作者:张晶晶 来源:中国科学报 发布时间:2018/4/13 9:34:00
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十年后,我们火星见

随着时间的推移,在人类的不断改造下,火星将成为一个适合人类生存的地方。

■本报记者 张晶晶

太阳系中,金星和火星是离地球最近的两大行星。而火星在各方面条件都非常接近地球,各国航天机构也都将其作为重点探测对象。中国在2016年1月正式启动了火星探测计划,将于2020年前后发射火星探测器。

在探测研究火星的队伍中,SpaceX和特斯拉创始人、硅谷传奇埃隆·马斯克格外引人注意。继去年9月份,他提出了雄心勃勃的火星移民计划之后,近日又在《新太空》杂志网站撰文,详细阐述了这一计划,文中介绍了被称为“BFR重型火箭”的最新设计;同时,马斯克表示“已经找到了为建造BFR重型火箭筹集资金的方法”。

一颗红色的梦想星球

人类在火星上有可能生存吗?中国科学院国家天文台科学传播中心主任、研究员郑永春向《中国科学报》记者详细介绍了这颗红色的星球。

“火星上有山,有水,有峡谷,有大气,有微弱的磁场;火星上有土壤,有岩石,有沙尘暴,甚至地下还有丰富的矿产资源;火星的两极,也有冰冻的白色冰原。这一切,与地球是那么的相似。”

不过,上世纪50至60年代,人类一度把太空探测的重点放在金星上,“因为它与地球的大小相似,距离最近。但科学探测后发现,金星其实是一个地狱般的星球:火山爆发,高温、高压,浓密的大气,有毒的降雨”。郑永春介绍说,金星上的环境并不如它的名字一般美好,“迄今为止,登陆金星表面的航天器工作寿命非常之短,甚至活不过几分钟。这是一个不可能有生命的星球,也不可能让人类移居”。

而随着火星探测的开展,人们对这颗红色星球的热情越来越高。越来越多的科学家认为:如果人类大规模移居,火星可能是最适合改造的行星。“一旦在地球上面临难以抵御的重大灾难和危机,人类就可以移居火星,在那里开拓新的家园。” 郑永春将火星称为人类的“希望之星”。

特别是随着航天技术以及相关科技领域近年来取得的巨大突破,以及人类对火星的了解程度越来越高,这一本来似乎不切实际的想法,正在变得越来越可想象和触摸。

飞向火星分几步

要从地球离开、安全抵达火星,并在上面存活下来,需要哪些步骤呢?对此,郑永春认为,有几个关键步骤必不可少:火箭、飞船、登陆方式。

火箭是离开地球表面的第一步,也被看作航天的基石。郑永春介绍说,美国宇航局正在研制新一代太空发射系统(SLS)。该重型运载火箭最终的运载能力将达到143吨,甚至可能达到165吨,与阿波罗登月时的土星五号非常相近,号称史上最强运载火箭。

而今年2月,由马斯克的SpaceX发射的猎鹰重型火箭,也是非常强大的运载火箭——它搭载一辆红色特斯拉跑车进入了环绕太阳的轨道。“猎鹰重型火箭号称现役最大推力火箭,一级火箭可以回收后重复使用,星际运输成本更低。在此基础上,有望打造一条从地球往返火星的廉价航线。”

而马斯克文章中新介绍的BFR重型火箭,运载能力是之前猎鹰重型火箭的5倍。他在文章中介绍说,BFR是一种可完全重复使用的运载火箭,在不经过轨道燃料加注的情况下,预期可以将150吨的有效载荷送入近地轨道。相比之下,猎鹰重型火箭的有效载荷约为30吨,而且只有部分组件可重复使用,二者间也存在巨大的成本差异。

“黑色七分钟”,是历史上许多航天器最终未能成功登陆火星的原因。郑永春解释,穿过火星稀薄的大气层是登陆火星的最后一步,这个过程在地球上难以现场指挥,只能靠航天器的自主操作,失败风险最高。

“迄今为止,全世界只有美国的航天器成功登陆过火星。在技术选择上,凤凰号着陆器登陆时采用了可压缩的着陆支架进行缓冲;机遇号和勇气号火星车采用了降落伞减速,辅以气囊在地表弹跳,减少对火星车的冲击;好奇号火星车则研发了新的太空起重机技术,火星车在地表一定高度悬停,通过缆绳慢慢降落到火星表面。”未来要想实现载人登陆火星,如何平安度过这七分钟可以说是重中之重。“航天员、登陆舱和物资设备重量更大,降落伞难以起到有效的减速作用,除太空起重机,还需要研发更先进的火箭反推和自主控制技术,才能实现有效的平稳减速。”

SpaceX全新的BFR飞船似乎已准备好了解决方案。BFR飞船长约48米,净重约为85吨,可以携带1100吨推进剂,发射时有效载荷为150吨,返回地球时有效载荷50吨。飞船引擎由四台真空“猛禽”引擎和两台海平面引擎组成,6台引擎都有万向支架连接。

“当BFR着陆时,会有两台引擎点火,如果两台中心引擎中的一个点火失败,它将能够成功地依靠另一台引擎着陆。每台引擎中都有很大的冗余度,因为我们希望着陆风险尽可能接近于零。”马斯克写道。

火星基地建设

成功抵达火星之后,要如何生存下来呢?

郑永春着重强调了三点:能源供应、原位资源利用以及辐射防护。以能源供应为例,火星一昼夜是24小时39分钟,因为比地球更远离太阳,仅采用太阳能可能无法满足火星基地需求。核能可能是未来火星基地所需的能源供应方式。

马斯克提出的新目标是在2022年完成第一次火星货运任务。将在明年第二季度开始建造第一艘飞船,并准备在5年内发射。接下来在2024年,发射4艘飞船前往火星,其中包括2艘载人飞船和2艘货运飞船。在火星上第一个任务目标是找到最好的水源地,之后是建造推进剂工厂。届时,SpaceX在火星上将有6艘飞船,拥有足够的物资建立推进剂工厂,包括大型太阳能电池板,然后进行采矿和净化水,获得大气层中的二氧化碳,然后制造和存储深冷甲烷和氧气。

郑永春曾预测,或许在2030年,人类可以登陆火星,这与马斯克的时间表似乎存在某些重合。对于马斯克的最近计划,他评价说:“我相信移民火星会越来越具有可操作性、现实性。技术的发展还是挺快的,最后加上商业力量的帮助。”

十年后,或许我们就可以火星见。正如马斯克畅想:“火星基地最初可能只是一艘飞船,然后是多艘飞船,接着我们开始在火星上建造城市,并不断扩大城市规模。随着时间的推移,在我们的不断改造下,火星将成为一个适合人类生存的地方。”

《中国科学报》 (2018-04-13 第3版 科普)
 
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