作者:郑永春 来源:中国科学报 发布时间:2015/2/27 10:49:20
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20年内将实现载人登陆火星

郑永春

首届香江学者国家天文台青年创新促进会负责人

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■郑永春

虽然科技发展日新月异,但人类面临的命运却十分脆弱,我们面临的重大自然灾难除了地震、火山、海啸外,还包括小天体撞击、地球磁极倒转、超新星爆发、超级太阳风暴等。生命体即使庞大如恐龙,也能在一夕间灭亡殆尽。因此,人类必须保持足够的危机感和紧迫感。

然而,在可预见的将来,人类还不具有飞出太阳系的能力。在太阳系范围内,只有火星环境最适宜生命生存,是我们移居外星球的首选目标。虽然我们在太阳系中探索木卫二和土卫六等天体,在太阳系外搜索系外行星,但这些任务的主要目标是探测这些天体上的生命信息,而非为人类提供未来的移居地。

根据目前的探测成果,火星上可能存在过生命和液态水,这就为人类向火星移民,开辟新的生存空间提供了希望。人类可以通过在火星上创造温室效应,经过一二百年的改造,使之成为太阳系中的另一颗宜居行星,为人类向火星移民,开辟新的生存空间提供新的希望。

自阿波罗17号航天员最后一次登月至今的43年里,载人航天长期被限制在地球附近的轨道,这种状态必须改变。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。

截至2013年底,人类共进行了42次火星探测活动。由于地球和火星的轨道运动差异,火星探测器的发射窗口每26个月才会“打开”一次。从1996年以来的8个发射窗口,已经发射了11颗探测器,取得了大量探测资料。火星已经成为除地球之外人类认识程度最高的行星,甚至超过了人类已经登陆过的月球。

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。

火星上有水已经得到确证,那么火星是否适合生命生存呢。生命科学的研究发现,生命可以在很多极端环境和极限条件下生存。细菌和孢子可以在非常寒冷、干燥、隔绝空气的环境下休眠数百万年,在环境条件适宜时重新激活。火星北极的土壤中就可能存在这样的休眠微生物菌落。科学家还在地球上模拟火星的辐射、昼夜温差等环境条件,1万个样本中有6个食杆菌属的细菌在30天的试验后仍然存活,证明微生物可以在火星上长期存活。这也验证了人类改造火星的一种可能,即把低等微生物作为先锋生物释放到火星表面,通过生物作用逐步改造火星环境,最终使之适合人类生存。

在载人登陆火星的技术储备方面,火星探测的成功率越来越高,技术已经逐渐成熟。2011年发射的“好奇”号火星车体积相当于小轿车,重量达3.6吨,是一个功能齐全的小型实验室,并首次采用了太空起重机技术,通过绳索将火星车缓缓降落到火星表面;“好奇”号火星车全部采用核动力发电技术以确保火星车的能源供给,这也是世界上第一个没有太阳能电池板的深空探测器。这些新的探测手段、着陆方式、能源供应技术可推广应用到未来载人登陆火星的任务中。

以载人重返月球为目标的星座计划虽然已被中止,但作为星座计划核心任务的战神号货运火箭和载人火箭、猎户座载人飞船的研制并没有取消。2009年10月,战神1号火箭试飞成功。2014年12月,猎户座载人飞船首次绕地球试飞获得成功,飞船经受住了每小时3万千米的高速地球再入和2300摄氏度的高温,这种飞船已经具备了载人登陆月球、小行星和火星的绝大部分功能。

从民意支持分析,普通美国人对这颗红色星球也有着浓厚兴趣,NASA开展火星探测一直获得多数民意的支持。1960~1975年的第一次火星探测高潮期间,前苏联发射的“火星号”系列和“宇宙号”系列探测器几乎全部失败。相比而言,美国人在火星探测方面一直备受幸运之神的眷顾,保持着很高的成功率。在21次探测任务中有17次成功,成功率高达70%。特别是新世纪以来的所有火星任务全部获得成功。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。

从政治环境分析,奥巴马政府的航天政策近年来已经逐渐清晰,即鼓励和扶持民营企业进入航天领域。美国政府今后将继续大力培育民营航天企业的研发能力和技术实力,NASA将逐步退出低轨道航天飞行任务和商业发射任务,把这些任务承包给民营企业,在激活民间热情的同时大大降低轨道器的发射成本。未来,美国政府将集中力量发展月球及以远的深空探测任务。在这一政策方向的战略转移过程中,载人登陆火星毫无疑问是其头号目标。

从战略上分析,不管是星座计划中载人重返月球并建设月球基地,还是奥巴马2010年提出的捕获一颗小行星使之成为月球的卫星,开展载人登陆小行星的任务,瞄准的都是载人登陆火星。不同的只是从月球出发去火星,还是从小行星出发去火星。实现人类首次登月让美国在冷战中最终击败竞争对手苏联,并且在航天技术方面长时间引领世界。在完成国际空间站的建设之后,只有载人登火星这样的目标才能继续凝聚欧洲、日本、加拿大等航天国家,使美国继续引领世界航天。

不难发现,火星已成为人类未来移居的首选目标,对人类具有最强的吸引力,现有的知识储备和技术能力已经基本满足载人登陆火星的需求。因此我们预测,在奥巴马政府两年多的任期结束后,新政府很可能在航天政策方面再度作出重大调整,载人登陆火星或将成为下届政府的重要目标。在国内政治气候、社会环境和经费允许的前提下,美国可能将适时宣布启动实施载人登陆火星的计划。

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年内(2035年前)首次踏上火星表面,航天员乘组很可能是美国人或美国牵头的国际合作小组,而后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。

作为一个发展中国家,中国在深空探测方面必须坚持有所为有所不为的原则和重点突出、逐步推进的指导方针。鉴于载人登陆火星的极高技术难度,中国很难在20年内完全具备载人登火星的能力。但面对世界载人火星探测的发展趋势,我们必须在火星探测方面早作谋划,积极准备,在人类探索太阳系的征程中作出与大国地位相适应的贡献。

《中国科学报》 (2015-02-27 第7版 科普)
 
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