載人火星計劃演化《火星救援》:登陸火星為何難
2015-12-01 20:23:12 科普中國
科幻是基于科學現實的未來展望。10月2日，好萊塢年度科幻大片《火星救援》在北美上映，逼真地展現了20年后人類登陸火星的場景。作為太陽系八大行星之一，人類為何對火星情有獨鐘？
縱觀太陽系演化歷史，我們發現人類的命運其實十分脆弱，面臨地震和海嘯、火山爆發、小天體撞擊、地球磁極倒轉、超級太陽風暴等重大災難，這些災難甚至可能導致地球生命大滅絕。因此，人類必須有足夠的危機感和緊迫感，在滅頂之災來臨前，找到可以延續人類火種的避難所。
由于航天運輸能力的限制，人類還無法飛出太陽系。而在太陽系內，只有火星的自然環境與地球最相似，是人類移居外星球的首選目標。人類迄今已開展42次火星探測，1996年以來就已發射11顆探測器，取得大量探測資料。火星已成為除地球外人類認識程度最高的行星，甚至超過人類已經登陸過的月球。
實現人類首次登月讓美國在空間爭霸中擊敗對手，自最后一次阿波羅登月至今已過去43年。載人航天被長期限制在地球軌道，這種狀態已經到了必須改變的時刻。未來，NASA將逐步退出低軌道航天飛行和商業發射，把這些任務承包給民營企業，激活民間熱情并顯著降低發射成本。政府將集中力量發展月球以及更遠的深空探測，載人登陸火星就是其中的首要目標。如今的載人航天已經到了突破地球引力束縛，為實現載人登陸火星而努力的關鍵階段。
載人登陸火星不僅需要豐富的知識積累、堅實的技術儲備、專業全面的人才隊伍，還需要合適的政治氣候和民意支持。美國人對火星懷有濃厚興趣，NASA的火星任務一直得到民眾支持。美國火星任務的成功率達70%，21次任務中17次獲得成功。特別是本世紀的火星任務全部成功。作為一個鼓勵冒險、創新和探索精神的移民國家，實現人類首次登陸火星的目標在美國無疑具有強大的號召力。
不管是載人重返月球還是載人登小行星，瞄準的都是實現載人登火星，只是實現途徑不同而已。基于對科學發展戰略的認識，我們不妨作一個大膽的預測，人類將在未來20年內(2035年前)首次踏上火星表面，航天員乘組可能是美國人或美國牽頭的國際合作小組。而后人類將朝著建立火星前哨站、改造火星環境、火星移民的長遠目標逐步邁進。
2013年，荷蘭一家私人公司曾推出火星移民計劃，將挑選兩男兩女于2023年登陸火星并定居，多位華裔入選100人候選名單。但用單程票前往火星的冒險行為只是一種商業炒作，真正的載人登陸火星必須是往返雙程，使航天員到火星后還有機會返回。
相較之下，《火星救援》是一部具有超強現實感的硬科幻大片，具有堅實的科學基礎，其中幻想的成分很少，真實模擬了NASA將要實施的載人火星旅行。
《火星救援》整個故事發生的時間，以及探索火星采用的技術手段，很多是根據NASA的載人登陸火星計劃演化而來的。影片中用到了大量NASA正在研發或已真實應用于太空探索的高技術裝備。在觀看電影的過程中，你將看到大量的火星科學常識和尖端的航天技術，你會被這些觸手可及的未來深深打動，因此，觀看科幻大片的過程也是一次科學傳播的盛宴。
隨著科技的發展，太空科幻作品與現實航天科技的界線越來越模糊，昨天曾經暢想的太空科幻，已在今日成為現實。與超炫超玄的《星際穿越》相比，《火星救援》里沒有令人大腦缺氧的天體物理公式，只有一個被遺棄的太空農夫，在荒蕪寂靜的火星上種他的土豆。
戰神5號火箭藝術圖(?NASA)《火星救援》影片中出現過三種火箭，分別是NASA的戰神3號和戰神4號火箭，以及中國的太陽神重型火箭。航天員飛往火星搭載的是戰神3號火箭，而馬克為了返回地球，需要在火星上長途跋涉3200公里，找到的是戰神4號火箭的返回艙。戰神4號之前已經著陸到火星上，馬克要在適當的節點把自己發射升空，與在太空中等候他的戰神3號隊員匯合，然后返回地球。
在現實中，戰神系列火箭是NASA正在研制的新一代運載火箭，包括載人火箭和貨運火箭兩種類型，主要用于載人重返月球和載人登陸火星的航天飛行，這也是以載人重返月球和建立月球基地為目標的星座計劃主要任務之一。2009年，星座計劃被取消，但戰神系列火箭和載人飛船的研制任務得以保留。
其中，戰神1號運載火箭是星座計劃中負責運送航天員乘組的載人火箭。火箭直徑5.5 米、高94 米，分兩級點火，其中第一級為固體燃料發動機，第二級為液氫液氧燃料發動機。近地軌道運載能力為有效載荷25噸。作為載人火箭，戰神1號具有高安全性、高可靠性，以及相對較低的發射成本，主要用于將獵戶座號載人飛船發射到太空，與貨運飛船對接后飛往月球或火星。
2009年10月28日23時30分，為實施重返月球計劃而研發的“戰神I-X”火箭美國佛羅里達州在肯尼迪航天中心39B發射臺進行首次測試飛行，目的是收集飛行數據。火箭起飛重量816噸，最大推力1360噸，總飛行時間369秒，試驗獲得了成功。
戰神5號火箭是星座計劃中的貨運火箭。直徑8.40米、高度116米，同樣分兩級點火，均為液氫液氧燃料發動機。在重返月球計劃中，戰神5號火箭運載牽牛星號登月艙和地球出發級，與戰神1號火箭運載的獵戶座載人飛船在地球軌道對接后，組合在一起飛向月球。戰神5號預計2018年首次發射。
在國內，隨著中國經濟實力逐漸增強，未來也將開展載人深空探測活動，研制新型載人火箭和重型運載火箭將是必然趨勢。影片顯示中國將在2030年試飛太陽神號重型運載火箭。不過，中國不太可能用太陽神來命名火箭，我們正在研制的火箭都屬于長征系列。
在《火星救援》中，航天員乘組搭載赫密斯號載人飛船飛往火星。這一飛船的設計參考了正在研發中的獵戶座號載人飛船。NASA研發獵戶座號正是瞄準未來載人登陸月球和火星的目標。
獵戶座號是已經中止的星座計劃的重要組成部分，是一種用于替代航天飛機、可重復性使用的多用途乘員探索飛行器(Crew Exploration Vehicle，CEV)。每次可向國際空間站運送6名航天員，也可將4名航天員運送到月球上，經改裝甚至還可載人登陸火星。NASA探測系統任務委員會2006年8月31日宣布，委托洛克希德·馬丁公司設計建造“獵戶座號”，合同總價值80億美元。首次飛行計劃不晚于2014年，首次飛往月球的時間不晚于2020年。2014年12月5日，獵戶座飛船首次不載人試飛成功，飛船繞地球飛行兩圈后回到地面。
登月飛船(六位航天員)和登火飛船(四位航天員)的區別航天員人數和航天飛行時間是載人飛船設計的重要參數，直接影響載人深空探測任務的技術性能和總體規模。月球與地球的距離較近，登月飛船乘員人數一般按照六人設計；而火星與地球的距離太遠，鑒于火箭運載能力有限，載人登陸火星的飛船物資消耗太大，一般乘員人數限制為四人。
火星車或著陸器，要穿過火星大氣層才能“踏”上火星表面，這期間需要經歷驚心動魄、生死攸關的一幕。探測器從131千米的高空進入火星大氣，時速高達21000公里(每秒5.9公里)，要在短短七分鐘的時間內，讓探測器的速度降至零，從而實現安全著陸。這也是所有火星探測任務中技術難度最大、失敗概率最高的關鍵時刻。這一階段被稱為“進入、下降和著陸”(EDL)階段，是名副其實的“黑色七分鐘”。
回顧世界各國的火星探測歷史，我們發現，安全著陸在火星表面主要通過3種方式來實現：
第一種方式是氣囊緩沖。這種方式適用于輕質量著陸器的登陸，當著陸器在火星表面著陸前，包裹著陸器的氣囊充氣展開，通過氣囊在火星上的彈跳逐步降低高度，實現成功著陸。1996年12月4日發射的探路者號火星車就是采用氣囊緩沖方式，成功著陸至火星表面，初步驗證了進入火星大氣、減速和著陸緩沖全過程的可行性；2003年6月和7月分別發射的勇氣號與機遇號這對“孿生”火星車，使氣囊緩沖著陸的方式得到了充分驗證，成功實現了對火星表面較大范圍的巡視。
勇氣號和機遇號火星車采用氣囊緩沖方式，成功著陸在火星表面第二種方式是著陸支架緩沖。2007年8月4日發射的鳳凰號著陸器比機遇號和勇氣號火星車的質量更重，如果依靠降落傘和安全氣囊著陸，則需使用更大面積的降落傘和體積更大的氣囊，但這會擠占所搭載的科學儀器的重量。因此，鳳凰號采用了火箭反推和著陸支架緩沖的方式，實現在火星北極地區的安全著陸。
第三種方式是空中吊車著陸。這種方式適用于大質量著陸器的登陸，2011年美國發射的好奇號火星車首次采用這種技術并獲得成功。好奇號以每小時2萬公里高速進入火星大氣層，火星車被裝載在盾形的熱保護罩中，保護罩可以經受高溫燒蝕和隔熱防護，確保火星車穿越火星大氣層時不會被燒毀。當探測器距離火星表面11千米高度時，先打開巨大的降落傘降低飛行速度，24秒之后，熱保護罩脫離。當探測器下降到1.4千米高度時，背殼分離，探測器上的八臺制動火箭點火，通過火箭反推將下降速度從每秒80米減速至每秒0.75米。當探測器距離火星表面20米高度時，著陸器在空中“懸停”，空中吊車釋放出尼龍繩，將“好奇”號火星車從著陸器上吊運到火星表面，實現著陸。
好奇號火星車是一個功能齊全的移動科學實驗室，相當于地球上配備多種分析手段的巖礦分析實驗室。好奇號重3.6噸，耗資26億美元，全部采用核能發電，是世界首個沒有太陽能電池板的深空探測器。
空中吊車釋放出尼龍繩，將好奇號火星車吊運到火星表面對于20年后的載人登陸火星來說，需要運送到火星表面的登陸艙質量更重，不僅需要強大的熱保護罩，還需要非常大面積的降落傘，并且把反推火箭動力減速和空中吊車等手段統統用上，實現多種著陸手段的“混搭”，才能確保航天員安全登陸火星表面。目前，作為星座計劃核心的戰神號貨運火箭、載人火箭、獵戶座載人飛船均已成功試飛，具備了載人登陸月球、小行星和火星的大部分功能。
登陸火星需要熱保護罩、大降落傘、反推火箭、空中吊車等多種技術手段混搭，才能確保航天員安全登陸火星表面2、火星航天服
航天服是保障航天員生命安全和工作能力的個人密閉裝備，用于保護航天員在真空或稀薄大氣、劇烈溫差、強烈太陽風和宇宙射線、微隕石撞擊等地外天體表面環境中安全生存。人體血液中含有氮氣，在真空中的體積會膨脹。如果不穿加壓的密封航天服，航天員因體內外壓差懸殊危及生命。登陸月球和火星表面的艙外用航天服還具有氧氣供應、溫度調控等設施，保障航天員出艙活動和實現天體表面考察。
火星宇航服是電影《火星救援》的重要道具，劇組在調研中發現NASA正在研制的火星宇航服非常巨大，而且十分笨重。演員們穿上這樣的宇航服將很難拍攝。恰好導演斯科特在影片《普羅米修斯》中也用過宇航服，就把相應的宇航服設計沿用到《火星救援》。
最終，電影呈現的火星宇航服參考了NASA設計的原版宇航服，并增加了更多實用功能，顯得更加具有觀賞性。劇組共制作15套宇航服，分別供6位航天員穿著。
火星表面環境十分嚴酷，非常寒冷且空氣稀薄。航天員在火星上進行科學考察和建站任務時，必須穿戴著十分厚重的宇航服。真實的宇航服相當于一套完整的生命保障系統，功能強大，是航天員的救命必備物。NASA目前正在研制火星宇航服，利用火星探測器獲得的火星環境參數，設計出適應火星環境和適合載人火星任務的宇航服。
真實的宇航服上不會有任何飾品，一切都將服務于保障航天員生命安全的目的。宇航服包括關節、手套、頭盔、氧氣系統、水循環系統、散熱系統、通信系統、電子系統等。為避免火星彌漫的塵土影響航天員和登陸艙的運作，NASA正在設計可以讓航天員從背部脫離的宇航服，航天員進入登陸艙后，宇航服將被留在艙外，避免將塵土帶入艙內，危害航天員健康。
電影《火星救援》中，被遺棄在火星上的馬克為了與地面取得聯系，找到之前任務遺棄的探路者號火星車，重新與地面取得聯系，成功把他仍然存活的信息傳回地球。影片中的火星車相當強大，不僅能翻山越嶺，還能裝載各種大型器具，應對各種突發狀況，甚至還可以外接帳篷，以擴大內部空間。
現實中的火星車功能沒有電影中這么強大，但歷史上還真的有過這么一輛火星車。1997年7月4日，火星探路者號(Mars Pathfinder)進入火星大氣層，由降落傘進行減速后飄向火星表面，在著陸前數秒鐘打開9個巨大的保護氣囊，經過一番彈跳翻滾后停了下來。氣囊放氣后，釋放出一個火星表面著陸器和一輛索杰納號火星車，這也是人類歷史上登陸火星的第一輛火星車。
真實的探路者號火星車重10公斤，有6個輪子，其行進路線是事先設定好的。最快的行駛速度也僅為每分鐘60厘米，比蝸牛爬行快不了多少。探路者號在著陸點西南部發現了火星山谷中曾經有過多次洪水暴發，有許多圓形和橢圓形的鵝卵石，說明經過水流的長期沖擊。
火星上沒有加油站，載人飛船和火星車都需要太陽能電池作為能源。影片中的赫密斯號飛船就是用太陽能電池發電提供能源，馬克也多次用太陽能電池為火星車充電，進行長途驅車旅行。
現實中，我們頭頂的國際空間站擁有一套強大的太陽能發電系統。電力越充分，越可以開展多種操作和實驗，并降低某套系統故障帶來的危險。NASA研制中的獵戶座號載人飛船，也將采用太陽能電池發電的方式提供能源。
萬一遇到火星上天氣不好怎么辦呢？為了能在火星上生存，需要絕對可靠又耐用的電力來源，同位素溫差電池是一個現實的選擇。
同位素溫差電池實際上是一個小型的核反應堆。放射性同位素在衰變過程會產生大量熱能，同位素溫差電池就是這些熱能轉換成電能的發電系統。影片中，為了避免放射性輻射外泄，馬克將這玩意安裝在遠離居住艙的位置。
現實中，NASA 使用同位素溫差電池已經超過40年，在 20多次太空探索任務中使用過，包括好奇號火星車、新視野號冥王星探測器、以及未來的火星2020任務等。“新視野”號同位素溫差電池內裝10.9千克二氧化钚，利用其中的钚-238衰變時釋放熱量，通過溫差發電為航天器提供穩定電力供應。
為了避免放射性物質泄漏污染太空，真實的同位素溫差電池都用多層十分堅固的材料密封包裝，即便發生飛船爆炸等災難性事故，也不會產生一絲裂痕。由于同位素溫差電池放釋放的是α射線，無法穿透衣物或皮膚，所以這些放射性也不會對人體產生危害。
四、往返火星500天
影片中，馬克準備出發返回地球時，因電鉆操作失誤，探路者號火星車被電流燒壞，他與地面失去聯系。為與地面建立聯系，馬克必須繼續駕駛火星車抵達此前先期登陸的戰神4號返回艙。 旅途中，一場沙塵暴即將在火星上生成，將嚴重影響火星車上太陽能電池的發電效率，拖延火星車的行程。馬克能及時抵達戰神4號的返回艙嗎？地面控制中心的專家們進行了緊張的磋商。
電影中的這個情節，一方面說明，在載人登陸火星的任務中，應隨時隨地保持與地面控制中心之間的通信，獲得地面支援。另一方面也說明，若在火星上尋找到一個適宜的著陸點，不管是無人的火星探索任務，還是載人登陸火星，歷次任務的著陸點應盡量靠近，使每一次任務送抵火星的設備資源得到充分利用、彼此支援。
影片中，已經撤離的戰神3號航天員乘組，在得知馬克仍然活著的消息后，隊員們都自愿接受任務，延長500天的飛行時間，不返回地球，直接繞地球彈射回火星，接回隊友。 這里涉及到的一個科學場景是，為什么往返火星需要500天？
由于地球和火星都是運動的天體，所以從地球出發的火星探測器并非任何時候都可以發射，而是每隔2年零2個月(780天)才有一次發射機會，這樣的發射機會稱為發射窗口。也就是說，火星探測器的發射窗口每隔26個月才會打開一次。這是因為每隔780天，太陽、地球、火星就會排列成一條直線，稱為火星沖，此時是發射火星探測器的好機會。
為研究航天員在奔赴火星的旅途中，長期密閉環境對乘組健康狀態及工作能力的影響，特別是超長時間飛行、完全自主控制、資源有限、無法實施身體及心理治療、火星表面出艙活動等條件下的人體生理和心理狀態。俄羅斯聯合多國科學家于2010年6月3日展開為期520天的登陸火星模擬實驗，在人類歷史上首次模擬登陸火星航天飛行往返任務的全過程。
封閉試驗分為三個部分：前250天為飛船發射和試驗飛往火星的旅途、中間30天試驗登陸火星、最后240天試驗從火星返回地球。在試驗階段，全部志愿者的生活和工作僅限于實體模型航天器，所需資源要求一次裝備到位。志愿者不能和外部直接交流，若透過互聯網交流會有20分鐘延遲。飛船完全自主控制，醫學救助通過遙控操作技術實現。包括中國航天員王躍在內的6名志愿者經歷了從火箭發射、行星際旅行、火星登陸到返回地球的全過程。
