到達火星后的航天員，該怎樣離開火星，返回地球？

現在，我們已經知道了怎樣前往火星，也知道了怎樣在火星上著陸。一個新的難題隨之擺在了我們眼前：怎樣離開火星，返回地球？

火星，像是一株搖曳在太陽系的維納斯捕蠅草，用科學發現來「引誘」著我們投入它的懷抱。而一旦我們登上這片神秘之地，這株巨大的「捕蠅草」將露出獠牙，試圖用重力和惡劣的氣候把我們困於其中。

這絕對不是我們願意麵對的。如果說科幻電影《火星救援》給了現實中的太空探索活動怎樣的教訓，那就是：公眾絕不會支持一個花費數十億美元的資金，最終卻把航天員困在另一個世界的計劃。

利用火星大氣製造燃料

離開火星，可以說是NASA探測火星的所有計劃中最重要的一部分。

為了離開火星，NASA需要製造火星上升飛行器（Mars Ascent Vehicle，MAV），但這面臨著巨大的工程挑戰。如果MAV滿載燃料，會因為太重而難以從地球上發射，並且無法安全降落到火星上。因此，在航天員到達火星的幾年前，就需要預先製造出MAV並將其發射到火星，這樣它就可能在那兒利用稀薄的火星大氣製造出足夠的燃料。

另外，MAV必須要建造得非常堅固，以保證在火星大規模沙塵暴和強烈的紫外線輻射下正常運行。當MAV最終從火星上起飛時，它還需要維持航天員數天的生存，保證他們能夠按照計劃與軌道飛船會合。

簡言之，如今面臨的艱巨任務是：如何使MAV安全地登陸火星，並且在那裡自行製造燃料，以便運送航天員返回地球。

載人火星任務將成為人類歷史上的第一次行星際深空遠航。它可能需要5艘不同的宇宙飛船，才能將航天員和所需物資成功運送到火星。在實施登陸火星的任務時，可以把其中的一些物資分解，等到航天員們到達火星時再把它們重新組裝起來。

MAV顯然不能這麼做。「在塵土飛揚的火星環境中，當你穿著航天服，戴著專用手套的時候，你是不會想去安裝發動機的。」NASA約翰遜航天中心的系統工程師米歇爾·洛克說。按照NASA的說法，估計重18噸的MAV將成為這次任務中「最大的不可分解的有效載荷」。而迄今為止，我們發射到火星表面最大的物體是1噸重的「好奇」號火星探測器。

在火星上著陸不像在地球上著陸這麼容易。

太空艙從太空降落到地球上時，可以依靠大氣層的阻力來降低下降的速度。而火星的空氣密度只有地球的百分之一，「這些空氣只會使人感到難受，卻不足以做任何對人有用的事情。」洛克說。換句話說，火星的大氣層會使太空艙著火燃燒，但不會有效降低太空艙的下降速度。這就是為什麼NASA正在開發新技術的原因。例如高超音速充氣式空氣動力減速器——一個巨大的圓錐形充氣式防熱罩，將來可以作為未來著陸火星的制動系統。這個防熱罩會在著陸器進入火星大氣層時展開，使著陸器的速度從超高音速下降到超音速。在這種速度下，再利用火箭發動機實施可控著陸。

航天專家進行了這樣的計算：MAV在著陸火星的過程中會用掉大約5至7噸的燃料，而它從火星表面起飛時，將還需要33噸燃料以擺脫這個紅色星球的引力，安全地把航天員和科學研究物資運送到預定軌道，在那裡與運送航天員返回地球的宇宙飛船交會對接。由於需要提前運送的東西太多，推進燃料必須在火星上製造。

在火星生存

如果去火星探險的計劃成功實現的話，航天員需要在火星上生活一段時間。利用在火星上製造燃料的方法，NASA可以減少幾噸的初始發射重量，而且第一次任務結束后，這些設備還可以留在火星上，作為初期的基礎設施。這樣一來，這些設備不僅可以繼續製造燃料，還可以為未來的探險者製造水和空氣。MAV的發動機將以甲烷和液態氧作為燃料來推動。製造這些燃料需要的所有成分——碳、氫和氧氣——都可以在火星上找到，如果知道去哪裡尋找的話。

從理論上來說，氧氣可以從含有95%的二氧化碳的火星大氣層以及埋藏在火星地下的液態水和結冰的水中提取出來，由此產生的碳和氫還可以用來合成液態的甲烷。

然而鑽孔取水，將會給這個已經困難重重的任務又增加一個不受歡迎的不確定因素——這將比簡單地從火星大氣層中提取材料要複雜得多。「利用地下水生產燃料的另一個問題是，需要確保著陸的地方肯定存在水」，洛克說， 「如果決定挖掘，但是最後發現著陸的地方是在基岩上面的話，那麼一切努力都白費了。」如果氫氣無法從火星的水中提取，那麼可以發送一個裝載氫的容器到火星上，用於製作甲烷。但是，對於初始發射任務來說，這種想法也是不可行的。雖然氫氣並不重，但它需要大型的容器來儲存，這將佔用許多寶貴的空間。

NASA的工程師可以通過把MAV製作得更高而不是更寬，來容納裝載氫氣的容器。但是，增加宇宙飛船的高度，是他們儘力避免的一個方案。因為他們擔心，如果飛船太高的話，那麼它在著陸以後翻倒的風險就會更大。洛克說，而且一個過高的飛行器將會對航天員們產生身體上的困難和負擔。航天員們在執行任務的過程中，最不願意做的事情就是爬很高的梯子。所以，優先考慮的是使用方便。因此，目前的計劃設想是發送一個MAV，它滿載液態甲烷，並且配備有一個化學工廠，這個化學工廠可以利用火星大氣來生產液態氧。

製造燃料的過程預計需要一到兩年的時間。當MAV的燃料足夠時，航天員們將被運送到火星。他們會充滿安全感，因為他們知道，火星上有一個裝滿燃料的可以把他們送回地球的飛行器在等待著他們。

但是NASA的工程師還不能準備掛任何關於「任務完成」的橫幅。「其中的一個挑戰是，我們使用的是低溫推進劑」，洛克說，「一旦將推進劑被送往火星，那麼在實際使用這些推進劑之前，必須設法在幾年中使燃料保持冷凍狀態，確保它不會被蒸發掉。」「我們已經有了推進劑，但現在我們還沒有任何具有零泄漏功能的閥門」，NASA馬歇爾太空飛行中心的航空工程師塔拉·波爾斯格羅夫說，「必須考慮這個問題，這就是為什麼我們需要優先開發低泄漏閥門這個領域的技術。」

工程師們擔心時間會成為一個不可忽視的問題：MAV需要一至兩年來生產燃料；然後航天員們要花費200到350天的時間從地球飛到火星；再加上他們在火星上進行探索研究工作——這可能會持續500天的時間。

把這些時間全部加起來，意味著MAV首次在火星上著陸后必須要保證在至少4年之後仍然可以正常運行。「MAV處於火星惡劣的環境中」，洛克說，「它位於灰塵之中，並且遭受到強烈的紫外線輻射。設想一下，我們的傢具放在露天環境這麼長時間會變成什麼樣子？更何況火星的環境與地球相比要差得多。」

工程師們在設計MAV的時候，需要考慮的另外一個重要的問題是：「航天員們應該穿怎樣的航天服呢？」

洛克說：「在空間站的有關照片中，可以看到航天員們穿著短褲和T恤衫走來走去。當航天員身處平穩飛行的大型飛船時，可以不用穿著厚重的航天服，也可以離開座位活動。但是在快速上升的飛行器中，不能隨意走動，因此最好還是穿上一件航天服。」

但是，在MAV中應該穿怎樣的航天服呢？航天員們在探索火星表面時穿的那種艙外活動航天服非常笨重而且體積比較大。如果航天員們在MAV里穿著這樣的航天服，工程師們必須要增加飛行器機艙的體積。另外，穿著艙外航天服還會產生一個問題：火星上的灰塵會粘附在航天服上。在沒有適當的行星保護協議的情況下，此類物質是不允許航天員帶回地球的。

洛克認為最好的解決方案是把笨重的航天服留在火星上，在未來的任務中可以把它們中的一部分進行回收。而航天員們在離開火星的時候可以穿上艙內活動服裝——即太空梭機組人員在航天器發射和返回時所穿的那種蓬鬆的橙色服裝。

艙內活動服裝更加輕盈而且更加靈活。因為嚴格限制它們暴露於火星「戶外」環境之中，所以它們可以保持無塵狀態。航天員們離開他們的棲息場所，通過一個對介面進入探測器。在探測器里，他們可以換上乾淨利落的艙內活動服裝，然後通過一個專門設計的密封通道進入MAV。

最後，是離開火星，返回地球的時候了。

MAV的內部將會被簡化到最小。它更像一輛單向的太空計程車，而不是一個棲息場所。事實上，工程師在設計MAV的時候甚至都沒有考慮到座位，在這種情況下，航天員們只能在整個過程中一直站著。

飛行器的上升階段將持續7分鐘。但旅程並沒有到此結束。航天員們需要燃燒更多的燃料來操控飛行器進入預定軌道，以便與返回地球的宇宙飛船交會對接。假設返回地球的宇宙飛船停留在一個特殊的軌道——從距離火星表面155英里到21000英里的橢圓形軌道上，這意味著航天員們可能要在上升的MAV里待43小時之久。洛克說，這仍然是探索火星任務的規劃者們沒有解決的問題。

一旦對接成功，航天員和物資都會成功地轉移到返地球宇宙飛船上，最終返回地球。而MAV在分離之後還要完成最後一項使命：將自己送入一個預定的軌道，以便不影響後續的火星探測任務。

本文轉載自《航天員》雜誌2016年第五期，原文編譯自美國《國家地理》雜誌

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