把人類送上火星，難在哪？

火星，中國古代稱其為「熒惑」（中國的第一顆火星探測器「螢火一號」以此命名），後來隨陰陽五行學說盛行，改稱火星。從地球上觀察，火星時而順行時而逆行，亮度也常有變化，最暗時視星等為+1.5，最亮時達到-2.9。西方人把火星看作是戰神Mars的化身，並把Mars攜帶的長槍和盾牌作為火星的天文符號。

火星是目前除地球之外人類研究程度最高的行星，也是載人登陸的首選行星。為什麼科學家們紛紛把火星作為載人探索目標呢？因為火星與地球性質最為接近。當然，這個最接近是有條件的。僅就與地球的相似性而言，宇宙中或許存在比火星更接近地球的行星，例如NASA在2015年發現的「開普勒452B」、2016年發現的「地球的孿生哥哥」比鄰星b、2017年2月發現的恆星Trappist-1宜居帶內3顆宜居星球等，但這些行星與地球的距離長達數十光年甚至更遠，目前的飛行器技術還遠遠不能實現載人到達。

我們把目光聚焦到太陽系以內。首先考慮質量因素，重力太大的行星人類無法登陸；其次考慮溫度因素，極寒和極熱環境人類無法生存；再次考慮距離因素，距離太遠往返時間過長。綜合這幾項之後，剩下的備選行星只有火星和金星。金星大氣稠密（約90個大氣壓），表面溫度高達480°C，且雲層主要成分為硫酸，載人航天器降落將面臨壓扁、熔化、腐蝕的滅頂之災。雖然火星環境與地球相比還是存在較大差異（重力約為地球的38%，氣壓不足地球的1%，大氣成分95%是二氧化碳，平均氣溫-63℃且晝夜溫差極大，自轉周期24.6小時，公轉周期687天），但就目前的認知，火星是最有希望實施載人登陸的地外行星。

火星距離太陽約1.524個天文單位，按照傳統的軌道轉移模式，地球-火星往返有如下兩類典型軌道方案，兩類軌道方案的任務總時間約在八九百天和五六百天左右。從能量需求而言，短期停爐軌道比長期停留軌道需要更大的速度增量。

載人火星任務距離遙遠、時間漫長、環境惡劣，大量技術難點有待突破。且不論如何製造重型運載火箭和飛船來完成地球和火星之間的往返轉移，如何解決載人飛行器在火星表面的進入大氣、減速下降、定點著陸和起飛對接EDL&A（Entry Descent Landing & Ascent）問題，如何構建火星居住艙、溫室、火星車，解決結構、能源、熱控等問題，火星飛船返回地球後如何再入與回收……單就如何保障火星任務航天員而言，就存在諸多技術挑戰，包括保障航天員長期飛行和火星駐留期間居住與生活環境、保障航天員在火星表面大範圍機動與作業、保障航天員任務全程健康安全等。在此列舉其中幾個點。

——輻射防護。火星飛行任務期間，飛行器遠離地球磁場保護，星際空間及火星表面上的輻射環境遠比近地軌道飛行惡劣，特定條件下（如大規模太陽粒子爆發）可能對航天員的生命和健康構成威脅。因此輻射防護是制約任務可行性的瓶頸之一。目前想到的防護措施包括加厚艙壁、藥物防護、製造掩體、製造等離子場、選拔輻射敏感度不高的航天員等，大都會加大任務規模，可行性有待進一步論證。

——長期失重。載人航天飛行的經驗告訴我們，長期失重將造成肌肉萎縮、鈣流失、腎臟負擔增大、體液轉移等問題，執行長期飛行任務的航天員返回地球後都要經歷一段時間的後恢復期。但火星航天員在經歷了200天左右的深空飛行後著陸火星時，沒有專業醫療保障團隊的協助，只能依靠自己完成重力適應並儘快投入探索任務，其難度可想而知。為減小失重的影響，飛船上會配備各種鍛煉設施，或者製造人工重力，但這也將對飛行器結構和規模造成巨大影響。

——火星塵。美國「阿波羅」登月航天員曾反映飽受月塵困擾，月塵沾染登月服、面窗、艙外儀器設備，影響視覺、磨蝕設備且污染座艙。而火星塵土帶來的困難只會比月塵更甚。月面是無風的真空環境，而火星存在大氣且風速極快，整個火星年中約1/4時間其表面都籠罩在漫天狂沙中。火星塵有強腐蝕性、毒性和穿透力，如果不慎被帶入艙中吸入體內，會造成肺部傷害。不過，電影《火星救援》里那樣摧毀營地、吹散航天員乘組的塵暴是不會真實發生的，因為火星大氣密度不到地球的1%，雖然風速很快，但風壓很小，沒有那麼大的破壞力。

——生活物資保障。吃喝拉撒睡這些地球上再普通不過的事，在遙遠的火星征程中就不那麼簡單了。數百天的食品飲水和生活用品，如全從地球攜帶，需要多少艘貨運飛船專門拉物資？受控生態生保系統似乎是不錯的選擇，可以讓水和空氣循環使用，再加上種植植物和養殖動物給航天員補充營養。可是把一個足以維持4-6人乘組生命保障的受控生保系統發射到深空乃至火星表面，這個代價也是驚人的。來一組目前地面受控生態生保實驗規模的數據感受一下（見下表）——相當時間內還沒有火箭可以發射如此巨大的艙體入軌。還有食品的種類和口感能否滿足需要，再生食品如何加工，洗浴洗衣如何進行，廢棄物如何處理和再生利用……

——潛在的火星病毒。雖然目前還未找到火星上存在生命的確鑿證據，但不能排除這種可能性。如果火星上存在傳染性病毒並被航天員帶回地球、而後在地球環境下繁殖變異，這簡直是不堪設想的災難科幻片情節。當然，對這個未知問題科學家們也有不同觀點。美國「火星協會」會長羅伯特.祖布林曾這麼舉例：「人和榆樹會相互傳染疾病嗎？不會。人的流感不會傳染給榆樹，榆樹的病蟲害也不會傳染給人。因為人和榆樹這兩個物種之間差異太大了。而人和火星生命之間的物種差異，應該比人和樹的差異還大吧？」當然，這畢竟是未知世界的事情，還需要進一步了解再思考防禦方式。

通往火星的征程困難重重，但始終阻擋不了人類探索宇宙的慾望。新技術的突破將給我們帶來新的探索模式和新的希望，例如深度睡眠、核火箭和等離子火箭、原位資源利用等技術，或將完全顛覆我們目前構想的載人火星探索模式。

設想航天員可以在冬眠中完成星際飛行、直到抵達目的地再被喚醒，將大大節省生活物資、減少廢棄物排放，也避免了由於長時間處於密閉狹小空間帶來的心理問題。目前美國已經開始探索這一技術的可行性，亞特蘭大航天工程公司已開展相關研究，並已研發出可以維持一個人一周冬眠的系統。

冬眠技術用於火星征程

核火箭和等離子火箭等新型推進系統將會大大縮減星際飛行時間，往返火星的飛行時間將不是數百天而是數十天甚至更短，這樣由於任務時長帶來的一系列難題（物資供應、輻射累積、長期失重、心理壓力……）也將迎刃而解。試想長途冒險變成了短期旅行，火星征程的難度是不是大幅降低？

原位資源利用（ISRU）即利用火星資源生產航天員需要的物資，這一理念在多年前就被提出，但實施難度很大。《火星救援》中在火星上種土豆就屬於此範疇，還包括利用火星大氣製造氧氣，利用火星土壤建造基地和掩體，尋找水用做生活物資和生產推進劑等。ISRU可縮減火星飛行器從地球出發的規模，適用於火星探索的成熟階段。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！