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。

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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。

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