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把火星划進人類的版圖,我們還需要這樣幾步!

把火星划進人類的版圖,我們還需要這樣幾步!

這個世紀,人類將啟程前往火星。然而到目前為止,我們距離完成這個偉大的跨越還需要關鍵的幾步:建造更大的宇宙飛船,更強勁的運載火箭,更可靠的環控生保系統,完善、測試全新的著陸減速系統,並完成相關係統的月球軌道測試……這一切,近在眼前,又任重道遠。

可靠的近地軌道運輸系統

完善、成熟的近地軌道運輸系統是人類所有遠足的基石,對於我們至關重要。目前,美國依靠俄羅斯的「聯盟」飛船將航天員送往國際空間站,未來這種情況將有所改變,因為美國的一些私營航天航空公司正在努力研製新的載人和載貨的航天系統,比如Space X開發了可部分重複使用的「獵鷹9號」運載火箭,同時致力於「龍」飛船的載人太空運輸系統的測試;美國波音公司也在與NASA合作研發新型的載人飛船——CST-100。埃隆·馬斯克也表示,太空探索技術公司研製的用於前往火星的運載火箭可能於2018年發射。

CST-100

更大的宇宙飛船

火星任務需要大量往返的燃料及物資,將航天員送往火星,意味著該飛船必須具有更大的有效載荷,以能夠搭載多名航天員以及三年往返的所有用品和潛在的貨物。對此,洛格斯頓表示,「一種方法是建造巨大的宇宙飛船;另一種方法是首先製造多個較小的模塊(其中一些模塊可以載人,另一些可以運載物資),分別發射入軌,然後在太空進行組裝。」

目前,美國洛克希德·馬丁公司正在研發一種可以運載4人的名為「獵戶座」的新型宇宙飛船,它由駕駛艙、登陸艙、返回艙、乘員艙、服務艙以及異常中斷系統等組成,直徑約5米,重量約23噸。「獵戶座」宇宙飛船已經於2014年12月5日成功完成首次無人試飛,計劃將於2018年進行繞月飛行,為之後的載人航天任務做準備。

「獵戶座」的新型宇宙飛船

更強勁的火箭

將更大的宇宙飛船發射進入太空深處需要使用更為強勁的火箭。據NASA專家介紹,他們計劃對自行研製的世界上體積最大、動力最強的火箭系統——太空發射系統(SLS)進行第二輪測試。SLS的主體是超重型運載火箭,其高度和總重量將分別達到117米和2948噸。

太空發射系統將於2018年建造完成,有望開啟人類探索太空的新紀元。屆時,太空發射系統將把載有航天員的「獵戶座」宇宙飛船送入太空,首個目的地為月球,最終目的地是火星。

太空發射系統SLS

全新的火星減速和著陸系統

宇宙飛船到達火星軌道以後,就需要在這個紅色星球上著陸。在過去的航天任務中,摩擦、熱效應和降落傘都可以為飛船減速,但對於重型宇宙飛船來說,降落傘顯然沒有足夠的制動能力使其減速。

Space X最近展示了用於高速宇宙飛船減速的超音速反向推進器,在著陸時啟動發動機進行制動。洛杉磯市一家航空航天公司的工程專家布雷特·德拉克也表示,現在已有一個可行的技術解決方案,能夠讓大型飛船在火星表面著陸。

可靠的環控生保系統

航天員在國際空間站的長期駐留,已經證明了現有系統的可行性,它將為航天員提供安全用水、處理廢物以及過濾空氣等。專家表示,類似的系統也可用於在火星上生活。

然而,火星與國際空間站不同。國際空間站位於近地軌道,距離地球只有幾個小時的航程,如果有什麼意外情況,地面仍然可以前來救援。但是在火星上這是行不通的,因為即使在地球與火星相距最近的情況下,到達火星至少需要6至9個月的時間。如果系統一旦失效,既不能迅速返回地球修理,也無法完全恢復正常工作。火星生命維持系統的一個關鍵進步是提高系統的可靠性,並且可以由航天員維護。

安全的輻射屏蔽措施

參與火星任務的航天員需要保護自己免受兩種形式的輻射:太陽質子事件(或太陽耀斑)和銀河宇宙輻射。第一種輻射可以通過設置專門的遮擋太陽粒子的設備來消除,例如由生命維持系統的給水系統構成的水牆。

銀河宇宙輻射的屏蔽顯然更加棘手。在外太空,宇宙輻射的強度非常高。然而,NASA的「好奇號」火星探測器對宇宙輻射水平的測量數據顯示,火星表面的輻射水平與國際空間站上觀測到的輻射水平相近。不過,約翰·洛格斯頓解釋說,國際空間站所處的近地軌道位於范艾倫輻射帶下方,它阻擋了許多來自太陽的帶電粒子和宇宙射線。

在未來的火星任務中,可以採用快速飛行通過外太空的方法,盡量減少暴露在最高輻射強度下的時間,「在火星的表面比在外太空更安全。」

完成一系列月球軌道測試

根據NASA火星之旅的時間表,在正式開始火星任務之前,許多太空系統將在月球和地球之間的軌道進行測試。在2018年至2030年之間,NASA計劃發射載人航天器,實施航天員在月球附近太空行走任務。其中一些任務可能持續一年,以為登陸火星的壯舉做好充分準備。這一計劃將為登陸火星任務的所有環節提供測試,而且距離地球不會太遠,以防出現錯誤。

在火星「蓋房子」

一旦航天員到達火星,他們也不能立即返航。前往火星可能需要6至9個月的時間,但只有等到火星和地球運行到相對於太陽比較好的位置,才能夠返航。這樣可能需要等待14個月(為了使返航的距離較短,應在地球與火星處在太陽的同一側,而不是在相對的兩側時返航)。

約翰·洛格斯頓表示,從某種意義上來說,執行火星任務的先驅者將類似於16世紀的海上探險家,他們遠渡重洋,離開自己的祖國很長一段時間。鑒於這一點,在火星建造永久性居所是具有重要意義的。

「航天員的確需要在火星表面建立某種棲息地,而不是整天待在航天服中。雖然看起來這有些困難,但美國拍攝的科幻電影《火星救援》中就相對真實地描繪出未來的火星生活設置。」

編譯/李有觀 《航天員》2017年第2期

太空夢想《航天員》

《航天員》雜誌創刊於2005年10月,由載人航天工程辦公室主管、航天員中心主辦、航天基金會支持、北京太空夢想科技發展有限公司運營,是面向航天界及廣大航天愛好者的權威科普期刊。

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