假如真的要去火星

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美國太空總署(NASA)於今年6月中發布一項火星探測的重要發現：在火星地表曾有液態水存在的證據。在此之前，億萬富翁伊隆·馬斯克和他創立的 SpaceX 公司也把下一次配送跑車的地址定在了火星。

之後呢？在 2024 年前實現一次載人任務……雖然時間緊迫，但不妨一試！

好吧，假設我們已沒有其他選擇，例如一顆巨型隕石逼近大氣層，或是不友好的外星人造訪了地球……大禍臨頭之際，人類不得不前往火星。如此挑戰就好比在沙灘上隨意找一隻螞蟻放在樹枝上，隨後將樹枝扔進海里並囑咐螞蟻：「去吧，自己想辦法找出新大陸！」

火星離地球很遠，與地球間的距離至少是地月距離的150 倍。而一路上除了真空還是真空，所以操縱宇宙飛船與飛行員操縱噴氣式飛機毫無可比性。

飛機在大氣層中飛行：它可以在飛行中獲取燃燒航空煤油所需的氧氣，並無機載的必要。藉助空氣，飛機可以輕鬆地轉彎、加速或減速。而前往火星，更像是在投籃：在出發時提供一次性推進力，隨後任由拋射物（即飛船）在引力作用下做曲線運動。

接下來只能祈禱飛船順利到達預定地點，以我們的例子來說就是火星附近。此外，飛機可以通過噴射更多氣體來提高飛行速度，從而提早到達目的地。但如果發射宇宙飛船時寄望于飛得更快而加大推進力，飛船將會與目的地失之交臂，就像投籃時用力過猛一樣。

何時才是出發的好時機？

因此，對於既定的運動軌跡，只有一種可行的速度，換句話說無法縮短旅程時間。計劃是直接在近地軌道上建造一艘飛船，類似國際空間站（ISS）的建造過程。當時機成熟時，再通過精心計算的推進力，將飛船發射出去。

那什麼時候才是發射的好時機呢？每 26 個月——就近來 說 涉 及 2018 年，2020 年，2022 年和 2024 年——地球與火星會處在最節省飛船燃料的相對位置（後文將會提及，燃料量有多麼至關重要）。

這種路徑便是所謂的霍曼轉移軌道。如此飛向火星僅需大約250 天，不過接下來得在火星待上將近 500 天，才能再次沿著霍曼轉移軌道返航。

總之，不管用什麼方式推進，化學燃料火箭、還未面世的核動力火箭或是暫時只存在於科幻小說中的反物質飛船，完成一次這樣的任務需要大約1000 天，將近 3 年！那如果我們不考慮節省燃料，優先縮短任務時間呢？

理論上，只需等到火星與地球相對距離最短時，便可通過一次超高速發射使飛船從一頭跳至另一頭——更像是一次傳球，而非投籃。

前往火星可不輕鬆

問題是，如果想提高飛行速度，火箭就需要消耗更多燃料，這意味著要攜帶的也更多，其總質量便會提升。而火箭質量提升，達到相同速度便需要消耗更多燃料，這些燃料又會增加額外質量，如此循環往複……

依現有的火箭推進系統，同時也將是 2024 年人類僅有的推進系統來看，飛船顯然會變得十分龐大：速度提升為「經濟模式」的 10 倍將導致飛船需要攜帶數千倍的燃料！

好在還有一個義大利太空科學家加埃塔諾·克羅科（Gaetano A. Crocco）提出的策略可供考慮。他的思路可以將逗留在火星上的時間縮至 1 個月，但得多消耗 3 倍燃料，而整個旅程中對機組人員來說最危險的太空巡航與先前方案的一樣漫長，仍需 500 天左右。還不如選擇更理性的「經濟模式」，並將飛船保持在可實現的尺寸。

出發前帶足物資

即使是這樣的飛船，其質量已然很可觀，因為需要攜帶充足的水、食物和氧氣以供宇航員（假定是 4 名）生活 1000天。

我們憧憬著有朝一日可以從火星凍土中提取水資源。遺憾的是火星土壤飽含高氯酸鹽，從中提取的水會和漂白劑一樣具有強烈的刺激性！將這種水凈化為飲用水的技術還未面世，而且無論如何我們也沒法在 2024 年前抵達火星進行實地測試。

註：據法新社報道，《Science》雜誌研究表明，首次在火星上發現液態水湖的存在。報道稱，科學家們在火星上發現了巨大的地下蓄水層，這是目前為止在火星上發現的最大液態水體，大約有20千米寬，深約1米，位於火星表面下1.5公里處一個巨大的極地冰川下。

#每日新聞# 【火星發現第一個液態水湖，…?

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所以水必須在地球就帶上：按每人每天 10 升計算，完成一次長期任務就是 40噸。如果我們使用國際空間站中現有的廢水回收系統，並確保該系統可以不出故障、全力運行 1000 天的話，那麼只需攜帶 20 噸水。此外，需要至少 3 噸食物以及同樣多的氧氣。

那飛船自身呢？太空里充斥著由太陽和其他星體發射出的高能粒子束，而飛船將被這些危險的宇宙線狂轟濫炸數百日。在地球上，這些射線會被大氣層阻擋；而對於國際空間站中的宇航員來說，由於其中大部分會被地磁場偏轉，也不足為慮。但如果想避免飛船上的人員被這些宇宙線侵襲，飛船就必須有足夠厚的船壁。美國航空航天局（NASA）希望 20 噸重的飛船足以應付這一切。

另一個問題是如果處於失重狀態中長達 500 天（往返行程），即使保持鍛煉，宇航員也將失去肌肉質量。他們的骨頭和心臟會變得脆弱，因為肌肉和臟器不再需要對抗自身的體重……更糟的是長時間處於失重狀態會導致注意力無法集中和視覺障礙。

如果不想宇航員在到達火星執行關鍵任務時處於精疲力竭的狀態，那麼最好能在旅途中為他們提供人工重力。

如何製造人工重力

如何提供？只需旋轉宇航員所處的船艙即可。離心力會使宇航員緊貼著艙體的「地面」，就像受到地球上的重力一樣。但問題是我們沒有時間建造一艘擁有先進旋轉裝置的飛船……

別忘了回程的燃料

儘管如此，以下方法應當可以滿足製造人工重力的需求了：用一根長纜將飛船與將其發射入太空的火箭末級連接起來，然後使整體以大約 2 轉 /分的速度旋轉（高於這個速度宇航員可能會眩暈）。

該纜繩估計長約 200 米、直徑 5 厘米，僅自重就達 2 噸。值得注意的是該方法唯一一次實際應用是在 1966 年的「雙子座 11」號任務中，當時使用了一根長僅 36 米的纜繩，效果並不好，因為在失重狀態下很難將纜繩展開。

是時候簡單匯總下了：

飛船自重 20 噸，為宇航員準備的生活物資 26 噸，4 名宇航員0.32 噸，用作人工重力配重的末節火箭 12 噸，以及一根 2 噸的纜繩。至於科學儀器什麼的就忽略不計了——畢竟我們只能優先確保避開隕石炸彈或外星人。

為了將這些總重逾 60 噸的載荷發射到火星，其在近地軌道上的初始速度需達到差不多 3 千米 / 秒，相當於 11000 千米 / 時！若採用伊隆·馬斯克公司的火箭發動機，例如默林1D 真空版，需 80 噸燃料……

那回程的燃料呢？它將與飛船分開航行：另有一節自重12 噸的火箭裝載著 80 噸燃料將與飛船在火星軌道上匯合，屆時「只需」在回程時令這節火箭與飛船連接即可。而把這用於返程的「第二件包裹」送至火星據估算需要 125 噸的燃料。

不可能的任務？

最終，為了執行該次火星任務，需要將總共 357 噸的燃料和物資發送至近地軌道上，近乎整個國際空間站的分量！為什麼不直接在地球上建造飛船？因為如此龐然大物會被其駭人的自重壓垮，除非像樓房一樣用水泥建造，然而樓房並不能起飛。

需要發射 6 次SpaceX 的獵鷹重型火箭才能將飛船的零部件全都運到近地軌道上，隨後第 7 次發射將宇航員送入太空，與通過遠程控制系統組裝的全新飛船匯合……

前提是所有環節的運轉都不出紕漏，這可能嗎？或許吧。總之為了準備好 2024 年的遠征，從現在開始每年都要發射一次火箭！這次緊急任務的最大問題是計算時沒有留出一絲餘量，因此並沒有可供演練的時間。一切都順利上軌道的概率大約是……0%。

試想一名宇航員不得不在途中進入太空用扳手排除飛船著陸系統的故障。而帶著手套的情況下根本抓不牢扳手！一脫手就完了，不可能去五金店再買一把！當飛船出現重大問題時，也沒法補送緊缺的備用件，或是半途返航，畢竟火星太遠了！

在出現事故時，宇航員不得不滯留於原地的概率接近 100%。幸運的是我們並不用真的著急，尚無任何跡象迫使人類在 2024 年前往火星。不是嗎？

撰文 René Cuillierier

編譯 陳煜炯