載人登陸火星風險重重

龐之浩

新聞背景

今年以來，先後有荷蘭「火星一號」公司、美國「靈感火星」基金團隊宣布在全球海選飛往火星（項目）的志願者，前者還在日前來到上海招募火星永久定居者。據悉，有包括許多中國人在內的全球數萬名志願者已經報名參加。5月6日，美國航空航天局也召開新聞發布會，公布了令人矚目的2030年前後載人登陸火星計劃。

曾經多次「紙上談兵」

20世紀，人類實現了載人登陸月球，此後就開始考慮載人登火星的問題，其中以美國最為積極，先後出台過四個比較有影響的載人登火星方案。

1952年，美國火箭專家馮·布勞恩提出了「火星艦隊」方案，即發射10艘載人火星飛船，將至少50名航天員送到火星上去，但那時連衛星都沒有發射過，所以該方案也就不了了之了。

1987年，美國航空航天局組織一個空間委員會，提出了「90天研究報告」方案，建議耗資4500億美元，建造1000噸重的載人火星飛船（目前的「國際空間站」才420多噸），它可乘7至8名航天員。由於費用高昂，該方案當即就被美國國會否決了。

上世紀90年代初，美國火星學會提出了「火星直航」方案，它採用就地取材的方法，利用火星大氣生產火箭推進劑，耗資只有200億至300億美元，能將4名航天員送到火星表面。該方案還是沒被採納，可能是當時美國正全力研製「國際空間站」，且就地取材的技術難度太大。

1997年，美國航空航天局火星探測研究組又提出了「參考飛行」方案。它是「90天報告」和「火星直航」方案的一個折衷方案。不過，該方案仍沒有被採納。

在當今，不要說載人登陸火星，就是進行無人探測火星也充滿了風險。目前，全球一共發射了約43個火星探測器，只有26個獲得成功，成功率約60%，所以火星被稱之為「航天器墳場」。而要進行載人探測或登陸火星就必須克服更多的困難。

火箭個頭要足夠大

冷戰時期，美蘇曾在載人登月領域開展過激烈的競爭，蘇聯之所以最後敗北，就是因為發射其載人登月飛船的N1重型運載火箭4次發射失敗，而美國用土星5號重型火箭（近地軌道運載能力約127噸）多次成功發射質量約50噸的「阿波羅」載人登月飛船。載人火星飛船的質量必然大於載人月球飛船，所以首先需要研製出比土星5號火箭推力還大的重型火箭才行。

當然，也可採用新的方法——研製近地軌道運載能力60噸左右的火箭，用它分批發射載人火星飛船的各艙段到近地軌道，交會對接成完整的載人火星飛船後飛往火星。但這會增載入人火星飛船的成本和技術難度，對接次數也不能太多，否則會影響飛船的可靠性。

現在，美國私營的太空探索技術公司正研製近地軌道運載能力達53噸的「重型獵鷹」火箭，還擬研製近地軌道運載能力達170噸的「超級載重火箭」。美國航空航天局則正在研製「航天發射系統」重型運載火箭，其初始近地軌道運載能力為70噸，改進後將達到130噸。

美國曾計劃研製名為「普羅米修斯」的核動力載人火星飛船，它的飛行速度為87000千米/小時，是目前載人飛船速度的3倍，用2個月的時間就能到達火星。不過，當時的核動力火星飛船方案存在巨大安全隱患，它使航天員所受的輻射量相當於每天做8次X光胸透，所以下馬了。不過，隨著技術的發展，美國、俄羅斯現在又重啟核動力載人火星飛船的研製。

飛船性能要足夠強

目前，人類只研製出繞著地球運行的衛星式飛船和飛往月球的登月式飛船，但還沒有打造出載人登陸火星的星際式飛船，因為它的技術難度和成本大大高於前兩者。

有不少專家認為，載人登陸火星最大的困難之一是宇宙輻射。人在地球上生活時，由於地球磁場有屏蔽作用，所以能把銀河宇宙輻射的強度降低70%至90%。人即使在地球近地軌道上飛行，所乘坐的載人航天器也能受地球磁場的屏蔽作用，使航天員受到的輻射劑量較低。但在行星際空間飛行的載人火星飛船則要受到大劑量宇宙輻射，如果不加防護裝置，航天員所受的輻射劑量可高達幾百拉德。現有兩個解決方案，一是加厚火星飛船的艙壁，其最大缺點是飛船質量太大，給發射帶來巨大困難；二是在火星飛船四周產生人工強磁場，使射向火星飛船的輻射粒子偏離，其缺點是技術十分複雜，目前極難實現。

由於路途遙遠，來往火星至少要520天，因此，飛船要解決人身保護和空氣、飲食供應等許多難點。目前能夠想到的方法有三：一是由地面帶過去，包括先用貨運飛船把生活用品發到預定著陸地點；二是採用再生式生命保障系統，對航天員的尿液、汗液、呼出的二氧化碳進行回收處理,循環使用,並在艙內種植能放出氧氣、吸收二氧化碳的蔬菜,以減少地面運輸的壓力；三是就地取材，生產航天員生活和工作所需物資，包括分解火星大氣，使用3D印表機生產火星飛船的零部件等。另外，還需為火星飛船長途航行提供可靠的動力。

著陸、返回都是難點

飛船在火星著陸時要經歷「恐怖的7分鐘」，好在火星有大氣，可以利用降落傘減速。

著陸後首先要解決能源供應，因為火星比地球離太陽遠得多，靠太陽電池供電難以滿足需求，而且火星的沙塵暴是地球12級颱風的幾倍，持續時間達幾個月，容易覆蓋太陽電池而嚴重影響其工作，所以光靠太陽電池供電難以滿足需求，如用核電源則存在如何保證航天員的安全性問題。火星沙塵暴對火星著陸器和艙外火星服密封性、可靠性也是一個考驗。另外，火星上的溫度比地球低許多,這對火星著陸器溫度控制系統提出了很高的要求；當然，這也涉及到著陸地點的選擇，如果把著陸器停在洞窟里，就能冬暖夏涼並防宇宙輻射，但會給著陸的安全性帶來麻煩。

火星引力是地球的約1/3,在地球軌道使用的艙外航天服（120公斤）以及月球航天服（引力為地球的1/6）都無法在火星上使用，所以必須研製出功能強、質量輕的火星航天服。

從火星返回地球更為不易，因為火星引力較大，火星著陸器的上升級必須有較大的推力才行；火星飛船返回地球時的速度也比登月飛船快得多，所以難度大增，要嚴格控制進入地球軌道的角度和速度及時機，否則不是掠過地球就是墜毀在地球上。

延伸閱讀

航天員得是「鐵人」

男女混合編隊最適宜

有人說，在未來的載人火星飛行中，任務成敗的關鍵不在於能不能設計出可安全飛往火星的飛船，而在於能不能選拔和訓練出能夠完成這項任務的航天員。

在飛往火星途中和到達火星後，航天員長期處於微重力和低重力狀態，會出現肌肉鬆弛或骨質變輕等太空綜合症。雖然可以用吃藥和鍛煉等方法緩解這一影響，但目前仍然沒有令人滿意的解決方法。克服失重不利影響的最好辦法就是用人工的辦法產生重力，但是由於技術上的困難，目前在航天中還無法採用人工重力作為防護措施。

就目前的技術水平而言，航天員到火星一個來回至少需要約520天。在這樣長的時間裡待在一個狹小的環境中，對於火星航天員的生理和心理等來說都是極為嚴峻的挑戰，尤其是心理。火星航天員能不能保持正常和穩定的心理狀態將火星旅行堅持到底，取決於航天員的心理選拔。

研究表明，去火星必須是由4或6人等偶數組成的乘員組，以免交談中孤立出1人來。如果火星乘員組是由4人組成，其中1名是有駕駛航空器或航天器經驗的駕駛員，1名是懂心理、婦科、牙科等的全科醫生，1名是會修理飛船的全能工程師，還有1名是懂氣候、地質的全才科學家。如果由6人組成，則其中應該有2名工程師航天員和2名科學家航天員。另外，男女混合編隊比清一色的男性航天機組更有利於長期火星任務的完成，在這裡最重要的是團隊精神。