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                    《科學畫報》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    由中國科學社于1933年8月創刊,距今已有80年的歷史?!犊茖W畫報》在80年的辦刊歷程中,形成了通俗生動、圖文并茂地介紹最新科技知識,形式多樣地普及科學技術的特點,對提高廣大群眾的科學水平,啟發青年愛好科學、投身科學事業起了很大的作用,當今的不少著名學者、教授、科學家,青少年時代都曾受到它的熏陶和啟發。

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                    如何安全地到火星上溜一圈,然后再安全地回來?

                    2020-10-22 11:18:00

                      火星上,鐵銹色的塵土四處飛揚,彌散在深深的隕石坑和空曠的平原上,偶爾盤旋在來自地球的人造物上——也許是著陸器的太陽能電池板,也許是漫游車的輪子。

                      人類送往火星的航天器已經告訴我們不少關于這顆紅色星球的信息。比如,它擁有太陽系中最高的山峰,還可能擁有地下湖。很久以前,它不像現在是一片冰凍沙漠,而是溫暖、濕潤之所。然而迄今為止,人類還未曾親自登陸火星。

                      畢竟,在火星上著陸并非易事。自1971年以來,人類已經18次派出前往火星的著陸器,其中11次以失敗告終:著陸器要么直接墜毀,要么著陸后發生致命故障,要么與地球徹底失聯??梢?,直接派送人類登陸火星將面臨極大的風險,因此我們還需要更多的嘗試。

                      然而,人類登陸火星并非遙不可及。美國國家航空航天局(NASA)希望用十年多的時間實現這一目標。美國太空探索技術公司(SpaceX)的創始人埃隆·馬斯克表示將在火星上建立人類定居點。中國、俄羅斯和印度等國也把目光投向了火星。

                      國際上掀起了“火星熱”,因為有充足的科學理由表明人類有必要登陸火星?;鹦锹诬嚨拇_做了很多了不起的工作,但它們沒有人類的智慧、學識和直覺,甚至無法解答困擾人類許久的問題:我們在宇宙中是孤獨的嗎?也許火星才是回答這一問題的最佳場所。

                      如果我們想真正了解火星,以及解決一些根本問題,就必須把人類送往火星。

                      為了抵達火星,從地球發射升空的航天器將攜帶著大量物資,穿越死寂的星際空間,然后在紅色星球上安全著陸。盡管旅途漫漫且令人生畏,但并非無法實現。下面就是我們的火星之旅分步指南。

                    火星

                      駛離地球,我們需要什么樣的火箭

                      當地球和火星相距最近時,距離約5 500萬千米。盡管旅途遙遠,但就目前的火箭推進系統而言,在太空中穿過這段距離,技術上不算太難。

                      航天器一旦離開地球足夠遠,受到的地球引力會顯著減小,此時就可以利用較小的推力抵達火星。整個旅程大概需要9個月,這只比航天員在國際空間站(ISS)上停留的標準時長(6個月)久一些。

                      為此,我們不需要設計新型發動機,也不用費心去使用加速太慢的太陽帆。積累幾十年的太空探索經驗告訴我們:我們需要的只是一枚運載能力更強大的火箭。

                      目前世界上大概有7種火箭可以幫助完成火星之旅。其中最強大的當屬SpaceX公司建造的“重型獵鷹”運載火箭,其運載能力足以勝任搭載任何一臺著陸器或漫游車。

                      但是,載人抵達火星所需的物資將更多。據估算,6人構成的航天小組,搭載食物和水往返火星,至少需要20噸物資。2017年,NASA一份報告顯示:一旦把科學器材和保障航天員在火星生存的裝備(比如一臺發電機和一處住所)一并考慮的話,物資總質量將會達到100噸。

                      目前,研制中的兩款火箭具有更強大的運載能力:NASA的“太空發射系統”(SLS)至少可以運載45噸物資抵達火星,SpaceX的“大獵鷹火箭”(BFR)的搭載量預期可以超過100噸。

                      換言之,“建造更強大的火箭”這一目標已初具雛形,而且我們可以在載人抵達之前先運送一些裝備到火星上,以減少火箭的載荷。

                      前往火星,我們要注意什么

                      未來,人類將離開地球去適應火星上的長期生活。隨著太空探索技術的不斷發展,訪問國際空間站將像到自家后花園去露營一樣簡單。只是,平常我們出門在外,親朋好友會時不時送來三明治。而如果我們要去火星,就需要自己帶好足夠的“三明治”了。

                      我們擔心的不僅僅是食物。如果航天器出了故障,我們就得有備件和工具去修復它。如果我們不小心生病了,就需要找出對癥的藥物。然而,額外的物資就意味著更多的燃料和更多的費用,因此,我們不可能攜帶所有備用的物資登陸火星。那我們該怎么辦?

                      攜帶一臺可以按需生產部件的3D打印機,不失為一個優秀的解決方案。國際空間站已經擁有一臺了,NASA也正在做相關測試。因此,我們的火星之旅可能會帶上一臺3D打印機和原材料,而不是一堆可能用不上的零部件。

                      無法攜帶足夠的藥品會很麻煩??茖W研究表明,細菌可以在航天器中繁衍。另有研究表明:在模擬微重力環境下,細菌能演化出對廣譜抗生素的抗藥性,而且這種抗藥性持續的時間比在地球上更久。目前我們已采取了一些應對措施:在航天器洗手間的門把手表面涂上抗菌層;航天員攜帶一些未加工的藥物配方,而不是完全合成好的藥物,以便可以按需制造藥物。為此,一種可以自動合成簡單藥物的系統已展開測試。

                      無論航天員是否生病,他們都會受到太空環境的物理影響。比如,在少了地球引力的環境中,航天員的肌肉和骨骼開始衰退。研究表明,即使每天鍛煉,航天員在兩星期內也會損失20%的肌肉量。

                      幸運的是,盡管火星的引力遠小于地球,但航天員在這顆紅色星球上行走還不算太難。當然,為了盡可能地消除影響,航天員在火星上也要每天進行數小時的鍛煉,享受特制的飲食,還必須穿增壓服。

                      除了失去地球引力,航天員還無法受到地球磁場的庇護——地球磁場可以屏蔽有害的宇宙射線。航天員在火星上受到的宇宙射線輻射量大約是地球上的幾百倍,而女性航天員的身體對輻射更敏感。

                      執行火星任務的航天員,即使按照最短的往返路線來計算,受到的輻射量也約占人體能承受的最大輻射量的60%,這還沒考慮在火星表面停留時受到的輻射。目前來看,我們必須評估每一項任務指標是否與航天員的健康標準相違背。

                      航天員的心理健康方面也存在一定的風險。當地球不斷遠去,遠到成為太空中的一個光點時,就會給航天員帶來巨大的心理挑戰。因為在日常生活中,我們與伸手可觸的美麗地球建立了一種穩定的關聯,而當失去這種關聯時,就會造成心理上的空缺,需要其他東西來填補。

                      到達火星,我們如何著陸和生活

                      經過數月的太空穿越,載人火星之旅即將到達目的地,也將面臨最危險的階段——著陸?;鹦巧蠋缀鯖]有大氣,平均大氣密度僅為地球大氣密度的1/160,這意味著航天器減速時,降落傘將無法產生足夠的拖力,從而不能使速度進一步降低。

                      我們可以利用反沖火箭來減速,就像“阿波羅11”號登陸月球時采取的措施一樣。不過,由于火星上的重力要比月球上的重力大,我們將需要更多的反沖火箭。因此,研究人員一直努力探索改進火星上的著陸方式。

                      NASA研發了一種超音速充氣式氣動減速器,它由一系列纖維增強組織制成,可以形成一個比降落傘更堅固的充氣結構,足以產生更大的緩沖力。目前,NASA已經測試了一些小型減速器模型。

                      然而,真正的困難或許不在于我們如何在火星上著陸,而是在哪里著陸才合適。

                      火星兩極附近似乎是著陸的理想之所,因為我們知道那里存在地下冰,也可能擁有由液態水形成的地下湖。這些都是至關重要的資源,因為航天員會消耗大量的水,而從地球上帶往火星的水又非常有限。問題是,火星兩極地區的氣溫會低至-195℃,且容易發生塵暴,這會使著陸更加困難。

                      火星赤道區域的氣溫大多在-100℃以上,最高氣溫可達20℃,那里極少遭遇塵暴,而且陽光充足。航天員不僅可以充分利用太陽能,還能探索各種有趣的地形。但是,火星赤道附近缺乏可被利用的水。

                      這是一個棘手的問題。不過,對于第一次前往火星的載人航天器而言,最可行的辦法是著陸在漫游車已經勘探過的某地。一旦著陸成功,航天員將會在原地停留一段時間。

                      即使他們沒有建立一個永久基地,也要至少停留數月時間以等待火星再次沖日?;鹦菦_日時,地球與火星同在太陽一側,且三者處在同一直線上,這樣返程時間才會盡可能縮短。

                      當然,在火星上建立基地就必須應對各種問題。比如,除了極寒環境外,還面臨著可能會被小隕石擊中的風險,而且這些隕石在火星極其稀薄的大氣層中不會燃燒殆盡。此外,還要面臨因火星沒有磁場而無法屏蔽的太空輻射。

                      如何規避這些風險?以送往火星的航天器作為基地似乎合情合理,但居住艙空間狹仄,只能當作航天員的起居室。有科學家建議,前往火星時攜帶用于建造住所的材料,但這會大幅增加發射時的載荷。

                      NASA正開展一項3D打印火星棲息地的研究,而且是利用火星表面的既有資源,比如,用壓縮的火星土制成磚,然后建成穹頂狀住所。目前,NASA嘗試以仿制的火星土為原料,研究“火星磚”的最佳制造方法。

                      一項提議是,火星上遠古火山熔巖形成的圓柱形洞穴是天然的輻射防護屏,或許可以作為人類棲息地。通過衛星圖像,科學家已經觀察到火星上這種山洞的入口,并分析了它們的結構。研究表明,由于火星上重力微弱,那些洞穴綿延數千米,寬度為二三百米??傆幸惶?,它們將容納一整街的“火星居民”。

                      除此之外,還有很多其他急迫的需求值得我們考慮。比如,火星上的水并不容易獲取,即使航天員著陸在富含地下水的位置,也需要攜帶沉重的挖掘設備才能獲取水資源,而且不能保證地下水取出地面后就可以飲用。

                      航天服也不容小覷,它們必須有極佳的防塵功能,因為火星土壤中充滿了致命的化學物質。NASA已開始研制擁有特殊涂層材料的新一代航天服,以期解決粉塵問題。

                       星球

                      重返地球,我們回家了

                      很多人都希望,人類未來會在火星上永久定居。但是目前,所有載人火星任務計劃都包括了帶航天員返回地球的舉措。這就意味著航天員需要再忍受一次發射,又歷經約9個月的旅途時光,再一次面臨著陸。

                      幸運的是,第二次發射相對容易一些,因為火星稀薄的大氣層及微重力環境使得航天器進入太空并不困難。盡管旅途還是一樣漫長,不過地球家園的蔚藍光芒將逐漸變得明亮。著陸地球也相對簡單,航天器上的降落傘和地球厚厚的大氣層會幫助我們實現。

                      當航天員從返回艙里伸出頭探視時,他們已平安地到達地球家園,他們會被嘈雜的人群包圍?;鹦巧巷w旋的塵土已將他們的腳印覆蓋,但居住艙仍將停留在那里,等待下一批客人的到訪。

                      文/史曉雷

                    本文來自《科學畫報》

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