙及一艘火星上升飛船。在宇航員返回地球時，這艘飛船將把宇航員帶離火星表面。

與之前美國宇航局發(fā)射到火星表面的機器人飛船不同，這艘登陸器登陸火星不是借助降落傘，而是依賴制動火箭。該火箭有可能是正在測試的“超音速可膨脹空氣動力減速器”。普萊斯說，宇航員首次登陸火星將會是短暫的，登陸器只能支持一個2人機組在火星表面待28天，或者一個4人機組待6天。普萊斯設(shè)想，具有重要歷史意義的載人火星任務(wù)將不同于美國20世紀60～70年代的載人登月，不會只是在外星表面走一走，插國旗，此后就不了了之，而是可能為更具雄心的跟進任務(wù)鋪路。例如，每4年發(fā)射一次載人火星飛船，宇航員每次在火星表面待12個月，最終在火星表面建立大型人類基地。普萊斯設(shè)想，在火星就地取材，經(jīng)過50或100年，或許能在火星上建立起像現(xiàn)在地球南極基地那種大規(guī)模的永久性居住點。

普萊斯團隊請美國非營利機構(gòu)“航空航天公司”為這一載人火星任務(wù)架構(gòu)進行成本評估，結(jié)果是這一架構(gòu)的預(yù)算在美國宇航局年度預(yù)算以內(nèi)。

其他載人去火星設(shè)想

“火星靈感” 美國非營利機構(gòu)“火星靈感基金會”計劃在2018年2月發(fā)送兩人（最好是一對夫婦）飛近火星。這兩人不會登陸火星，而是將在距離火星表面160千米的地方近觀這顆紅色星球，然后返回地球。不過，該計劃就目前來看只能是放空炮?！盎鹦庆`感基金會”由美國億萬富翁蒂托牽頭，蒂托因造訪國際空間站而成為全球首位太空游客。

“火星一號” 荷蘭一家非營利組織宣布，希望在火星建立永久性人類定居點。該組織希望在2023年讓4名宇航員登陸火星，花費估計達60億美元，資金來源要靠該組織在全球范圍的媒體宣傳收入，例如首批火星宇航員選拔等超大型公關(guān)活動。按照該組織設(shè)想，這4名宇航員將不會返回地球。他們登陸火星后，該組織每兩年向火星發(fā)送一去不回的宇航員，這些宇航員共同營造地球人的火星家園。全球已有超過20萬人競爭該組織的火星宇航員職位。然而，“火星一號”的載人火星任務(wù)計劃被專家指責為純屬噱頭。

“火星移民” 艾龍·馬斯克是美國私立航天機構(gòu)“太空X”的創(chuàng)建者和電動汽車公司特斯拉的首席執(zhí)行官。馬斯克說，他在2002年創(chuàng)建“太空X”的主要目的就是幫助地球人移民其他星球。早在2012年11月，他就宣布了載人登陸火星的構(gòu)想。他設(shè)想，使用一艘由液態(tài)氫和甲烷驅(qū)動的巨型可重復(fù)使用的火箭，把地球移民送到火星。首批火星移民或許只有10人，但最終火星社區(qū)人數(shù)將可能達到8萬人。要想實現(xiàn)這一設(shè)想，最關(guān)鍵的是研發(fā)可重復(fù)使用的巨型火箭，“太空X”正在進行這方面努力。不過，雖然就連美國宇航局也與“太空X”有合作，但馬斯克的這一設(shè)想就目前來看還不著邊際。endprint

“火星為本” 這一計劃在20世紀90年代由美國“火星學會”帶頭人祖布林提出，其核心是采用就地取材策略，讓人類定居火星的成本盡量低。按照祖布林的設(shè)想，運用現(xiàn)有技術(shù)把宇航員送到火星，然后宇航員利用火星大氣來制造氧和火箭燃料，用火星土壤提取水和建筑材料，用一座核反應(yīng)堆提供動力。隨著時間推移，該定居點將變得越來越能自給自足，對來自地球的昂貴的物資供給的依賴會越來越少。當然，這一設(shè)想的實現(xiàn)目前沒有時間表。

“火星為本”架構(gòu)介紹

在傳統(tǒng)火箭發(fā)射中，火箭的所有級在燃盡后都被拋棄。而在“火星為本”架構(gòu)中，火箭的最后一級通過長系繩與機組艙連接。當這一級的燃料耗盡后，系繩打開，產(chǎn)生一個質(zhì)量中心沿著系繩的兩體系統(tǒng)。接著，該系統(tǒng)沿著質(zhì)量中心旋轉(zhuǎn)，燃盡后的火箭級充當機組艙的抗衡，由此產(chǎn)生重力（太空真空只有微重力，而人類適應(yīng)的是重力，所以必須在太空中為宇航員制造重力）。

火星飛船發(fā)射窗口大約每兩年打開一次，就是在地球和火星相互定向合適之時?！盎鹦菫楸尽奔軜?gòu)包含頭一年的一次發(fā)射，之后兩個發(fā)射窗口各發(fā)射一次。

第一年 從地球發(fā)射第一艘返程飛船，它裝備制造推進劑的一座反應(yīng)堆進入低能量軌道。它將在火星著陸，為宇航員返程生產(chǎn)燃料。

第三年 從地球發(fā)射第二艘返程飛船。發(fā)射一個載人艙（居住艙）進入快速軌道，搭載機組到第一艘不載人返程飛船著陸地點，該返程飛船將搭載機組回地球。

第五年 從地球發(fā)射第三艘返程飛船，替換上一個機組搭載而返回地球的返程飛船。發(fā)射第二個居住艙，搭載一個機組去替換第一個機組。

“火星為本”架構(gòu)設(shè)想的前往火星的單程旅途時間為150天，宇航員在火星表面待550天，直到返程時間窗口打開。其他載人火星任務(wù)時間表中，在行星際空間旅行時間太多，從而減少了宇航員待在火星表面的時間。

“火星為本”架構(gòu)中有許多內(nèi)置安全系統(tǒng)。機組登陸火星后，如果發(fā)現(xiàn)返程飛船并未生產(chǎn)返程燃料，怎么辦？返程飛船在機組登陸火星之前兩年發(fā)射，按計劃它一到火星就立即開始生產(chǎn)燃料。當生產(chǎn)過程結(jié)束后，飛船要向地球發(fā)信號，表明自己已準備好。如果燃料生產(chǎn)失敗，飛船就不會發(fā)信號，所以飛船機組就可以在離開地球之前知道這一點，那么就不會發(fā)射機組到火星了。就算出差錯，不知道返程飛船制造燃料失敗，機組也只需使用與他們在同一發(fā)射窗口發(fā)射的第二艘返程飛船來返回地球。如果飛行過程中出錯，機組需要在登陸火星之前返回地球，怎么辦？他們是否需要等待下一個發(fā)射窗口才能回地球？不是的，地球與火星之間的一些自由回歸軌道能讓機組放棄火星登陸，改為回歸地球，而無需耗費更多燃料?！盎鹦菫楸尽奔軜?gòu)建議使用一條周期為兩年的自由回歸軌道，這意味著如果機組不能登陸火星，那么他們將在離開地球后兩年返回地球。

“火星為本”架構(gòu)指出，只需使用當初把宇航員送上月球的“土星5號”火箭，就足以發(fā)射載人火星任務(wù)的必需裝備到火星?？傊?，只需利用現(xiàn)有技術(shù)，載人火星之旅的一些技術(shù)問題（不包括長時間太空飛行和與地球隔絕造成的宇航員心理問題等）是不難解決的。不過，“火星為本”架構(gòu)的實現(xiàn)依然有很大難度，有很多問題懸而未決。

火衛(wèi)福波斯和德莫斯

火衛(wèi)一福波斯是最靠近火星的兩顆天然火衛(wèi)之一，另一顆就是火衛(wèi)二德莫斯。這兩顆火衛(wèi)都是由美國天文學家霍爾在1877年發(fā)現(xiàn)的。福波斯個頭不大，形狀不規(guī)則，平均半徑11千米，質(zhì)量是更遠離火星的德莫斯的7倍。德莫斯的平均半徑為6.2千米。它距離火星2.25萬千米，每30.3小時環(huán)繞火星一圈。在希臘神話中，德莫斯是福波斯的孿生弟弟，也是恐怖的化身。

福波斯的軌道距離火星表面6000千米，比其他已知的任何衛(wèi)星都更靠近母行星。正因為福波斯太靠近火星，所以它環(huán)繞火星的速度比火星自轉(zhuǎn)速度快得多。福波斯每7小時39分就環(huán)繞火星一圈。因此，從火星表面看去，福波斯看起來從西邊升起，大約用4小時15分鐘劃過火星天空，然后在東邊落下。每個火星日，這樣的情況出現(xiàn)兩次。

福波斯是太陽系中反射率最低的天體之一。福波斯的表面溫度從其被光照一面的大約-4℃變到背光面的-112℃。福波斯最顯著的表面地貌是巨大的隕擊坑斯蒂克尼，它占據(jù)了福波斯表面很大一部分。探測器拍攝的圖像和理論模型表明，福波斯可能是由一層薄地殼包裹的一個石堆，而且它正在被潮汐互動撕裂。福波斯正以每100年大約2米的速度接近火星，因此，在3000萬～5000萬年后，福波斯將與火星碰撞，或者碎裂成一條行星環(huán)。

科學家認為，福波斯或許將成為載人火星任務(wù)的初期目標。如果宇航員在福波斯表面遙控火星表面的機器人，不會出現(xiàn)明顯滯后。早期載人火星探索應(yīng)該注意保護火星環(huán)境，所以科學家考慮讓宇航員在福波斯上遙控火星表面機器人，而不是直接登陸火星。另外，登陸福波斯也比登陸火星的難度低、成本小，更易實現(xiàn)。火星登陸器必須要能完成大氣層進入和后來的返回，而且是在沒有支持設(shè)備的情況下完成（這種支持設(shè)備能力在載人航天中從未嘗試過），或者要求在火星上就地創(chuàng)建支持設(shè)施（這種火星移民任務(wù)更復(fù)雜）。福波斯登陸器可參照月球和小行星登陸器的設(shè)計。登陸和離開福波斯的變速要求，只有登陸和離開月球的80%，部分原因是福波斯的引力弱。

科學家最近提出，福波斯的沙土可在火星載人飛船的制動中充當一種寶貴的材料。因為飛船在福波斯的變速成本小，所以只需使用從地球上帶去的少量化學燃料就可以把福波斯表面大量的沙土（來自于一個永久性前哨站）送進轉(zhuǎn)移軌道。在載人飛船向火星表面降落的過程中，在飛船前方釋放這些沙土，使飛船前方的大氣密度增加，就有助于飛船減速。endprint