火星计划:人类漫长的火星移民计划

时间:2023-06-09 19:53:42编辑:奇闻君

按照设想,人类或许能在本世纪30年代登陆火星。

自从发现火星以后,人类就一直梦想登陆火星。在不久的未来,一个太空项目将开始使这一梦想具有实现的可能性。

美国宇航局的科学家表示,他们非常认真地提出了一个载人航天项目,而私营太空公司也争先恐后地提出关于去火星的更加大胆的计划。同样重要的是,随着美国的“好奇号”火星探测器成功降落在火星表面和拍下丰富的火星表面照片,公众对火星这颗红色星球的热情日益高涨。

不久前,一批科学家、美国宇航局的官员、私营太空公司和其他航天机构的代表聚集在美国首都华盛顿,在人类登陆火星的专题会议上全面讨论了有关问题。会议提出,将在本世纪30年代派遣宇航员登陆火星。

但是登陆火星可谓困难重重,并且还有一个大问题:目前缺少能够将人类送上火星后再将其带回地球的技术。如此规模的星际项目,将成为本世纪最昂贵和最困难的工程挑战。

“火星确实距离遥远,”美国宇航局负责国际空间站的官员萨姆·希梅米在会上说,“它比地球到空间站的距离远出6个数量级。我们需要开发新的方式来离开地球去生存,这种方式是前所未有的。”

在人类的能力范围内还存在一些相当严重的问题,包括无法为飞往火星的长距离旅行存储足够多的燃料,还没有能够降落到火星表面的载人飞行器,并且无法完全保证人类一旦到了火星能够活下来,等等。在这次会议上很大一部分的参与者提出了载人火星项目的各种障碍。

乐观的是,载人火星项目从技术上来说并非是不可能的,关键在于需要投入时间和金钱用来研发必要的工具。目前美国宇航局、其他航天机构和私营公司正在为实现这个计划而努力。

下面是美国《连线》杂志记者概括的人类登陆火星面临的多种问题以及一些解决的方法。

运载火箭

要登陆火星,首先需要巨大的运载火箭。
火星计划

虽然人类已经在50多年前就成功地进入太空,但载人火星任务的规模比以前的任何航天项目都要大。目前还没有火箭能够将携带宇航员和到达火星必需的所有供给与燃料的巨型航天器从地球发射,摆脱地球引力到达太空。最有可能的是,火箭通过几次飞行将航天器的部分供给和零部件送入近地轨道,宇航员再不断和缓慢地利用这些零部件与供给修建航天器,最后飞往火星。

这仍然是非常繁重的工作。目前在太空中运转的最大设备是国际空间站,质量达4500吨,需要31艘飞船飞行来完成。据美国宇航局表示,一个能够将人类送往火星的飞行器应该比空间站小,质量约1250吨。美国宇航局航天工程师布雷特·德雷克称,使用现有的火箭,估计需要70至80次的飞行来组装火星飞船。考虑到国际空间站花了10多年时间才完成,组装火星飞船将需要非常长的时间。

但是在未来,这项任务应该容易得多。美国宇航局希望到2017年拥有新型的太空发射系统——SLS火箭,它将是有史以来最大的飞行火箭,甚至比把宇航员送上月球的土星五号火箭还要大。美国私营太空公司——SpaceX公司也正致力于研发新型猎鹰重型运载火箭,它将具有比美国宇航局SLS火箭略小一点的载货能力。猎鹰重型运载火箭的第一次实验将在今年下半年开始。

美国宇航局估计至少需要发射7枚新型SLS火箭来将供给和登陆火星必需的飞船等送入地球轨道。

燃料的储存

为了在太空中生存,人类需要许多东西:食物、氧气、住所,还有可能是最重要的燃料。用于载人火星任务发射去太空的初始物资中大约80%将是推进剂。问题是,在空间中储存如此大量的燃料是困难的。

处于近地轨道(宇航员搭建火星飞船时放置材料的地方)的物体每90分钟环绕地球一圈。在一半的时间中,这些物体经受太阳强烈的烘烤,而另一半时间则是空间中寒冷的黑暗。这种变化导致液态的氢和氧——火箭的燃料蒸发。除非容器定期通风,否则存有这些燃料的容器容易爆炸。

氢特别容易从容器中泄漏,每个月大约要损失4%。这意味着如果火星项目需要在近地轨道停留一年的话,将在飞往火星前损失近一半的推进剂。将1公斤的氢送入太空的成本需要1万美元,那么这种泄漏将是昂贵的浪费。

美国宇航局长期致力于开发在空间储存推进剂的新技术。目前美国宇航局正在试验空间大型低温装载和转换推进剂技术。这种技术对于载人火星任务具有重要的价值,它将在太空中设立一个长久的气体仓库随时为火箭补给燃料。

推进技术

要想将人类尽快送往火星,以减少暴露在射线的危害及失重状态之中,采用先进的推进技术非常重要。

一种相对低功率的引擎可以推送一艘载有宇航员供给物质的大型飞船到达火星,这些物质供宇航员在火星上活动使用。在星际计划中,美国宇航局想要在宇航员到达之前推送飞船先到达火星表面,等待宇航员的到来。

美国宇航局正在研究太阳能电动推进技术,这种技术是在飞船的后部发射电离气体来使飞船前进。在之前的航天项目中,例如美国宇航局的“黎明”号飞船和日本的“隼鸟”号飞船都已使用了这项技术。火星项目需要比这些已有项目更大的太阳能电动推进器。美国宇航局目前有一个搜集小行星并将其拖拽回地球的计划,它将促进太阳能电动推进技术的研究。

在火星上着陆

目前还没有能力使人类平安和简单地降落到火星,这是一个最近公认的问题。

随着工程师开始建造越来越大的降落火星表面的航天器,他们意识到已经达到了一个极限。稀薄的火星大气层不能很快地撑开大型降落伞,例如人类乘坐的飞船在降落时用于大幅减速的降落伞。

在2012年到达火星的“好奇号”探测器重量为1吨,这是目前为止的技术能够发送到火星表面的最大物体。美国宇航局表示,载人火星项目至少需要发送40吨重的物体。即使“火星一号”计划中提出的单程载人火星项目也需要携带近10吨的物资。

美国宇航局的专家们正致力于研究高超音速充气系统,这是一些巨大的类似球状的物体,将展开并变硬成为一个超刚性降落伞,用于帮助飞行器减速。但人类在火星上着陆的关键技术是超音速重推进技术。
美国宇航局曾在20世纪60年代和70年代就超音速重推进技术进行过风洞实验,不久前也进行过一次。好消息是,实验表明超音速火箭在理论上是可行的,坏消息是美国宇航局不再研究这个项目了。

当美国宇航局可能将重新研究这一项目时,一些私营航天公司也许会超越他们。例如SpaceX公司目前正在研究可重用的火箭,它可以从近地轨道返回到发射台。该公司在今年后期也将研究超音速重推进技术。

宇航员健康问题

美国宇航局负责健康和医疗事务的专家萨拉琳·马克说:“对于具有最复杂系统的人类身体来说,太空是个危险的地方。”

具有讽刺意味的是,为地球上大部分生命提供能量的太阳,在太空旅行中对于生物体却是致命的。

一旦宇航员处于保护人类的地球磁场之外,太阳射线将增加他们患癌症的可能性。来自美国宇航局“好奇号”火星探测器近期得到的数据,已经量化了射线的等级和危险的程度。类似太阳耀斑和高能粒子的大爆发可能将潜在的致命剂量的射线作用于宇宙飞船。这就是为什么2018年的美国私营载人火星项目——“灵感火星”计划选择在太阳的弱活动年进行,届时太阳粒子爆发的可能性最低。不过,较低的太阳粒子活动增加了来自星系间的射线,这些射线也是有害的。

飞往火星的旅行可能需要7到9个月的时间,在整个过程中都要保护人类。目前,最可行的解决方案是用水围绕宇宙飞船,水能够吸收射线,并提供在太阳风暴下的一定遮挡。但是水的质量比较大,在航天项目中增加任何重量都将提高成本。在未来,将开发出能够保护宇航员的小型磁场技术,但这可能是许多年甚至几十年以后才能完成的。

除了射线以外,载人火星之旅面临的最大挑战将是微重力(又称为零重力),它会导致不少奇怪的病症,以及带来一系列的心理问题。

据目前所知,人如果长期处于零重力状态下,会导致骨骼和钙质退化,肌肉萎缩,并且还可能产生视神经肿胀。如果不予以检查和治疗,到达火星的宇航员可能身体虚弱、骨质脆化甚至失明。

先进的医疗技术和有规律的锻炼有助于解决太空旅行的一些身体问题。美国宇航局目前正在计划让宇航员在国际空间站停留一年,以便更好地研究这些因素。

然而在飞往火星的过程中将要面临的心理问题在很大程度上是未知的。国际空间站与地球之间的距离比较近,宇航员可以向下凝视地球。但是火星项目中的宇航员没有办法中止他们的任务,需要忍受很长时间才能与家人沟通。

目前已有隔离实验,专门用于研究火星宇航员将面临的问题。在20世纪90年代,美国科学家进行的“生物圈二号”实验一次性让7?8个人在大型模拟环境中停留了两年时间。参与“生物圈二号”实验的专家泰

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