被25道数学题难倒的“民科”,路在何方?

五年前,在一档电视娱乐节目中出镜的一位下岗职工,在节目中提到他正致力于“引力波”等诺贝尔奖级的重大科学研究,遭到了评委和主持人不留情面的批驳。

北京时间2016年2月11日晚上23:40,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)负责人、加州理工学院教授David Reitze宣布,人类首次直接探测到引力波。

有好事者在网上放出当年录制的电视节目视频,网友们纷纷感叹一个优秀人才被嘲笑、被埋没,批评主持人和评委欠他一个道歉,甚至称此人为“诺贝尔哥”。微博大V姚晨更是为他加油,评价其为“一个了不起的工人”。

实际上,这位所谓的“诺贝尔哥”是一位典型的“民间科学家”,简称“民科”。这类“民科”在中国为数不少。由于工作性质,我也曾接触过一些“民科”,甚至在我写这篇稿子的时候,也正好收到一家大报转来的民科投稿让我帮忙审稿,文章的标题也很震撼,“美国宣布人类首次直接探测到引力波成果属于造假”,标题后面特别注明“原创”两字。文章中,这位作者认为,美国科学家探测到的根本不是引力波,而是两个黑洞相撞的爆炸冲击波,并且提到了“暗物质波”、“暗能量波”、“低频声纳波”、“低频次声波”、“中子星”等概念。

那么,究竟如何识别“民科”?归纳起来,“民科”们主要有以下特征:

一、“民科”们大多不屑于研究小问题。他们的“研究”往往针对某个重大的科学问题,要么试图推翻著名的科学理论,要么致力于建立某种庞大的理论体系,立志于研究一些听上去很玄、很牛的东西。爱因斯坦、相对论、宇宙模型等常常是他们挑战的对象。

二、“民科”们常常把科学和神话混搭。“暗物质”和“阴曹地府”、“夸克”和“太极”、“黑洞”和道教中的“玄牝之门”……等等,舶来的科学名词与中国传统文化和神话故事中的概念混在一起,“洋”为“中”用,“科”为“民”用。

三、“民科”们基本没有受过专业学术训练。他们对科学研究感兴趣,但大多没有受过科学训练,也无意接受科学训练,数理功底较差。据我的一位科研工作者朋友介绍,中国科学院物理研究所和数学院门口总有“民科”来下战书、砸场子,所内人员不胜其扰,就教会某具有高中文化的保安大哥25道数学难题,凡遇到“民科”来访,就让保安大哥出马,只要挑战者连续做对5道题就可以上楼与科学家见面,但至今无一人通过。

在中国,“民科”在大多数情境中已经成为一个贬义词,常与精神偏执甚至别有用心的骗子相关联。实际上,“民科”不仅不同于职业科学家,也明显区别于普通的科学爱好者和非职业的业余科学家。“民科”从事的所谓“科研”与真正的科学研究存在本质区别。

首先,科学是基于现象和数据基础上,经过逻辑、推理和演绎得到的合理认识。“民科”与科学最主要的区别在于是否用科学态度和科学方法来解决问题。如果是理论研究,需要说明该理论的前提和假设是什么,通过什么方法或途径进行推理和演绎,得到了什么结论。而且,结论的正确与否最终要经过实践和实验的检验才能被广泛接受。而“民科”往往只是罗列一些科学名词,他们并不了解这些名词的实质含义,更无法给出具体的实验数据。这也是为什么物理和数学是“民科”们的主战场和重灾区,而化学、生物等实验学科的“民科”较少的原因。

其次,真正的科学研究十分重视学术民主,批判和质疑更是科学的本义。所以,科研论文投稿之后要经过必要的专家评审,科研成果要进行同行评议,这都是科研领域最普遍的做法。错的就是错的,对的就是对的,科学理论的真伪判别并不会因为是谁提出的而有什么变化。但“民科”们往往不能对正确面对质疑,更给不出合理答复,认为科学界在打压他们,甚至认为整个现代科学理论都有问题。

再次,真正的科学研究非常重视学术传承和科研合作。优秀的科学家不仅善于从前人和同行的理论和观点中得到启发,站在巨人的肩膀上攀登科学高峰,也注重发挥各自专业特长和优势,针对某一问题与其他科学家开展合作研究。以LIGO科学合作组织2016年2月11日发表在《物理评论快报》上的论文为例,人类首次直接探测到引力波这一研究的论文作者多达1011位,分别来自四大洲的18个国家和地区。参与深空探测、巨型望远镜、高能粒子加速器等科研项目的科学家人数更是多达数千人。而“民科”们的理论往往横空出世,没有科研传承,“民科”们的“科研”基本靠单打独斗,“民科”之间既不合作,也不交流。

职业科学家往往对“民科”持否定态度,而公众们则大多抱以同情,这其中的巨大反差正是老郭的引力波事件引起广泛关注的主要原因。然而必须指出的是,老郭们既缺少探索求真的科学精神,又缺乏逻辑求证的科学方法,按照这种方式做“科研”,不仅不会对人类文明进步有任何实质性贡献,还有可能给家庭和社会带来负面影响。

这里,针对为数不少的“民科”和他们的同情者,我想提几点建议:

一、如果认为自己的成果超越了前人,希望得到认可,应该通过正规渠道申请专利或在学术期刊上发表。如果中国无法发表,就投到国际期刊。不懂外语,可以请人翻译后再投稿。

二、如果希望自己的成果得到科学共同体的认可,就要遵守科学共同体的基本范式,寻求与职业科学家进行理性学术交流。这方面,山东平邑天宇自然博物馆的郑晓廷就是一个很好的例子,他努力学习现代生物知识,通过向科学家学习,与科学家交朋友,从一位只有初中文化的矿长成为了经常在国际顶级期刊发表论文的古生物学者。

三、如果要有惊人发现,一定要站在前人的基础上,查文献、做笔记。提出惊世骇俗的理论之前,先吃透前人到底做了什么研究,看看自己的理论还存在什么缺陷。

当然,相互尊重乃基本礼仪,“民科”们也有表达自己思想的自由。美国也有民科,每年的美国物理学会年会甚至为“民科”们设立专门的分会场,只要投稿就可以作报告,既为民科们提供了展示舞台,也避免其干扰其他会场的正常学术交流。科学家也要摒弃道德优越感,在可能的情况下提供帮助,指点迷津,使“民科”们早日走出迷惘。毕竟,科学传播是科学家的责任和义务,也是科学研究向公众有所交代的主要手段。

SpaceX成功背后的创新启示

12月22日,在圣诞节这一西方人最重要的节日之前,一家民营航天公司SpaceX再次惊动了全世界的航天界甚至科技界。他们研发的猎鹰九号火箭不仅把Orbcomm公司的11颗卫星(每颗重172千克)送入近地点620千米、远地点660千米的近似圆轨道,而且火箭的第一级在经历太空飞行之后,再次进入地球大气层。在点火发射升空的9分40秒后,第一级火箭稳稳站立在发射场附近的陆上着陆平台,在世界上首次实现了运载火箭的成功回收。在经历了今年以来的数次失败之后,研发团队终于可以安心回家欢度新年了。

SpaceX无疑是成功的,但他们是如何取得成功的,这背后有什么样的体制机制来保障他们的创新实践,其中有哪些可供我们借鉴和参考?这些问题值得我们深思。

政府支持

长期以来,美国航天界一直是NASA一手主导的,这种政府主导的模式曾经把美国人送上了月球,在与苏联的太空争霸中赢得胜利。但进入新世纪以来,美国航天的发展过分依赖NASA下属机构,NASA的机构体系庞大臃肿,缺乏创新活力的弊端逐渐显现。

为改变这一状况,美国政府在奥巴马上台伊始就开始布局商业航天的发展。如果没有国会立法和政府政策的支持,SpaceX不可能会有今天的成功。

NASA作为政府部门,在推动商业航天发展方面不与民争利,果断退出具有潜在商业价值的低轨道航天发射领域,向民营航天企业开放。NASA自身则集中精力发展基础航天技术和深空探测等公益性航天事业,特别是载人登陆火星方面。应该承认,NASA在这方面做出了很好的表率。

NASA向SpaceX开放了阿波罗登月和航天飞机研发的大量技术报告,转移了大量成熟技术。为了扶持SpaceX,NASA把自己的核心技术骨干派驻到公司,其中包括一批航天业内的顶尖高手。

航天发展的瓶颈在火箭,火箭研发的瓶颈在发动机。SpaceX公司此前并没有研制大型火箭发动机的能力。猎鹰九号火箭上使用的梅林发动机原型是NASA当年用于载人登月的,推力也不大,因此整个猎鹰九号火箭需要用19台这样的发动机。NASA把梅林发动机的全套技术转让给SpaceX,SpaceX在原有基础上进行了改造和升级,发动机推力也因此得以提高。,目前,SpaceX已经具有独立自主研发火箭发动机的能力。

不仅转移技术,输送人才,NASA还给了长期的大额订单。经过三轮竞标,从20多家公司,SpaceX研发的猎鹰九号火箭和另一家民营航天企业轨道科学公司的运载火箭脱颖而出,赢得了向国际空间运输货物、总金额达数十亿美元的合同。

商业运作

商业化航天发展的背景,源自航天领域蕴含的蓬勃商机和巨大的经济潜力。与NASA下属机构用钱大手大脚、经常预算超标不同的是,民营企业的每一分钱都需要精打细算。

为了降低成本,SpaceX制定了全面的成本控制计划。火箭和飞船使用的全部零部件尽可能自己生产,这样做同时也降低了零部件外部采购带来的质量控制风险;由于火箭和飞船的生产量有限,为了减少生产线,尽可能在一条生产线上生产多种不同的零部件。马斯克相信,降低成本的关键不仅在于研发新的技术,更在于广泛采用已经成熟的技术和产品。

以给国际空间站进行货物运输的龙飞船为例,龙飞船给国际空间站的货运合同2008年的单次费用为1.33亿美元,相当于今天的1.15亿美元,NASA用16亿美元购买了12次货运发射任务。作为对比,美国大中型载荷平均每次发射4.35亿美元,4次发射合计17.4亿美元,2012年发射费用比上年大幅上涨30%。欧洲的阿里安公司和美俄联合的国际发射服务公司的报价也不低。为了降低成本,SpaceX甚至用市面上十分成熟的浴室零件来组装飞船的门把手,仅此一项就可以节约 1470美元。

这种商业化的运作模式,就像生产冰箱和洗衣机的流水线那样,脱离了以往火箭研发中十分臃肿的供应链,陈旧保守的设计方案,以及无法管控的混乱的外包合同。

有人说,猎鹰九号火箭第一级回收成功,将使航天发射变成白菜价。实际上,火箭回收可以降低发射成本是肯定的,但是否真的降低到白菜价,回收后的火箭发动机需要进行多大程度的更新改造,是更新后用于下一次发射,还是用于其它用途,都还需要实践的检验。

但不管怎样,SpaceX的成功一定会在航天界迎来一场大讨论。在为SpaceX的成功喝彩的时候,我们的航天界要从公众的喝彩声中感受到刺耳的压力,要反思我们的航天体制哪些是成功的?哪些还需要大的改进。这次火箭回收成功的后续影响还需要一段时间才能充分消化。

敢想敢做

与其在无数次的讨论中侃侃而谈,不如立马开干。民营企业的基因使得SpaceX敢想敢做,想到就做,即便错了。正如SpaceX的航天工程师David Giger所说:“我们不会坐在那里花几年时间去分析和论证,SpaceX需要的是测试、测试、再测试。”

一家民营航天企业的成功,或许可以打乱整个世界的航天格局。就像是一个沙丁鱼罐头中的一条鲶鱼,如果没有这条鲶鱼的搅局,沙丁鱼也很难存活。SpaceX的成功,代表着民营航天企业逐渐成熟,从舞台边缘走到了舞台中央。传统上政府主导的航天业将逐渐退出具有商业利益的航天发射领域,专注公益领域,民营航天企业一起推动人类进入波澜壮阔的大航天时代。

马斯克十分远大而坚定的梦想,强大的意志力,无疑是SpaceX成功的重要因素之一。然而,中国传统文化讲究中庸,数千年来的斗争文化,使得很多人害怕出头,许多个性突出、理想远大的人,反而会被认为不守规矩而遭到排挤和打压。

然而,创新来自挑战,源自颠覆,没有批判和质疑,哪里会有什么创新。希望未来年轻一代的探索者要从权威的迷思中摆脱出来,要勇敢去做自己想做的事情。没有人生的梦想和激情,没有人性的自由和勃发,航天不可能有大的突破。我也很希望SpaceX等民营航天企业对传统航天业的冲击和挑战来得更猛烈些,希望他的行动能够惊醒梦中人。

除了激情,还需要专注。去过欧美大学和科研机构访学的人往往会发现,他们的科研人员似乎比我们要闲的多,基本上不需要在各部门之间跑来跑去,科学家每天绝大部分时间是在实验室内。而我们的科研人员每天忙得够呛,但实际上做的很多事情是不产生任何价值的无谓劳动。这一点上,我们的大学和科研机构要向民营企业学习,要把科研人才的精力从繁琐的办公事务、复杂的利益纷争、以及各种人为壁垒中摆脱出来,专心致志做研究做事。

短短十几年中,马斯克做成了PayPal电子支付、特斯拉电动跑车、SpaceX商业航天等几件大事,未来还将致力于发射4000颗卫星全球组网,研发时速上千公里的超级高铁,把人类送上火星等“狂想”。有人说,马斯克一个人活出了别人几辈子。从马斯克的成功中,我们也应该看到,人生最大的成就不是达到多高的顶峰,而是尽可能丰富自己的人生经历。我们或许永远没有机会成为首富,但我们完全可以让自己的人生更加精彩。

SpaceX给航天界的启示

SpaceX给航天界的启示

——写在猎鹰九号火箭成功回收之际

出品:科普中国

制作:中国科学院国家天文台 郑永春

监制:中国科学院计算机网络信息中心

航天发展的瓶颈在运载火箭,如何把一大堆很重的物体送入太空,一直是制约人类太空探索的难点。在大多数人的概念中,火箭就应该是一次性产品,点火之后一飞冲天,把航天器(卫星或飞船)送入预定轨道,火箭的使命就完成了。

然而,就在昨天,SpaceX成功实现猎鹰九号火箭回收,说明火箭重复利用的时代就要带来了,这一消息在朋友圈快速传播。

那么,SpaceX是如何实现火箭回收的呢?对未来的航天格局会有什么影响?又能对中国航天界带来什么启示?

在喧闹的背后,需要我们逐一冷静分析。

连战连败,终获成功

在猎鹰九号的第一级火箭实现成功回收之前,是一连串的失败。

2015年1月10日,猎鹰九号在执行CRS-5发射任务时测试火箭回收技术。第一级火箭在发射后,落向大西洋上一艘驳船改装的着陆平台,虽然准确地命中目标,但由于下降速度过快,导致火箭在甲板上发生爆炸。

2月12日,猎鹰九号在为美国国家海洋和大气管理局发射深空气候观测站(DSCOVER)卫星时再次测试火箭回收技术。由于当时海上风浪很大,驳船被迫撤回,火箭虽然在海面上成功软着陆,但最终落入水中。

4月14日,猎鹰九号在执行CRS-6发射任务时再次测试火箭回收技术。虽然一级火箭准确着陆在驳船甲板上,但由于横向速度过大,火箭未能在甲板上稳稳站立,最终导致倾覆爆炸。

6月28日,猎鹰九号第三次尝试海上回收火箭。但这次更长,遭遇到了发射失败,火箭以及给国际空间站运货的飞船,统统在高空解体。

连战连败,SpaceX开始闭门思过,认真检查每一个环节,改进设计方案。他们改进了发动机引擎和火箭的多级分离系统,并调整了燃料配方。

在此期间,美国另一家民营航天企业蓝色起源公司的新谢泼德火箭实现了回收。虽然,新谢泼德火箭只是一枚探空火箭,只是在地球大气层内的亚轨道飞行,并没有飞出地球大气层,也没有发射航天器的能力,只适用于开展商业太空旅游体验。但相关舆论给了SpaceX很大的压力。

闭关半年之后的12月22日,赶在圣诞节这一西方人最重要的节日之前。SpaceX再次测试火箭回收技术,终获成功。

这是猎鹰九号的第20次飞行,也是设计方案升级后的第一次飞行。经历了重重失败之后,所有人终于可以安心回家过新年了。

火箭成功发射,起飞后1分13秒,推进达到1马赫;

1分24秒,火箭达到最大动压;

2分20秒,火箭第一级关机;

2分24秒,火箭多级分离;

2分35秒,第二级火箭点火;

2分55秒,火箭整流罩分离;

4分钟左右,第一级火箭返回飞行点火;

8分钟左右,第一级火箭再次点火,火箭再入地球大气层;

9分40秒,第一级火箭稳稳站立在发射场附近的陆上着陆平台,火箭回收成功。

可回收火箭究竟难在何处

可回收火箭究竟难在何处?

难就难在十分复杂的电子系统上。电子系统是火箭的大脑,由遍布箭体的各种传感器获取火箭飞行的各种参数,然后通过信息汇总、计算,及时调整飞行方案,这一过程类似大脑的思考和决策过程。通过各种控制部件,执行指令,这一过程类似大脑控制我们身体上的各种运动器官。

猎鹰九号火箭实现成功回收,足以证明该型火箭的电子系统十分强大。

猎鹰九号的第一级火箭共有九台发动机,发射的时候九台发动机一起点火,用大推力使火箭摆脱地球引力升空。而在回收着陆的时候,猎鹰九号关闭其中的六台发动机,只剩三台继续工作。而且,这剩下的三台发动机的推力是精确可调的,这样才能使庞大身躯的火箭在刚刚着地时的速度基本为零,平稳地降落在平台上。

猎鹰火箭要实现平稳着陆,成功回收,可以调节推力的火箭发动机是成功的关键。要实现发动机推力可调,就需要改变燃烧室、燃料泵等的设计,实时调节发动机内部的温度和压力,并调节燃料的流量。这种大推力的可调发动机既要用于火箭发射阶段,又要用于回收时的减速反推。相当于一个人既要获得世界举重冠军,又要能干十分灵巧的绣花针,实际上是一件很难的事情。

一旦实现发动机推力可调,就可以实现火箭的定时、定点入轨,相当于给火箭安装了油门,可以实现与其他航天器的快速交会对接。

新一代运载火箭究竟新在何处

随着航天运输的需求越来越多样化,传统的运载火箭已经到了不得不更新换代的阶段。当前,世界各航天大国正在致力于研发新一代运载火箭,将采用大量的新技术和新材料,实现降低成本、提高可能性、满足多样化需求的目标。

那么,所谓新一代火箭,究竟新在何处?

纵观世界各航天大国,俄罗斯正在致力于研制安加拉系列火箭(Angara),这是一个全新的火箭家族,由俄罗斯联合火箭航天集团公司研发。通过捆绑式的多个通用火箭模块,安加拉火箭可以根据需要组合出不同推力的火箭,火箭推力从2吨到75吨不等,可以适应不同运载重量的航天发射需要。安加拉系列火箭研发成功后,将取代现在的虎啸号火箭和质子号火箭,成为未来俄罗斯航天运输的主力。2014年12月23号,“安加拉-A5”型火箭在普列谢茨克发射,迈出了成功的一步。

美国正在研发的新一代重型运载火箭“太空发射系统”(Space Launch System),号称是人类历史上最强大的运载火箭系统,巨型发动机的长度达54米,运载能力超过130吨,在未来的载人登陆火星和载人深空探索中将发挥关键作用。2015年3月11日,“太空发射系统”进行了试验性发射,整个过程非常成功。根据规划,“太空发射系统”火箭的首次正式发射将于2017年进行。

欧洲致力于研发新的阿丽亚娜6型火箭(Ariane 6),以取代现有的阿丽亚娜5型火箭,计划于2020年进行首次发射,2021年发射次数增加到4次,2023年开始年发射次数增加到11次。

日本在H-IIA运载火箭成功率大大提高之后,正在研制H-X新一代火箭,该火箭的第一级和第二级将使用液氢液氧作为燃料的火箭发动机,并研制固体燃料助推器,通过采用前沿技术,实现航天运输的低成本和高可靠。

与上述政府支持的重型运载火箭相比,SpaceX作为一家民营航天企业,成功地改变了航天高大上的特点,大大降低了进入太空的成本,使航天越来越平民化,越来越多的普通人都可以接触到航天,这给传统航天业带来的改变一定是颠覆性的。

SpaceX的成功对航天业有何影响

虽然火箭可回收,与汽车可加油还是有相当差异的。毕竟那么庞大的一个物体经过了高速飞行,经历了高温燃烧,有些部件是无法重复利用的。但确确实实可以大幅度地降低成本,至少价值数百万、上千万美元的发动机不再是一次性的,可以回收再次利用。

猎鹰九号火箭的标准发射费用为5400万美元,而中国的长征三号乙火箭在海外报价的发射费用也在6000万美元以上,所以即便不回收,猎鹰九号也已经成为世界上最便宜的发射工具。

这次,猎鹰九号的成功回收更是让很多外行人感叹,廉价航天时代即将来临。

记得前段时间猎鹰火箭连连失败的时候,航天界有人嘲笑马斯克,说航天是需要积累的,不是谁都能搞的。现在,猎鹰九号的成功回收是对这些嘲讽最好的回应。

SpaceX的成功不仅在于技术的先进性,更在于采用了不同于传统航天业的商业化运作模式。传统航天业往往采用研发模式,每一枚火箭都需要设计、生产、测试等等,不仅环节复杂,而且大大增加了生产周期和生产成本,浪费了大量的人力物力。而且,每一次设计都会有新的风险,导致可靠性不够稳定。

SpaceX由于采用了商业化发展的方式,所有的软硬件均在它的控制范围内,不存在外包环节,所以造火箭和飞船就类似于我们造洗衣机和冰箱,全程质量可控。他们在航天领域率先实践流水线化的生产模式,只要一次成功,便可以次次成功,并通过大规模生产,大幅度降低生产成本。虽然也会存在一定的故障率和次品率,但不存在重新研发的风险。

SpaceX作为一家民营航天企业,十分注重成本和质量控制。由于采用了商业化模式,很多产品都会尽量按照批次生产和采购,也都会尽可能地回收利用。之前的每一次失败,实际上都是在进行相关的技术测试,然后改进方案,并非我们想象的是在烧钱。

而反观传统航天业,一直给人一种神秘的感觉,虽然顶着高大上的光环,但其内部照样会面临很多体制机制问题,阻碍技术创新。由于缺少外部竞争,问题逐渐积累,改革十分艰难。这也是美国政府不遗余力扶持民营航天的原因之一,他们要给自己扶持竞争对手,让外部压力增大,才能触动内部僵化的利益格局。

独立自主、自力更生的中国航天领域一直是我们的骄傲,但这种骄傲更多局限在国土之内,航天发展在对国民经济推动方面还有很大的潜力可挖。中国的高铁和核电,已经大踏步走出国门,成为中国走向世界的名片。用中国人的智慧,挣全世界的钱。在这一点上,中国航天界还有很长的路要走。在某种程度上,航天要向高铁和核电学习,只有大进大出,充分开放和竞争,经历市场风雨的洗礼,才能成长为参天大树。

乔布斯一个人和他领导研发的智能手机,使手机从单纯的通信工具变成了一台微型电脑,成为了个人生活和娱乐中心,更颠覆了传统手机行业的格局。马斯克一个人和他领导研发的可回收火箭,对航天业的影响还远远没有发挥出来,或许也将改变整个航天业的发展格局。这一点,需要中国航天界引起足够的重视。

科普中国

“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

本文由科普中国移动端出品,转载请注明出处。

登陆火星难在何处?

出品:科普中国

制作:中国科学院国家天文台 郑永春 张硕 孔啸 陈洁

监制:中国科学院计算机网络信息中心

一、20年后的火星世界

科幻是基于科学现实的未来展望。10月2日,好莱坞年度科幻大片《火星救援》在北美上映,逼真地展现了20年后人类登陆火星的场景。作为太阳系八大行星之一,人类为何对火星情有独钟?

纵观太阳系演化历史,我们发现人类的命运其实十分脆弱,面临地震和海啸、火山爆发、小天体撞击、地球磁极倒转、超级太阳风暴等重大灾难,这些灾难甚至可能导致地球生命大灭绝。因此,人类必须有足够的危机感和紧迫感,在灭顶之灾来临前,找到可以延续人类火种的避难所。

由于航天运输能力的限制,人类还无法飞出太阳系。而在太阳系内,只有火星的自然环境与地球最相似,是人类移居外星球的首选目标。人类迄今已开展42次火星探测,1996年以来就已发射11颗探测器,取得大量探测资料。火星已成为除地球外人类认识程度最高的行星,甚至超过人类已经登陆过的月球。

实现人类首次登月让美国在空间争霸中击败对手,自最后一次阿波罗登月至今已过去43年。载人航天被长期限制在地球轨道,这种状态已经到了必须改变的时刻。未来,NASA将逐步退出低轨道航天飞行和商业发射,把这些任务承包给民营企业,激活民间热情并显著降低发射成本。政府将集中力量发展月球以及更远的深空探测,载人登陆火星就是其中的首要目标。如今的载人航天已经到了突破地球引力束缚,为实现载人登陆火星而努力的关键阶段。

载人登陆火星不仅需要丰富的知识积累、坚实的技术储备、专业全面的人才队伍,还需要合适的政治气候和民意支持。美国人对火星怀有浓厚兴趣,NASA的火星任务一直得到民众支持。美国火星任务的成功率达70%,21次任务中17次获得成功。特别是本世纪的火星任务全部成功。作为一个鼓励冒险、创新和探索精神的移民国家,实现人类首次登陆火星的目标在美国无疑具有强大的号召力。

不管是载人重返月球还是载人登小行星,瞄准的都是实现载人登火星,只是实现途径不同而已。基于对科学发展战略的认识,我们不妨作一个大胆的预测,人类将在未来20年内(2035年前)首次踏上火星表面,航天员乘组可能是美国人或美国牵头的国际合作小组。而后人类将朝着建立火星前哨站、改造火星环境、火星移民的长远目标逐步迈进。

2013年,荷兰一家私人公司曾推出火星移民计划,将挑选两男两女于2023年登陆火星并定居,多位华裔入选100人候选名单。但用单程票前往火星的冒险行为只是一种商业炒作,真正的载人登陆火星必须是往返双程,使航天员到火星后还有机会返回。

相较之下,《火星救援》是一部具有超强现实感的硬科幻大片,具有坚实的科学基础,其中幻想的成分很少,真实模拟了NASA将要实施的载人火星旅行。

《火星救援》整个故事发生的时间,以及探索火星采用的技术手段,很多是根据NASA的载人登陆火星计划演化而来的。影片中用到了大量NASA正在研发或已真实应用于太空探索的高技术装备。在观看电影的过程中,你将看到大量的火星科学常识和尖端的航天技术,你会被这些触手可及的未来深深打动,因此,观看科幻大片的过程也是一次科学传播的盛宴。

随着科技的发展,太空科幻作品与现实航天科技的界线越来越模糊,昨天曾经畅想的太空科幻,已在今日成为现实。与超炫超玄的《星际穿越》相比,《火星救援》里没有令人大脑缺氧的天体物理公式,只有一个被遗弃的太空农夫,在荒芜寂静的火星上种他的土豆。

二、火箭与飞船

1.地火运输的战神号火箭

《火星救援》影片中出现过三种火箭,分别是NASA的战神3号和战神4号火箭,以及中国的太阳神重型火箭。航天员飞往火星搭载的是战神3号火箭,而马克为了返回地球,需要在火星上长途跋涉3200公里,找到的是战神4号火箭的返回舱。战神4号之前已经着陆到火星上,马克要在适当的节点把自己发射升空,与在太空中等候他的战神3号队员汇合,然后返回地球。

在现实中,战神系列火箭是NASA正在研制的新一代运载火箭,包括载人火箭和货运火箭两种类型,主要用于载人重返月球和载人登陆火星的航天飞行,这也是以载人重返月球和建立月球基地为目标的星座计划主要任务之一。2009年,星座计划被取消,但战神系列火箭和载人飞船的研制任务得以保留。

其中,战神1号运载火箭是星座计划中负责运送航天员乘组的载人火箭。火箭直径5.5 米、高94 米,分两级点火,其中第一级为固体燃料发动机,第二级为液氢液氧燃料发动机。近地轨道运载能力为有效载荷25吨。作为载人火箭,战神1号具有高安全性、高可靠性,以及相对较低的发射成本,主要用于将猎户座号载人飞船发射到太空,与货运飞船对接后飞往月球或火星。

2009年10月28日23时30分,为实施重返月球计划而研发的“战神I-X”火箭美国佛罗里达州在肯尼迪航天中心39B发射台进行首次测试飞行,目的是收集飞行数据。火箭起飞重量816吨,最大推力1360吨,总飞行时间369秒,试验获得了成功。

战神5号火箭是星座计划中的货运火箭。直径8.40米、高度116米,同样分两级点火,均为液氢液氧燃料发动机。在重返月球计划中,战神5号火箭运载牵牛星号登月舱和地球出发级,与战神1号火箭运载的猎户座载人飞船在地球轨道对接后,组合在一起飞向月球。战神5号预计2018年首次发射。

在国内,随着中国经济实力逐渐增强,未来也将开展载人深空探测活动,研制新型载人火箭和重型运载火箭将是必然趋势。影片显示中国将在2030年试飞太阳神号重型运载火箭。不过,中国不太可能用太阳神来命名火箭,我们正在研制的火箭都属于长征系列。

战神5号火箭艺术图(©NASA)

战神5号火箭艺术图(©NASA)

2. 星际航行中的家——载人飞船

在《火星救援》中,航天员乘组搭载赫密斯号载人飞船飞往火星。这一飞船的设计参考了正在研发中的猎户座号载人飞船。NASA研发猎户座号正是瞄准未来载人登陆月球和火星的目标。

猎户座号是已经中止的星座计划的重要组成部分,是一种用于替代航天飞机、可重复性使用的多用途乘员探索飞行器(Crew Exploration Vehicle,CEV)。每次可向国际空间站运送6名航天员,也可将4名航天员运送到月球上,经改装甚至还可载人登陆火星。NASA探测系统任务委员会2006年8月31日宣布,委托洛克希德·马丁公司设计建造“猎户座号”,合同总价值80亿美元。首次飞行计划不晚于2014年,首次飞往月球的时间不晚于2020年。2014年12月5日,猎户座飞船首次不载人试飞成功,飞船绕地球飞行两圈后回到地面。

登月飞船(六位航天员)和登火飞船(四位航天员)的区别

登月飞船(六位航天员)和登火飞船(四位航天员)的区别

航天员人数和航天飞行时间是载人飞船设计的重要参数,直接影响载人深空探测任务的技术性能和总体规模。月球与地球的距离较近,登月飞船乘员人数一般按照六人设计;而火星与地球的距离太远,鉴于火箭运载能力有限,载人登陆火星的飞船物资消耗太大,一般乘员人数限制为四人。

三、登陆火星

1. 登陆火星的三种途径

火星车或着陆器,要穿过火星大气层才能“踏”上火星表面,这期间需要经历惊心动魄、生死攸关的一幕。探测器从131千米的高空进入火星大气,时速高达21000公里(每秒5.9公里),要在短短七分钟的时间内,让探测器的速度降至零,从而实现安全着陆。这也是所有火星探测任务中技术难度最大、失败概率最高的关键时刻。这一阶段被称为“进入、下降和着陆”(EDL)阶段,是名副其实的“黑色七分钟”。

回顾世界各国的火星探测历史,我们发现,安全着陆在火星表面主要通过3种方式来实现:

第一种方式是气囊缓冲。这种方式适用于轻质量着陆器的登陆,当着陆器在火星表面着陆前,包裹着陆器的气囊充气展开,通过气囊在火星上的弹跳逐步降低高度,实现成功着陆。1996年12月4日发射的探路者号火星车就是采用气囊缓冲方式,成功着陆至火星表面,初步验证了进入火星大气、减速和着陆缓冲全过程的可行性;2003年6月和7月分别发射的勇气号与机遇号这对“孪生”火星车,使气囊缓冲着陆的方式得到了充分验证,成功实现了对火星表面较大范围的巡视。

勇气号和机遇号火星车采用气囊缓冲方式,成功着陆在火星表面

勇气号和机遇号火星车采用气囊缓冲方式,成功着陆在火星表面

第二种方式是着陆支架缓冲。2007年8月4日发射的凤凰号着陆器比机遇号和勇气号火星车的质量更重,如果依靠降落伞和安全气囊着陆,则需使用更大面积的降落伞和体积更大的气囊,但这会挤占所搭载的科学仪器的重量。因此,凤凰号采用了火箭反推和着陆支架缓冲的方式,实现在火星北极地区的安全着陆。

凤凰号着陆器利用反推火箭实现动力减速,这种方式适用于较重着陆器的着陆,同时可准确选择着陆点

凤凰号着陆器利用反推火箭实现动力减速,这种方式适用于较重着陆器的着陆,同时可准确选择着陆点

第三种方式是空中吊车着陆。这种方式适用于大质量着陆器的登陆,2011年美国发射的好奇号火星车首次采用这种技术并获得成功。好奇号以每小时2万公里高速进入火星大气层,火星车被装载在盾形的热保护罩中,保护罩可以经受高温烧蚀和隔热防护,确保火星车穿越火星大气层时不会被烧毁。当探测器距离火星表面11千米高度时,先打开巨大的降落伞降低飞行速度,24秒之后,热保护罩脱离。当探测器下降到1.4千米高度时,背壳分离,探测器上的八台制动火箭点火,通过火箭反推将下降速度从每秒80米减速至每秒0.75米。当探测器距离火星表面20米高度时,着陆器在空中“悬停”,空中吊车释放出尼龙绳,将“好奇”号火星车从着陆器上吊运到火星表面,实现着陆。

好奇号火星车是一个功能齐全的移动科学实验室,相当于地球上配备多种分析手段的岩矿分析实验室。好奇号重3.6吨,耗资26亿美元,全部采用核能发电,是世界首个没有太阳能电池板的深空探测器。

空中吊车释放出尼龙绳,将好奇号火星车吊运到火星表面

空中吊车释放出尼龙绳,将好奇号火星车吊运到火星表面

对于20年后的载人登陆火星来说,需要运送到火星表面的登陆舱质量更重,不仅需要强大的热保护罩,还需要非常大面积的降落伞,并且把反推火箭动力减速和空中吊车等手段统统用上,实现多种着陆手段的“混搭”,才能确保航天员安全登陆火星表面。目前,作为星座计划核心的战神号货运火箭、载人火箭、猎户座载人飞船均已成功试飞,具备了载人登陆月球、小行星和火星的大部分功能。

6

登陆火星需要热保护罩、大降落伞、反推火箭、空中吊车等多种技术手段混搭,才能确保航天员安全登陆火星表面

登陆火星需要热保护罩、大降落伞、反推火箭、空中吊车等多种技术手段混搭,才能确保航天员安全登陆火星表面

2、火星航天服

航天服是保障航天员生命安全和工作能力的个人密闭装备,用于保护航天员在真空或稀薄大气、剧烈温差、强烈太阳风和宇宙射线、微陨石撞击等地外天体表面环境中安全生存。人体血液中含有氮气,在真空中的体积会膨胀。如果不穿加压的密封航天服,航天员因体内外压差悬殊危及生命。登陆月球和火星表面的舱外用航天服还具有氧气供应、温度调控等设施,保障航天员出舱活动和实现天体表面考察。

火星宇航服是电影《火星救援》的重要道具,剧组在调研中发现NASA正在研制的火星宇航服非常巨大,而且十分笨重。演员们穿上这样的宇航服将很难拍摄。恰好导演斯科特在影片《普罗米修斯》中也用过宇航服,就把相应的宇航服设计沿用到《火星救援》。

最终,电影呈现的火星宇航服参考了NASA设计的原版宇航服,并增加了更多实用功能,显得更加具有观赏性。剧组共制作15套宇航服,分别供6位航天员穿着。

火星表面环境十分严酷,非常寒冷且空气稀薄。航天员在火星上进行科学考察和建站任务时,必须穿戴着十分厚重的宇航服。真实的宇航服相当于一套完整的生命保障系统,功能强大,是航天员的救命必备物。NASA目前正在研制火星宇航服,利用火星探测器获得的火星环境参数,设计出适应火星环境和适合载人火星任务的宇航服。

真实的宇航服上不会有任何饰品,一切都将服务于保障航天员生命安全的目的。宇航服包括关节、手套、头盔、氧气系统、水循环系统、散热系统、通信系统、电子系统等。为避免火星弥漫的尘土影响航天员和登陆舱的运作,NASA正在设计可以让航天员从背部脱离的宇航服,航天员进入登陆舱后,宇航服将被留在舱外,避免将尘土带入舱内,危害航天员健康。

3. 探路者号火星车

电影《火星救援》中,被遗弃在火星上的马克为了与地面取得联系,找到之前任务遗弃的探路者号火星车,重新与地面取得联系,成功把他仍然存活的信息传回地球。影片中的火星车相当强大,不仅能翻山越岭,还能装载各种大型器具,应对各种突发状况,甚至还可以外接帐篷,以扩大内部空间。

现实中的火星车功能没有电影中这么强大,但历史上还真的有过这么一辆火星车。1997年7月4日,火星探路者号(Mars Pathfinder)进入火星大气层,由降落伞进行减速后飘向火星表面,在着陆前数秒钟打开9个巨大的保护气囊,经过一番弹跳翻滚后停了下来。气囊放气后,释放出一个火星表面着陆器和一辆索杰纳号火星车,这也是人类历史上登陆火星的第一辆火星车。

真实的探路者号火星车重10公斤,有6个轮子,其行进路线是事先设定好的。最快的行驶速度也仅为每分钟60厘米,比蜗牛爬行快不了多少。探路者号在着陆点西南部发现了火星山谷中曾经有过多次洪水暴发,有许多圆形和椭圆形的鹅卵石,说明经过水流的长期冲击。

4. 火星发电站

火星上没有加油站,载人飞船和火星车都需要太阳能电池作为能源。影片中的赫密斯号飞船就是用太阳能电池发电提供能源,马克也多次用太阳能电池为火星车充电,进行长途驱车旅行。

现实中,我们头顶的国际空间站拥有一套强大的太阳能发电系统。电力越充分,越可以开展多种操作和实验,并降低某套系统故障带来的危险。NASA研制中的猎户座号载人飞船,也将采用太阳能电池发电的方式提供能源。

万一遇到火星上天气不好怎么办呢?为了能在火星上生存,需要绝对可靠又耐用的电力来源,同位素温差电池是一个现实的选择。

同位素温差电池实际上是一个小型的核反应堆。放射性同位素在衰变过程会产生大量热能,同位素温差电池就是这些热能转换成电能的发电系统。影片中,为了避免放射性辐射外泄,马克将这玩意安装在远离居住舱的位置。

现实中,NASA 使用同位素温差电池已经超过40年,在 20多次太空探索任务中使用过,包括好奇号火星车、新视野号冥王星探测器、以及未来的火星2020任务等。“新视野”号同位素温差电池内装10.9千克二氧化钚,利用其中的钚-238衰变时释放热量,通过温差发电为航天器提供稳定电力供应。

为了避免放射性物质泄漏污染太空,真实的同位素温差电池都用多层十分坚固的材料密封包装,即便发生飞船爆炸等灾难性事故,也不会产生一丝裂痕。由于同位素温差电池放释放的是α射线,无法穿透衣物或皮肤,所以这些放射性也不会对人体产生危害。

四、往返火星500天

影片中,马克准备出发返回地球时,因电钻操作失误,探路者号火星车被电流烧坏,他与地面失去联系。为与地面建立联系,马克必须继续驾驶火星车抵达此前先期登陆的战神4号返回舱。 旅途中,一场沙尘暴即将在火星上生成,将严重影响火星车上太阳能电池的发电效率,拖延火星车的行程。马克能及时抵达战神4号的返回舱吗?地面控制中心的专家们进行了紧张的磋商。

电影中的这个情节,一方面说明,在载人登陆火星的任务中,应随时随地保持与地面控制中心之间的通信,获得地面支援。另一方面也说明,若在火星上寻找到一个适宜的着陆点,不管是无人的火星探索任务,还是载人登陆火星,历次任务的着陆点应尽量靠近,使每一次任务送抵火星的设备资源得到充分利用、彼此支援。

影片中,已经撤离的战神3号航天员乘组,在得知马克仍然活着的消息后,队员们都自愿接受任务,延长500天的飞行时间,不返回地球,直接绕地球弹射回火星,接回队友。 这里涉及到的一个科学场景是,为什么往返火星需要500天?

由于地球和火星都是运动的天体,所以从地球出发的火星探测器并非任何时候都可以发射,而是每隔2年零2个月(780天)才有一次发射机会,这样的发射机会称为发射窗口。也就是说,火星探测器的发射窗口每隔26个月才会打开一次。这是因为每隔780天,太阳、地球、火星就会排列成一条直线,称为火星冲,此时是发射火星探测器的好机会。

为研究航天员在奔赴火星的旅途中,长期密闭环境对乘组健康状态及工作能力的影响,特别是超长时间飞行、完全自主控制、资源有限、无法实施身体及心理治疗、火星表面出舱活动等条件下的人体生理和心理状态。俄罗斯联合多国科学家于2010年6月3日展开为期520天的登陆火星模拟实验,在人类历史上首次模拟登陆火星航天飞行往返任务的全过程。

载人登陆火星往返需要500天,如何克服旅途的寂寞、恐惧和疾病,需要在地面开展大量试验。图为俄罗斯开展的“火星-500”生存试验。

载人登陆火星往返需要500天,如何克服旅途的寂寞、恐惧和疾病,需要在地面开展大量试验。图为俄罗斯开展的“火星-500”生存试验。

封闭试验分为三个部分:前250天为飞船发射和试验飞往火星的旅途、中间30天试验登陆火星、最后240天试验从火星返回地球。在试验阶段,全部志愿者的生活和工作仅限于实体模型航天器,所需资源要求一次装备到位。志愿者不能和外部直接交流,若透过互联网交流会有20分钟延迟。飞船完全自主控制,医学救助通过遥控操作技术实现。包括中国航天员王跃在内的6名志愿者经历了从火箭发射、行星际旅行、火星登陆到返回地球的全过程。

科普中国

“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

本文由科普中国移动端出品,转载请注明出处。

电影之外,中美能合作开展火星救援吗?

年度太空科幻大片《火星救援》即将在国内上映。好莱坞当然不会无视十三亿人口的庞大市场,片中再次突显中国航天元素:没有中国的帮助,美国航天员回不了地球。

电影中,火星上遭遇沙尘暴,登陆火星的航天员乘组紧急返回。马克被误以为罹难而遗弃在火星上。得知马克仍然存活的消息后,航天员乘组没有回到地球,而是再次前往火星开展营救。为了给航天员乘组发送生命保障物资,美国航天局紧急发射补给船航天员,不幸遭遇失败,又无法在短暂的发射窗口里再次发射第二艘补给船。

太空大片《火星救援》剧照

太空大片《火星救援》剧照

在这关键时刻,中国航天局正好有一个重型运载火箭完成研制,等待试飞。得知这一消息,NASA向中国航天局紧急求助。经过评估,中国决定帮助美国开展火星救援,在准备回到火星救马克的美国载人飞船绕飞到地球轨道时,由中国的太阳神火箭发送补给物资给美国航天员乘组。这一戏剧性的中美航天合作成为故事推进与情节逆转的关键。否则的话,在火星上“落单”的太空人马克就只能等死了。

在2013年上映的太空科幻片《地心引力》里,当美国航天员陷入绝望之际,处于休眠状态的中国“天宫”空间站成为最后的救命稻草,布洛克饰演的瑞安最终也是依靠中国的神舟飞船才得以返回地球。而在《火星救援》中,中国航天起到的作用不只是被动地提供工具,而是主动参与火星探索任务的实施。

那么,目前处于政治夹缝中艰难前行的中美航天合作,能否在未来的载人登陆火星任务中成为现实吗。中美能在航天领域开展实质性合作吗?

2011年,美国国会以立法形式通过共和党众议员沃尔夫提议的NASA拨款附加条款,禁止NASA与中国航天机构开展合作,至今已经过去整整5年。

美国政府机构的拨款受国会制约,希望开展合作、但又难以施展的NASA局长查尔斯·博尔顿多次表示,国会对中美航天合作的禁令是暂时的。

近日,在以色列耶路撒冷举行的第66届国际宇航大会上,NASA局长查尔斯·博尔顿公开呼吁,美国应寻求与中国在航天领域特别是载人航天方面开展合作。博尔顿的说法得到了中国方面的善意响应,中国航天局局长许达哲回应称,中国与别国航天机构合作没有障碍,希望尽早开展中美航天合作。

2火星救援

太空大片《火星救援》剧照

太空大片《火星救援》剧照

中美两国航天合作的必要性毋庸置疑。中国是继美国和俄罗斯之后第三个将人类送入太空的国家,在航天领域具有长远规划和勃勃雄心。美国是世界航天领域的领导力量,拥有强大的技术积累、丰富的管理经验。航天领域的高技术和高投入,是双方开展合作的动力。技术难度高,需要发挥各自所长,共同开展具有挑战性的技术研发和合作;经费投入高,需要通过多国合作机制,分担经费风险。

然而,但在国际合作议题上,NASA说了不算,国会议员们才有最终决定权。两国航天领域的知识产权保护、航天技术合作、军事应用等议题仍然高度敏感,合作前景困难重重。

中美航天合作处于政治夹缝中的尴尬境地。2013年,中国科学家被禁止参加在NASA机构埃姆斯航天中心举行的开普勒太空望远镜搜寻系外行星的学术研讨会,引发天文界强烈抗议,轩然大波中不得不默许放行。15个国家共同运营的国际空间站一直禁止来自中国的合作申请,今年8月,北京理工大学邓玉林教授实验室与负责国际空间站科研平台运营的私人企业签署协议,将于2016年进行一项DNA实验。这虽然是中国科学家首次利用国际空间站进行科学实验,同时也是一个价值20万美元的纯商业合同,并非中国与NASA的合作项目。

在整个航天领域,太空科学探索相对比较开放,也是最容易开展的合作领域。太空探索是象征人类文明进步的重要领域,是全人类的共同事业。空间科学、天文学和行星科学是对未知世界和未知领域的探索,并不涉及直接的政治和经济利益。而且,太空探索具有天然的开放性,科学研究只有在合作和竞争中才能进步。封闭或许能得到一时的进展,却不可能得到持续发展。

美国航天实力明显领先其他国家,与之合作中国无疑可以从中受益。中国正在研制自己的空间站,若能充分借鉴国际空间站的经验和教训,将使中国空间站实现长期成功运营。中国在探月领域成就斐然,但月球研究显然需要更长时间的积累。美国已经实现六次登月,有50多年的月球、火星和太阳系研究积累。中美两国在月球和火星探索项目的前期论证、科学目标设计、科学仪器研制、数据共享和合作研究方面,都可以开展合作。这些领域并不涉及敏感技术,理应优先开展。

双方政治家要拿出诚意和决心,努力增加接触与交流。在与美国科学家的合作中,可通过引入第三国召开国际研讨与协商,是可以适当规避国会禁令的。中美双方可从具有合作基础、易于深化合作的太空探索和科学研究领域起步,通过多国合作规避政治风险,夯实合作基础。以点带面,逐步放开,让双方从合作中尝到甜头。

人类的太空探索事业不能画地为牢,固步自封,在岁月蹉跎中消耗科学家的激情和探索梦想。中美航天界和科技界应减少猜忌,共同协商行为规则,努力增加航天计划的透明度,寻找具有合作潜力的互利领域,尽早促成实质性的深入合作,实现互利共赢。

4火星救援

火星是人类走向深空的首先之地

火星是人类走向深空的首先之地

原文载于:新华社,2015年11月26日,作者:郑永春 喻菲

《火星救援》:看地球人如何火星生存一千天

出品:科普中国

制作:中国科学院国家天文台 郑永春 张硕 孔啸 陈洁

监制:中国科学院计算机网络信息中心

地球人如何在火星上生存?正如贝爷拍摄的系列纪录片《荒野求生》被很多户外运动爱好者作为野外生存指南一样,由马特·达蒙主演的年度科幻大片《火星救援》以其丰富的科学内涵,在一定程度上可以作为人类登陆火星前的火星生存手册。《火星救援》由20世纪福克斯电影公司拍摄,上映一周就轻松登顶北美电影票房冠军,上映后的同期票房业绩与2013年的《地心引力》(5579万美元)相当,比去年上映的《星际穿越》(4751万美元)高出16%,并于近日正式登陆中国大陆院线。由于《火星救援》中加入了许多中国元素,可以预见上映后将在寒冷冬日掀起观影热潮。

一、剧透篇:业余太空迷成就火星人

1.业余太空迷写就科幻大作

影片《火星救援》根据安迪·威尔(Andy Weir)2012年出版的同名小说(The Martian)改编。台湾三采出版集团翻译出版了繁体中文版,书名为《火星任务》,大陆译林出版社引进出版了简体中文版。

作者安迪·威尔的正式工作是一名电脑程序员,也是一位业余的科幻作家。安迪·威尔是一位狂热的太空迷,他甚至利用专业特长,编写了一个专门用于计算从地球到火星旅行所需航行时间的程序。他曾经预测人类将在未来二三十年内登陆火星。

实际上,《火星救援》早在2009年就已经写作完成,安迪·威尔把这部小说放在自己的网站上连载,供人免费阅读。由于读者反响不错,他把小说放到亚马逊网络书店上出售,定价0.99美元,如此一来,喜欢该书的读者就可以在Kindle上方便地阅读。短短3个月《火星救援》就卖出了3500份,荣登亚马逊2014年科幻类畅销书榜首。更幸运的是,这部小说被好莱坞看中,拍成了同名电影,安迪·威尔也由此成名。

自出版起,《火星救援》经受了科幻迷、太空迷和专业人士的检验,得到众多好评。功勋航天员克里斯·哈得费尔德(Chris Hadfield)评价认为,作为一部科幻小说,故事讲得非常精彩,而且技术上有很高的准确性。

《火星救援》原著中文版,左:台湾三采公司繁体中文版,右:译林出版社简体中文版。

《火星救援》原著中文版,左:台湾三采公司繁体中文版,右:译林出版社简体中文版。

《火星救援》是一部3D科幻片,英文片名为《The Martian》,中文片名则五花八门,《火星任务》、《绝地求生》、《绝地救援》、《火星人》等等。若从书名直译,翻译成“火星人”也能接受,但考虑到影片的核心主题,翻译成“火星救援”更为合适。

执导《火星救援》的是好莱坞著名导演雷德利·斯科特(Ridley Scott),生于1937年的他曾经执导过《异形》(1979)、《银翼杀手》(1982)、《末路狂花》(1991)、《角斗士》(2000)、《普罗米修斯》(2012)等知名影片。斯科特执导的片子以画面感见长,画面精美,细节丰富,道具精致但又十分写实。

曾获奥斯卡最佳男主角的马特·达蒙(Matt Damon)领衔主演《火星救援》。达蒙也曾饰演《拯救大兵瑞恩》中的大兵瑞恩。影片中,主人翁被独自留在火星上,其他演员都围绕拯救他回到地球的故事展开,所以几乎成为马特·达蒙的独角戏。杰西卡·查斯坦、塞巴斯蒂安·斯坦、阿卡塞尔·亨涅和凯特·玛拉等众多明星联袂出演。

2.拯救太空大兵马克

《火星救援》的背景是美国国家航空航天局(NASA)在2030年实施的载人登陆火星任务。梅丽莎·刘易斯(由被称为好莱坞“劳模姐”的杰西卡·查斯坦饰演)担任火星考察队的领队,率领航天员乘组登陆火星表面。在执行任务的第六天,遭遇了突如其来的沙尘暴袭击。 刘易斯当即决定提前结束任务,航天员乘组紧急撤离火星,返回地球。撤离过程中,航天员马克·沃特尼(Mark Watney)被狂风吹起的金属天线戳破了宇航服,身体受伤,宇航服开始漏气,服内压力逐渐下降。昏倒的马克与队友们失去联系。万幸的是,从马克身上伤口流出的血液在火星极低的气温下快速凝固,堵住了宇航服上的漏洞,马克得以保命。

当马克跌倒时,恰好压坏了安装在宇航服上的生命检测系统。队友们收到的信息显示马克已经罹难。由于天气十分恶劣,无法开展搜救,在紧急情况下,队友们不得不按照航天任务流程,立即撤离火星。

马克孤身一人被遗弃在火星上。此时,登陆舱已经被沙尘暴损毁、生存物资补给不足、眼前是一片荒凉而狂野的火星戈壁。面临重重困难、孤立无援的马克必须想方设法在火星上生存下去,并坚持到队友们来救他回地球。

马克先是包扎自己的伤口,然后利用火星定居点的储备物资,积极生产自救。他重新排布太阳能电池供电系统,清点食物,根据生存所需的最低热量需求,估算所能支撑的时间。他搭建了蔬菜大棚,用地球上带去的一小部分土壤与火星土壤和自己粪便混合,生产出有利于作物生长的、富含微生物的土壤,在火星上种起了土豆。他找到之前火星任务遗弃的探路者号火星车,利用火星车上的天线重新与地面取得联系,把自己仍然存活的信号传回地球。NASA立即组织世界各国的优秀科学家和工程师,与正在返回地球的航天员乘组密切合作,准备重返火星、拯救马克。

很显然,这是一部发生在太空中的美国西部片,是火星版的《荒野求生》,也是太空版的《拯救大兵瑞恩》。这部片子展现了人类集体的努力,以拯救马克回到地球,除了火星的恶劣环境外,没有人会阻止他回到地球,马克最终得以平安归来。

二、干货篇:火星生存之道

1.居住舱——火星上的家

居住舱是马克在火星上的家,也是电影中的主要场景之一。居住舱具有温度、湿度和空气调节功能,航天员在居住场内活动不需要穿着笨重的舱外宇航服,可以穿得和地面上一样。这是马克在火星上得以生存下来的重要保障,也是人类未来探索火星之前必须要解决的重要前提。

现实中,NASA在休斯敦的约翰逊航天中心建立了火星生存模拟系统,航天员在那里进行训练,为火星上的长期生存做准备。火星生存模拟系统拥有独立的生命保障系统,分为上下两层,包括起居间、工作站及模拟气闸舱。根据实验效果,目前这套系统还在进一步改进,以适应未来的火星表面生存和作业。

图2 航天员在火星表面开展地质考察,人与机器人的相互协作是必然需要

图2 航天员在火星表面开展地质考察,人与机器人的相互协作是必然需要

2.辐射防护——尚待解决的难题

《火星救援》中对火星辐射的描述相对较少,这非但不是火星上的辐射较弱,而是因为火星上的辐射太强,以至于至今还没有研发出适当的防护手段。

实际上,在载人前往火星的途中,航天员主要面临两类危害健康的辐射粒子:

一类是剂量较低,但长期存在的银河宇宙射线。能量高、穿透性强,很难防护,普通的飞船外壳基本上无法阻止它们,即使是30厘米厚的铝板,防护效果也极为有限,严重威胁航天员健康。

另一类是太阳耀斑和日冕物质抛射时产生的太阳高能粒子,通常是指能量为数百兆电子伏特的质子,能量比银河宇宙射线的能量要低得多,持续时间较短,利用飞船外壳可以进行有效防护。预测未来的载人火星飞船很可能会配备一间‘太阳风暴庇护所’,在太阳风暴发生时,航天员可以躲进庇护所,抵御来自太阳的高能粒子。

在载人登陆火星前,科学家希望了解火星上的辐射环境,以便为航天员设计有效的辐射防护系统。2011年11月26日发射的好奇号火星车搭载了一台辐射评估探测器(RAD),测量飞船内部的高能粒子辐射环境,目的是为未来载人火星旅行提供基础数据。根据2013年5月31日发表在《自然》杂志上的文章,按照RAD的测量数据,航天员在火星上接受的累计辐射剂量,相当于每星期接受一次全身CT扫描。

随着科技的进步,未来有可能会发现一些新型的轻质材料,或许会比铝板具有更好的防护效果。但即使找到这种新型防护材料,也只能降低部分辐射剂量,穿透防护材料的射线仍然会对人体健康产生危害。因此,防辐射是航天员登陆火星面临的重要难题。现实的选择是就位利用火星土壤,加入粘结剂固结成型,或用包装物填充火星土壤,一定厚度的土壤将可以有效地降低太空辐射对航天员的危害。

太阳系中充满了太阳风和宇宙射线等太空辐射,对人类和生命健康造成了很大威胁,因为地球磁场的防护,人类才得以在地球上长期生存

太阳系中充满了太阳风和宇宙射线等太空辐射,对人类和生命健康造成了很大威胁,因为地球磁场的防护,人类才得以在地球上长期生存

3.生命之基——再生水回收和氧气生产

水是生命之源,火星上的水资源实在太珍贵了,没有水航天员在火星上将完全无法生存。虽然水在太阳系中非常丰富,火星上也曾经有过大规模的水,以及许多河流和湖泊。但现在的火星上还没有找到可用的水源,NASA刚刚宣布发现的火星液态水也只是含有高氯酸盐的有毒卤水,分布在少数的火星撞击坑陡坡上。航天员火星生存所需的水仍是一个困难,因此再生水回收系统就变得非常重要。

影片中,聪明的马克每天计算自己所需摄入的热量(卡路里)和水,他不会浪费任何一滴水,在没有任何外来资源和地面救助的情况下,他研发了一套再生水回收系统,尽可能收集火星居住舱内的所有水气,让自己得以生存下去。

现实中,这样的再生水回收系统已经在国际空间站上得到了成功应用。在国际空间站,同样不会有任何一滴汗水、眼泪或尿液被浪费。这种新的净水系统被称为“水膜”,这种隔膜利用纳米技术和调节生物体水分的蛋白质技术,可以将汗液、尿液等废水转化为可饮用水。

利用这套再生水回收系统,国际空间站内收集的水分经过过滤、净化后循环利用。有位航天员曾经形象地说过,在国际空间站上,我今天喝的咖啡就源自昨天喝下去的咖啡。个中含义,想必你懂的,在纪录片荒野求生和地震救援中,很多人甚至靠喝尿液才得以生存下去。其实,这一幕每天都在国际空间站上演……

除了住所、食物和水,在火星上生存还有一项重要的条件:氧气。火星上没有氧气,马克无法随意进行舱外活动,他必须随身携带氧气补给。月球生存未来所需的氧气或许要依靠钛铁矿和氢气的氧化还原反应生产水,然后用水来电解产生氧气。火星生存所需的氧气也来自于水的分解,以电解方式分离水分子中的氧气和氢气,这套制氧设备已经成功用于国际空间站。氧气释放到空气中用于维持生命,氢气则进入制水循环系统。

航天员正在展示国际空间站再生水回收系统的杰作—用各种废液生产的纯净

航天员正在展示国际空间站再生水回收系统的杰作—用各种废液生产的纯净

4.火星农场——改造火星土壤

《火星救援》中,航天员马克是一位植物学家,他被选中作为航天员登陆火星的原因是为了研究火星引力对植物生长的影响,并筛选可以在火星上存活的植物。

要想种植作物,首先需要培养土壤。火星土壤与地球土壤的物质组成基本相同,但是地球土壤里有微生物群落,某些特定的养分只能通过微生物来提供,而火星土壤中没有微生物。因此,马克带着少量的地球土壤和一把种子登陆火星,希望试验不同比例的火星土壤与地球土壤混合来种植作物。

但是,马克只带了一小盆地球土壤,以及地球上最顽强且最容易种植的作物种子——几种野草和羊齿草,只是为了把它们作为测试作物。

火星上没有有机物和微生物。影片中,马克把所有能找到的有机物收进厨余桶都储存起来。按照之前的任务设计,航天员的粪便经脱水、灭菌后装进密封袋里,再遗弃到火星表面。

但现在,这些粪便将发挥重要作用。马克甚至出舱捡回队友们之前遗留的完全脱水干燥的粪便,虽然这些粪便已经完全不含微生物了,但还有复杂的蛋白质。马克找了一个大容器,加水并加了一点自己的粪便,接种微生物后即可大量繁殖,味道越臭,表示微生物繁殖得越好。(温馨提示:有心理障碍者,观影前请做好心理准备)

仅有粪便作为肥料是不够的。地球土壤中有几十种不同的微生物,而火星土壤中没有。马克在粪便中加入火星土壤铺开,再加入一点地球土壤,让地球土壤中的微生物感染火星土壤,这些微生物至关重要,是作物生长的关键。一周之后,火星土壤就会被改造成充满微生物的地球土壤,支撑作物生长。每周被改造的土壤规模都会增加一倍。

这里我们需要做一个数学题:居住舱地面约有92平米,整个地面都铺上10厘米深的火星土壤,总共需要搬9.2立方米的火星土壤到居住舱里,但实际上每次只能搬动0.1立方米的火星土壤。因此要建设一片92平米的火星土壤,马克需要进出压力舱92次。同时,要改造火星土壤,每立方米就需要40千克的水,建设一片92平米的菜园,需要368千克的水才可以。居住舱里拥有最先进的净水器,人类每天生存需要3千克水,每名航天员有50千克的水循环使用,所以居住舱共有300千克水可供使用。即使把所有水都用上的话,只能灌溉62.5平米的菜园。那么问题来了,怎样才能获得新的水源?被改造的62.5平米的土壤能种出多少食物?能否维持马克的生活呢?别着急,后面继续数学计算。

没有任何微生物的火星土壤

没有任何微生物的火星土壤

5.种植土豆——火星农业的试验田

《火星救援》中,马克把部分居住舱改造成了自体循环的小农场,靠种植土豆维生。为了拍好电影,剧组也真的在摄影棚内种了土豆,并完全任其自然生长,以模拟马克在火星上种植食物求生的场景。原著小说也有大部分内容详细介绍火星生存所需的农业种植技术。因此,种植农作物是太空探索和火星探测的重要项目。

马克从食品中寻找任何可以种植的作物,如豌豆、菜豆、土豆。要获取热量,最佳选择是种土豆。土豆可以大量繁殖,而且土豆也能提供相当不错的热量(每千克含有770卡路里的热量)。

“我很确定我手上的这批是可以发芽的土豆,问题是我没办法种出足够数量。”

好吧!继续我们的数学题。在62平米的菜园里,400天可以种出150千克的土豆(食物吃光的期限),有11.55万卡路里的热量,每天可以提供288卡路里。但以马克的身高和体重,即使稍稍饿点肚子,每天也需要1500卡路里的热量。要维持生计,实在还差的太远。

如果光靠土豆,只能支撑多少天呢?76天!幸运的是,土豆可以重复收获,76天里面还可以再种出2.2万卡路里的土豆,还可以供应15天。因此,马克在火星上生存的时间可以从400个火星日延长至490个火星日。但他需要活到第1412天,才可以等到救援。因此,至少还缺1000天的食物,那么马克又是如何解决食物问题的呢?

在国际空间站上,航天员通过定时的货物补给获得丰富的食品和生活设施。就在今年,国际空间站已经成功栽培出新鲜的蔬菜。在空间站上,蔬菜属于极具开发潜力的新鲜食材,只要用有色光线控制,蔬菜就会乖乖生长,按时供航天员食用。其中生菜是最容易种植的蔬菜品种。

但在6500万千米外的火星,马克必须实现自给自足。因为即使地面马上发射飞船,最快也要9个月后才能把食品送到火星上。因此,需要筛选适应火星环境的作物种类,在火星上种植作物,不仅可以确保未来登陆火星的航天员能够满足营养需求,还可以大大减轻需要从地球上运送的物资重量,显著降低载人登陆火星的技术风险和经费成本。

马克和他的火星农场,他正在测量土豆的长势。马克身边的是自制的用火箭燃料N2H2生产水的装置

马克和他的火星农场,他正在测量土豆的长势。马克身边的是自制的用火箭燃料N2H2生产水的装置

6.模拟试验场——地球上的“火星基地”

《火星救援》原本计在澳大利亚拍摄,但被当地政府拒绝。后来只能选择在匈牙利首都布达佩斯拍摄,因为当地拥有世界上最大最高的摄影棚之一。

影片中壮丽的“火星表面”场景,是在约旦著名的“玫瑰沙漠”瓦迪拉姆(Wadirum)取景的,最终的效果由实景拍摄加上CG技术共同完成,让观众真假难辨。CG技术是指影片本身在真实场景中拍摄并由真人表演为主,但穿插应用了大量虚拟场景、角色、事物、特效等对象。瓦迪拉姆沙漠寸草不生,除蓝天白云提醒我们仍在地球上外,空旷无垠,满地红沙,恍如真的游历在火星表面。

约旦著名的“玫瑰沙漠”瓦迪拉姆是火星救援的取景地(图片:山水与共博客)

约旦著名的“玫瑰沙漠”瓦迪拉姆是火星救援的取景地(图片:山水与共博客)

10.模拟试验场

11.模拟生存

12.火星沙漠观测站

图3 科学家在犹他州沙漠中找到了类似火星表面的模拟试验场,设立了火星沙漠观测站,让航天员在在火星模拟场景中开展模拟生存、地质考察、植物栽培等(©Jim Urquhart/Reuters)

图3 科学家在犹他州沙漠中找到了类似火星表面的模拟试验场,设立了火星沙漠观测站,让航天员在在火星模拟场景中开展模拟生存、地质考察、植物栽培等(©Jim Urquhart/Reuters)

为训练航天员和研发载人登陆火星的相关技术,科学家在美国犹他州的沙漠和非洲摩洛哥的撒哈拉沙漠北部也都找到了火星表面的模拟场景,并设立观测站开展长期观测和研究。

在漫长的飞行旅途以及火星生存过程中,如何缓解心理孤独是一大问题。影片中,马克在火星上生存的整个过程中,都十分清醒而镇定,展现了一个航天员的优秀品质。如果换成是普通人,一旦知道自己没赶上回地球的飞船估计就已崩溃。马克却表现出异于常人的冷静和坚韧,救治伤口、清点食物、计算每日所需、建设火星农场、培育土壤、种植作物,一切安排都井然有序,有条不紊。

偌大的火星上,只有孤零零的一个人。

种地之余,马克想方设法自己找乐,他有时坐在山丘上沉思,有时面对摄像头促膝谈心。此时,他想到的不是如何从火星上逃回地球,不像荒岛上的鲁滨逊等待海面上的大船,因为从火星上逃回地球和碰到有人路过的可能性都不存在。马克首先想到的是生产自救,在火星上活下去。这个被遗弃在火星上的航天员由此在陌生的红色行星上拓荒,就像牛仔拓荒美国西部一样。

三、期待篇:中国太空大片何时到来

从《地心引力》,到《星际穿越》,再到《火星救援》,好莱坞一年一部太空科幻片的节奏,每一部都表现不俗。这些太空科幻片宣扬了美国人的探索精神,输出了美国文化的影响力,片商们更是赚足了银子。

反观国内电影界,数量庞大的科幻迷们,翘首以待这么多年,何时才能看到硬科幻的太空大片呢?除了宫斗、神剧之外,中国太空大片何时才能实现零的突破?

太空科幻片既具有显著的商业价值,又满足了人类的好奇心,传播了探索未知世界的科学精神。拍摄太空大片仅有强大的特技制作能力是远远不够的,特别需要天文和行星科学家、航天工程师们的深度参与,才能使每一个细节都不违背科学常识,每一项技术是基于现有技术能力的合理拓展,而这恰恰是太空大片拍摄的难点所在。好在有消息称,《三体》已经开始进行影片制作,期待能够尽快填补空白。

极其紧迫的情况下,为了拯救遗弃在火星上的失联航天员马克,NASA飞越大洋找中国航天局寻求支持。美国货物补给火箭发射失败,飞往火星的航天员们面临饿死的风险。此时中国的“太阳神”(其实太阳神就是阿波罗,中国火箭当然不会用这个名称)重型火箭已经完工,正好准备发射。美国人承诺未来同样会给中国载人登陆火星计划提供帮助,以此作为交换条件,用中国的太阳神火箭,把食物补给运送给航天员乘组。

火星的自然环境与地球最相似,是太阳系中唯一经改造后适合人类长期居住的天体。我们在20世纪实现了载人登陆月球,人类第一次有能力登陆地球之外的另一个天体;21世纪的上半叶,人类将实现登陆火星的梦想,这将是人类航天史上最重要、最复杂的太空计划,将对人类的未来产生深远影响。

美、俄、欧等航天大国很早就开始酝酿载人登陆火星的计划,由于政治、技术、经费等原因,一直未能付诸实施。当前,载人航天技术,特别是重型运载火箭和新一代载人飞船的性能有了显著提升,载人登陆火星不再是纸上谈兵,甚至包括SpaceX在内的一些民营航天企业也将载人登陆火星作为长远发展目标。作为深空探测的后起之秀,面对世界航天发展的新形势,中国也正在积极规划自主火星探测,以图在人类探索太阳系的征程中做出与大国地位相适应的贡献。

载人登陆火星的宏大目标已经成为全人类的共同梦想。然而,人类探索火星的道路将充满挑战,但这种挑战和冒险精神,才是人类社会蓬勃发展的原生动力。基于对科学发展战略的认识,我们不妨作一个大胆的预测,人类将在未来20年(2035年)左右首次登陆火星表面,航天员乘组很可能是多国合作的“联合国际”航天员。实现载人登陆火星后,长远将朝着建立火星前哨站、改造火星环境、火星移民的长远目标逐步迈进。因此从某种程度而言,《火星救援》并非科幻,而是展现了二十年后的现实世界。

人类登陆火星的梦想并非遥不可及,预计未来20年左右即将成为现实

人类登陆火星的梦想并非遥不可及,预计未来20年左右即将成为现实

“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

本文由科普中国移动端出品,转载请注明出处。

频频宣布火星重大发现,NASA要干大事

据说又是重大发现

北京时间11月6日凌晨3点,美国东部时间11月5日下午2点,美国航空航天局通过NASA电视台(NASA TV)在其华盛顿总部的詹姆斯·韦伯礼堂举行新闻发布会,介绍马文号探测火星大气的重要发现。

参加新闻发布的科学家包括:NASA火星探索项目首席科学家迈克尔·迈耶、马文号首席科学家布鲁斯·亚科斯基(Bruce M. Jakosky,科罗拉多大学波尔得分校大气与空间物理实验室)、马文号太阳风离子分析仪责任科学家贾斯彭·赫拉卡斯(爱荷华大学)、马文号科学家团队成员、华人科学家董亚雪(科罗拉多大学大气与空间物理实验室)、马文号合作研究员大卫·布雷恩(科罗拉多大学大气与空间物理实验室)。新闻发布会给现场记者安排了简短的问答环节,感兴趣公众也可以通过电话连线或NASA社交账号参与互动。

马文号(MAVEN)是火星大气与挥发分演化探测器的英文缩写,是第一颗专门研究火星高层大气的探测器,目的是回答火星大气消失的原因。2013年11月19日发射,2014年9月22日进入环绕火星的椭圆轨道。目前已在轨探测一年多,在火星北半球发现了紫外线极光,并在高层大气中探测到神秘尘埃云。

太阳风吹走火星高层大气示意图

太阳风吹走火星高层大气示意图

马文号究竟发现了什么

与NASA新闻发布会同步的是,著名科学期刊《Science》发表了马文号的四篇论文,以《马文号探测火星高层大气》(MAVEN Explores the Martian Upper Atmosphere)专刊的形式在线发表。地球物理研究快报也有相关的文章报道研究成果。这些研究成果成为今天新闻发布会的主要依据。

经过几十年的火星探测,包括轨道器、着陆器和火星车的探测,火星探测的新发现不断冲击人类的想象力,给我们带来探索未知世界的惊喜。我们越是了解火星,就越可以发现火星内部、火星表面和火星大气之间的相互联系。火星是否具有适合人类移居的潜力?火星上是否存在大规模的水?火星气候是如何变迁的?回答这些问题的关键,是了解火星不同系统之间的相互关系随时间变化的历史。

之前的火星探测任务已经证明,火星曾经有过大规模的液态水,这要求火星有浓厚的二氧化碳大气层,以实现持有液态说所需要的温室效应。但大气层中的二氧化碳来自哪里?火星上的液态水来自哪里?我们在火星表面或一定深度都没有发现充足的含碳矿物,无法支持火星曾经浓厚二氧化碳被埋藏到了地下。然而,火星大气逃逸、消散到太空中可能是火星气候变化的主要原因。马文号通过测量火星高层大气与太阳和太阳风的相互作用,研究火星大气逃逸过程。

由于火星没有全球性的磁场,太阳风可以直接抵达火星,将火星高层大气中的带电离子驱赶走。而地球由于有磁场的保护,带电的太阳风离子无法直接抵达地球大气层,导致太阳风离子对地球和火星大气产生了不同的影响。马文号测量了火星大气中离子的总逃逸速率及其速率变化,探测结果发现,过去40亿年中,火星大气粒子逃逸对气候变迁有巨大影响。

全球性的偶极磁场保护了地球大气层

全球性的偶极磁场保护了地球大气层

火星大气逃逸主要发生在三个区域:一是太阳风吹到火星背面,占大气逃逸总量的75%;二是极区上空,占大气逃逸总量的约25%;三是绕火星的延展云层,仅占大气逃逸总量的很小部分。

不仅太阳风,不时出现的太阳风暴产生的影响更为显著。尤其是在太阳系形成的早期,太阳风暴出现的几率更频繁。

当太阳风暴击中火星大气层时,大气逃逸速率将提高约10-20%。平均火星每秒约有100克的大气被吹走,相当于一个大面包的质量。

火星最近很忙,NASA要干大事

目前,火星轨道上共有3颗探测器正在工作,其中包括2001年发射的“奥德赛”号火星轨道器、2005年发射的“火星勘测轨道器”和欧空局2003年发射的“火星快车”轨道器。火星表面还有两辆火星车正在工作,分别是2003年发射的“机遇”号和2011年发射的好奇号。

与耗资26亿美元、研究火星表面地质和物质组成的好奇号火星车不同,马文号是第一颗探测火星高层的探测器,大部分时间停留在距离火星表面约150千米至6000千米间的椭圆轨道,并5次下降到距离火星表面125千米处,即火星高层大气的最下边界,获得不同高度的火星大气分析数据。而对火星大气的认识和了解将有助于人类未来登陆火星的计划。

虽然发射时间晚于2013年11月5日发射的印度曼加里安号火星探测器,但马文号于2014年9月22日进入火星轨道,比曼加里安号提前两天抵达火星。美国人一直对印度“抢先”发射的曼加里安号嗤之以鼻,他们认为,曼加里安号根本没法与好奇号、马文号相比。印度的火星探测在很大程度仅仅只是技术展示,说明印度有火星探测的能力,但其科学探测能力完全无法与先进的好奇号或马文号相提并论,也就是说,曼加里安号并不会有什么像样的科学成果,而只是一次技术验证。

7月,飞越冥王星,发现另一个地球;9月,发现火星现存液态水;11月,发现火星大气消失之谜,NASA今年真的很忙。特别是数次通过提前预告、渲染神秘气氛的方式,成功吸引了全球媒体的广泛关注。虽然此举有炒作嫌疑,但让更多的人关注太空、关注科学,无疑比娱乐恶搞、噱头营销要好得多。

火星是美国太阳系探测战略的核心。目前,火星探测的科学战略从早期的全球普查,逐渐聚焦到对重点地区开展精细探测;从火星找水逐步转到寻找生命信息。科学界越来越清晰地认识到,火星是人类面临重大灾难时最有可能去的避险地。火星上发现了三角洲、冲击扇、沟渠等大量流水侵蚀地貌;一些盆地与中国柴达木盆地中的干涸盐湖十分相似,说明火星上曾经发育过大型湖泊;2007年发射的凤凰号着陆器直接探测到了火星土壤中的水蒸气。这些证据表明,火星土壤就像青藏高原的冻土层一样,现在仍然含有水。

虽然有些力不从心,但NASA的雄心从未消退。它一心就想干一番大事业——实现人类登陆火星的梦想。在太阳系中,火星的自然环境与地球最相似,是唯一经改造后适合人类长期居住的天体。自9月28日NASA宣布在火星表面发现液态水后,更多迹象表明火星可能拥有适宜生命存在的环境。此次马文号对火星大气消失之谜的关键性发现将有助于进一步了解这颗神秘的红色行星,并为20年后实现人类首次登陆火星提供重要依据。

2015,中国商业航天元年

航天事业的发展不仅可以拓展我们的知识疆界,满足人类对太空、宇宙和未知世界的好奇心,而且将极大地提升人类的技术能力,创造全新的商业机会和产业市场。

商业航天是航天事业未来发展的蓝海。从2007年开始,在奥巴马政府的大力倡导下,NASA开始自我革命,逐步退出具有潜在商业开发价值的航天领域,积极培育和扶持有实力的民营航天企业。未来,NASA将逐步退出低轨道商业航天发射和运营市场,专注于引领月球和火星等太空探索前沿领域。

以此为契机,世界商业航天开始蓬勃发展,全球太空产业以每年6-7%的速度增长,从2010年的2616亿美金已经发展到2014年的超过3300亿美元。特斯拉创始人马斯克所持有的太空探索技术公司(SpaceX)已经开始为国际空间站提供货物运输服务,布兰登拥有的维珍银河公司(Virgin Galactic)正在努力为普通人提供太空旅游服务,亚马逊创始人杰夫贝索斯成立的蓝源公司(Blue Origin)正在研发可重复使用的运载火箭和低轨道飞船,以降低载人航天的成本。更多私人企业已经成功进入这一市场,占据了产业链条的某个环节。

2015年是中国商业航天发展元年。这一年,商业航天在中国正式破冰起航。

2015年9月,经财政部批准,航天科技集团成立了四维商遥公司,致力于为全球用户提供以高时空分辨率和高光谱观测能力的遥感数据服务和系统解决方案。按照计划,将于2016年年底前进行首次发射,2022年左右建成由16颗0.5米分辨率光学卫星、4颗高端光学卫星、4颗微波卫星以及多颗视频高光谱等微小卫星组成的0.5米级高分辨率商业遥感卫星系统。

10月7日,我国第一颗商业高分辨遥感卫星吉林一号组星(1颗光学遥感卫星、2颗视频卫星和1颗技术验证卫星)成功发射升空。在技术上,吉林一号贯彻了“星即是载,载即是星”的理念,突破了每颗卫星必须依托一个平台的传统思路。在运营机制上,吉林一号成立了混合所有制的长光卫星公司,按照高分辨率遥感图像供应商的市场定位进行卫星研制和商业化运营。依托中科院长春光机所在光学设备研发方面的雄厚积累,吉林一号获得的高分辨率遥感图像分辨率达0.72米,数据质量已经可以媲美快鸟2号。而且,吉林一号的雄心显然不限于此,根据吉林省微小卫星规划,他们计划在2030年前发射138颗卫星,努力成为世界级高分辨率遥感图像信息供应商。

高分辨率对地观测系统(高分专项)作为国家重大专项,开启了我国民用航天遥感的先河,去年发射的高分二号图像分辨率达亚米级,图像质量获得广泛认可。但高分专项在面向行业用户的遥感数据分发和应用推广方面不够积极。因此,未来高分辨率商业遥感卫星的发展,使高分专项必须重新寻找自己的准确定位,要么做商业航天做不了的事情,要么做的比他们更好。特别是应在市场亲和度和应用领域方面寻求突破。

10月30日,中国卫星应用大会暨中国国际卫星应用技术与设备博览会在北京举行,首届中国商业航天高峰论坛同一天在武汉举行。一南一北的两个论坛,关于卫星、技术、资本、商业、市场的思想和观点正在交汇。论坛上传出的声音,预示着商业航天将在中国快速发展。

虽然从技术角度分析,随着卫星部组件、运载等技术逐渐成熟,小卫星研发制造门槛已经显著降低,发射卫星已经成为平常事,卫星性能明显提升。但与国外商业航天市场的蓬勃发展相比较,国内无论是航天领域的传统老大,还是刚进入航天队伍不久的中科院小卫星中心、长春光机所、清华大学等新机构,都还只是商业航天领域的小学生。我们应该充分意识到,要实现商业化航天,卫星成功发射只是事业的起点,要实现卫星星座组网、高效运营,挖掘潜在用户,发挥市场潜力并创造商业价值,后面的道路更长、更艰难、更无迹可寻。这方面国外有些小卫星公司的成熟经验值得借鉴。例如,行星实验室公司(Planet labs)短短三年发射了70颗卫星,如果按照传统的航天测控和图像生产的工作流程,需要长期而庞大的地面支持和后续数据处理工作量。为此,Planet labs、Skybox等小卫星公司开发了高效运控网络和自动化数据生产流程,卫星在轨工作方式也朝着自动化方向发展。在市场推广方面,他们充分利用互联网平台,推出适合普通大众参与的遥感数据开发平台。

在传统航天企业之外,互联网领域的BAT们绝不会无视航天这块大蛋糕。腾讯的马化腾是一位太空迷,很早就设立了腾讯太空频道;百度的李彦宏在去年两会上就提案建议,要求国家出台政策鼓励民营企业进入火箭、卫星发射等航天领域,以提升我国航天产业的国际竞争力;拥有雄厚资本的阿里巴巴和梦想家马云据传正在与各方积极接洽,利用资本的力量收购相关企业,以期切入航天领域。

对于期待进入商业航天领域的外部企业而言,虽然前景诱人,但这片陌生海域荆棘遍地,只有找准切入点,找到潜在的发力点,才有发展壮大的希望。例如,我国自主建设的空间站除了开展科学研究之外,未来也会有大量的商业搭载机会。北斗导航系统在测绘、交通、旅游、城市建设等领域有大量的市场潜力还没有发掘

怎样才能推动中国商业航天的发展?在政府管理上,针对商业航天这一新兴产业发展中出现的新情况和新问题,应及时高效地修订卫星发射、数据分发、市场准入等政策。要致力于打开商业航天发展的外部生态链,让民企进入航天上下游领域,参与公平竞争,使他们围绕航天生存。封闭没有出路,传统航天业的大佬们,在商业航天大发展的必然趋势下,千万不能关起门来,事无巨细大包大揽。唯有因势利导,在开放中求发展。通过引入外部力量,

为传统航天企业带来新思想、新模式,这些既竞争又合作的外部力量,无疑可以促进航天企业的改革和发展。相信只要掌握核心技术和市场规则的制定权,保持核心竞争力,传统航天企业仍可以长期保持行业领导地位。

商业航天的发展,将构建起从飞天梦想到市场价值的完整链条,让中国人的生活更加美好。

冥王星的天是蓝蓝的天?

冥王星的天是蓝蓝的天,地球上的人们好喜欢。

冥王星上的蓝天(NASA/JHUAPL/SwRI)。本图由新视野号探测器上的多光谱可见光相机(Multispectral Visible Imaging Camera,MVIC)拍摄,该相机属于可见-红外成像光谱仪(Ralph)的组成部分。本图并非是直接拍摄的图像,而是通过图像处理软件,把蓝、红、近红外图像合成在一起制作的,更接近人眼可以感知的图像。

冥王星上的蓝天(NASA/JHUAPL/SwRI)。本图由新视野号探测器上的多光谱可见光相机(Multispectral Visible Imaging Camera,MVIC)拍摄,该相机属于可见-红外成像光谱仪(Ralph)的组成部分。本图并非是直接拍摄的图像,而是通过图像处理软件,把蓝、红、近红外图像合成在一起制作的,更接近人眼可以感知的图像。

根据2015年10月8日公布的最新图片,显示冥王星上空有一层薄薄的蓝色雾霾层。

科学家推测,冥王星高空的霾层与土卫六上的霾层在本质上是相似的,都是太阳光引起大气中的氮气和甲烷发生光化学反应,生成烟灰状的小颗粒。这些颗粒将逐渐沉降到天体表面。著名的行星科学家卡尔.萨根把这些烟雾颗粒称为索林( tholins)。

科学家最早在土卫六泰坦(Titan)的大气层研究中提出了这种大气化学反应。当大气层中含有甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、氨(NH3)、水(H2O)、 甲醛(HCHO)、硫化氢H2S)等成分时,太阳光的紫外照射或放电提供的能量,将驱动大气光化学反应,合成一种复杂的固态有机化合物,被称为索林。

索林本身的颜色可能是灰色或者红色的,但在大气层中,这些烟雾颗粒会散射蓝光,使得天空呈现蓝色。冥王星上浅蓝色的天空泄露了它的大气成分和烟尘颗粒大小的秘密。通常情况下,蓝色的天空一般是很细小的颗粒散射太阳光导致的,地球上的蓝天是极微小的氮气分子引起的,而冥王星上的颗粒会稍微大一些,类似于我们熟知的烟尘。

科学家相信,在冥王星的高层大气中,太阳光中的紫外线分解并电离大气中的氮气分子与甲烷分子,形成复杂的带正电和负电的离子。当这些带电离子结合时,就会形成非常复杂的有机大分子。有机大分子继续发生化学合成反应,并逐渐长大,最终形成细小颗粒物。当这些颗粒像雪粒子一样沉降到冥王星表面时,会给地表蒙上一层淡淡的红色或灰色。

冥王星蓝色天空的近景照片(NASA/JHUAPL/SwRI)。正是这种被称为索林的复杂有机化合物导致冥王星上空呈现迷人的蓝色。

冥王星蓝色天空的近景照片(NASA/JHUAPL/SwRI)。正是这种被称为索林的复杂有机化合物导致冥王星上空呈现迷人的蓝色。

根据可见-红外成像光谱仪(Ralph)的探测数据,获得的另一个重要发现是,在冥王星上,发现了一些暴露在地表的水冰。

冥王星上的水冰(NASA/JHUAPL/SwRI)。本图利用可见-红外成像光谱仪(Ralph)的图像数据合成,图中水冰暴露的区域被突显成蓝色。图中埃利奥特坑(Elliot)左侧的维吉尔峡谷(Virgil Fossa)是该区域水冰信号最强的地区,图片上部的维京地带和右侧的巴雷山脉(Baré Montes)也暴露出较多水冰。

冥王星上的水冰(NASA/JHUAPL/SwRI)。本图利用可见-红外成像光谱仪(Ralph)的图像数据合成,图中水冰暴露的区域被突显成蓝色。图中埃利奥特坑(Elliot)左侧的维吉尔峡谷(Virgil Fossa)是该区域水冰信号最强的地区,图片上部的维京地带和右侧的巴雷山脉(Baré Montes)也暴露出较多水冰。

冥王星上有大量的水,所以有水冰并不稀奇。但是,相对于氮冰、甲烷冰来说,水冰的挥发性要低得多,所以冥王星上的绝大部分地区都应该被氮冰和甲烷冰等更具挥发性的冰覆盖的,水冰一般会被掩埋在其他冰层的下面,很难出露在地表。为什么冥王星上会有暴露在地表的水冰?

而且,暴露水冰的区域与冥王星彩色照片上的两红色区域对应得很好,这些红色的水冰更让人感到迷惑。暴露在地表的水冰与沉降到地表的红色索林之间是否存在什么联系?这一谜团还有待进一步的研究来证实。

NASA如何发现火星液态水?

出品:科普中国

制作:中国科学院国家天文台 郑永春

监制:中国科学院计算机网络信息中心

要达到好的宣传效果,要先吊足胃口——美国国家航空航天局(NASA)的宣传主管显然深谙此道。相信很多人仍对今年7月NASA另一个地球的“重大发现”记忆犹新,9月28日晚,NASA再度抛出“火星之谜已解开”的重磅新闻。虽然并非我们想要的发现“火星人”那种大发现,不过这次新闻发布会的成果确实有所不同,也足够分量:光谱证据显示,火星上现在就有液态水。

发布会上的关键人物

早在新闻发布会举行之前,很多人从NASA预告将出席发布会的人员名单中,已经非常准确地猜到即将公布的“重大发现”是什么了。因为参加发布会的人员中有一位博士生Lujendra Ojha,他的出现给大家一个很强烈的信号,因为正是他发现了火星上的季节性坡纹,表明火星上可能存在发现液态水流。

Lujendra Ojha(个人网站:http://www.lujendraojha.net/)目前仍是美国佐治亚理工学院的一名在读博士生,酷爱摇滚乐,预计明年才毕业。2011年,当他还是亚利桑那大学的一名本科生时,从火星勘测轨道器拍摄的高清图像上,发现一些撞击坑的坑壁上存在暗色条纹。Lujendra Ojha把这些条纹命名为季节性坡纹(recurring slope lineae,RSL),认为可能与水流作用有关。

NASA本次新闻发布会,源于Lujendra Ojha作为第一作者发表在《自然·地球科学》上的一篇论文《火星季节性坡纹中发现水合盐类的光谱证据》。这篇论文于今年4月22日投稿,经过一番审稿和修改之后,最终于今年8月21日被同意接收。9月28日,这篇文章被挂到网上在线发表。

在这篇文章在线发表的同时,《自然·地球科学》网站发布了这篇文章的新闻稿,当然,编辑部并没有预料到这条论文会被NASA炒作成一个大热点,杂志社的华人编辑也没有把新闻稿译成中文以飨国内读者。

什么是季节性坡纹?

季节性坡纹是一种颜色较暗(即反射率较低)的狭长条纹,在火星表面相当活跃。Lujendra Ojha发现,当气温上升时,季节性坡纹开始形成并发育壮大,一般在:当气温下降天气寒冷时,这些坡纹又会消失不见。即一般从春季开始出现,在整个夏季变得越来越明显,到秋冬季节逐渐消失。

多年观测发现,季节性坡纹一般在同一位置反复出现。据推测,这一神秘的地质现象可能与流水有关,直接关系到火星上现在是否有水这一重大命题。Lujendra Ojha和他的同事们一直在利用搭载在多颗火星轨道器上的科学仪器获得的遥感数据,研究这些季节性坡纹形成的地质过程或水文过程,解释其成因。这次,他们终于找到了证据。

1

图1 火星上一个面向西部的贾尼撞击坑(Garni)坑壁上的季节性坡纹

2

图2 火星Coprates Chasma地区东北向倾斜的季节性坡纹(NASA / JPL-Caltech / University of Arizona)。图中黑色箭头所指部位显示了水流冲刷的痕迹。影像数据源自MRO上的HiRISE高分辨相机。右上角的小图为局部区域的放大图。

3

图3 火星上Melas Chasma地区扇形细颗粒物质上发育的季节性坡纹(NASA / JPL-Caltech / University of Arizona),彩色影像源自MRO上的HiRISE高分辨相机。

4

图4 拍摄于不同时间的同一地区影像,显示季节性坡纹有时出现,有时消失据推测

5

图5 火星海拉斯盆地中发育的冲沟,宽1-10米(MRO于2011年1月14日拍摄,REUTERS/NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona/Handout)

水合盐类的光谱证据

简单地说,这次发现的主要成果,就是利用搭载在火星勘测轨道器上的高分辨率成像科学设备(HiRISE)和紧凑型火星勘测成像光谱仪(CRISM)获得的数据,发现了火星上存在水合盐类的光谱证据。

光谱分析是行星遥感中的常用手段。由于每种元素都有自己的特征谱线,因此根据光谱特征可以识别目标物质的成分。Lujendra Ojha为什么能从光谱数据中分析出火星表面有水呢?

首先,他利用HiRISE获得的高分辨率照片,识别出季节性坡纹所在的位置;然后,从CRISM的探测数据中提取这些位置及其周围区域的光谱,绘制成下图中的谱线。这些谱线中向下凹的地方称为“吸收峰”。由于季节性坡纹的光谱与水合盐类物质的光谱具有相同的吸收特征,推测季节性坡纹中存在水合盐类;最后,根据季节性坡纹中光谱监测到的水合盐类含量的变化,可以确定这些季节性坡纹是由水流作用形成的。

image011

图6 季节性坡纹发育地区的光谱分析

上图中,a和b中的彩色方框为光谱测量的区域;c为光谱测量结果,不同颜色的谱线分别对应于a和b图中不同的测量区域。d为地面实验室内测得的各种含水盐类化合物的谱线。

由上图可以看出,季节性坡纹中的物质在1.48微米、1.9微米和2.14微米处有明显的吸收峰。其中,所有区域在1.9微米谱段都有明显的吸收峰,这一位置的吸收峰与地面实验室测得的高氯酸盐的光谱特征一致。

此前,高氯酸盐类物质已经在火星上的多处地点被发现,这次的发现增加了火星上存在宜居环境的可能性,下一步NASA科学家致力于研究这些卤水的来源及其储量。

image013

图7 火星Horowitz撞击坑中央峰上的季节性坡纹活动及其光谱特征

上图中,a为源自Horowitz撞击坑中央峰基岩的季节性坡纹(HiRISE影像,摄于第28个火星年),b为同一HiRISE影像中另一中央峰上的季节性坡纹(比例尺同a)。c图中的两条黑色谱线分别为CRISM测得的图a和图b中方框区域的光谱,彩色谱线为火星土壤光谱与各种盐类光谱混合的结果,从上到下依次为火星土壤与高氯酸镁、高氯酸钠、高氯酸钙的混合光谱。

image015

图8 火星上Hale撞击坑中央峰的季节性坡纹及其CRISM光谱。

a为Hale撞击坑中央峰的季节性坡纹,上北下南,太阳光从左侧照入,影像源于HiRISE相机,摄于第31个火星年。b为a图中方框区域的红外光谱。

image017

图9 火星上Coprates Chasma地区观测到的季节性坡纹、冲击扇及其CRISM光谱。

图中,a为Coprates Chasma地区源自基岩的季节性坡纹,黑色箭头为可能与水流作用相关的冲击扇。b中的彩色方框与a为同一区域。c中不同颜色的光谱对应a中方框区域的测量结果。 

低温卤水具流动性

火星与太阳的平均距离约2.279亿千米。表面干燥、寒冷,且大气稀薄。火星的表面温度随地理位置、一天中的时间以及表面性质而变化。在黎明前温度最低,然后迅速升高,正好过中午后温度达到最高值,然后在下午迅速下降,随后慢慢地下降到黎明的低值。

由于火星轨道的偏心度,火星南半球夏季最高温度大约比北半球高30K,在很宽的纬度范围内都超过了273K,最高温度记录是仲夏季节的中午,在南纬25度处,记录到295K的最大值。最低温度是仲冬时节,南极极冠的温度可降到140K。在表面以下几厘米深度,日平均温度为210~220K;在冬季极区,温度降低到150K。

表面温度随天、季节和纬度有很大的不同,夏季最高温度可达17℃,但平均日温不超过-33℃。由于大气层很薄,日温度变化100℃是很平常的。在南北纬50°以上的极区,整个冬季的温度都很低(低于-123℃),使大气的主要组分CO2冻结成白色沉积物,形成极冠,由于极冠的季节性循环,表面总气压波动达30%。

由于火星表面气温往往低于纯水的冰点,因此纯净的液态水在火星上很难存在,而高氯酸盐的存在降低了水溶液的冰点。一般加入铵盐后的水溶液,冰点可降低至约零下40摄氏度,实验室中经过优化后的配方,水溶液的冰点可降至约零下80摄氏度。因此,即便在远低于零摄氏度的低温下,火星上的卤水也有一定流动性。

此外,由于水溶液中的高氯酸盐含量高,密度大,火星上的低温使水溶液黏度大。因此即便是液态,水溶液的黏度也可能上升2-3个数量级,就像我们办公室使用的胶水,流动性较差。这也是虽然在火星上观察到大量季节性坡纹,却至今没有找到液态水流的原因。

高氯酸盐有毒

迄今为止的多个火星探测器在火星表面探测到了碳酸盐、硫酸盐、氯化物等一系列地球上常见盐类矿物。遥感光谱及高分辨率相机的探测数据表明,火星北半球高纬地区分布着大量以石膏为主的硫酸盐,中低纬度地区的水手峡谷及附近低地广泛分布镁、钙硫酸盐;火星南半球中低纬度高原地区存在分布广泛的氯化物。

除了遥感测量外,机遇号、勇气号、凤凰号、好奇号等火星车在着陆区附近发现了一系列蒸发盐矿物。凤凰号着陆后在机械臂上冷凝的液体中探测到大气沉降形成的高氯酸盐,并发现火星近地表可能含有高浓度的卤水。

此次成果发布会上展示的火星液态水正是高氯酸盐为主的卤水。

高氯酸盐有毒性,会致畸。人体摄入高氯酸盐将抑制碘吸收,削弱甲状腺功能对婴幼儿也有致畸作用,会产生面部溃疡。

即便如此,有水总比无水好,哪怕是有毒的水,也远远比付出高昂代价从地球上运水要好得多。水是生命之源,火星上的水资源实在太珍贵了,没有水航天员在火星上将完全无法生存。虽然水在太阳系中非常丰富,火星上也曾经有过大规模的水,以及许多河流和湖泊。但此前在火星上还没有找到可用的水源,航天员生存所需的水需要就位生产或从地球上带去。地球上已经成熟的海水淡化技术和国际空间站的水循环利用技术,大大增加了人类在火星上就位取水的可能性。在国际空间站,不会有任何一滴汗水、眼泪或尿液被浪费,利用再生水回收系统,太空舱内收集的水分经过过滤、净化后循环利用。有位航天员曾经形象地说过,在国际空间站上,我今天喝的咖啡就源自昨天喝下去的咖啡。

富含高氯酸盐的液态水的发现增加了火星上存在宜居环境的可能性,下一步NASA科学家致力于研究这些卤水的来源及其储量。火星上是否存在或曾经存在过生命物质的问题一直以来是火星探测的热点与重点。由于直接探测生命存在技术困难,因此寻找火星上具备生命物质产生、生存与发展的环境条件成为解决问题的关键,旨在回答水的存在、水体发育程度、气候条件、土壤中微生物等。

根据地球的经验,只要有液态水并且有一定的热量,几乎肯定可以有生命存活。此次发布的重要成果,为下一步在火星上寻找生命提供了希望。当然,火星上的生命肯定只能是低等的微生物。

注:文中所有图片来自NASA。

科普中国

“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

本文由科普中国出品,转载请注明“来源:科普中国”。