火星：人類未來的新家園

撰文|鄭永春，博士，行星科學家、科普作家、中國科學院國家天文台研究員，香江學者聯誼會理事長、中國科普作家協會副理事長、獲2016年美國天文學會卡爾薩根獎

科幻是基於科學現實的未來展望。隨著科技的發展，科幻與現實科技的界線越來越模糊，昨天曾經暢想的太空科幻，已在今日成為航天科技的現實。火星是太陽系中自然環境與地球最相似的行星，也是太陽系中經改造後唯一有可能實現人類大規模移居的天體。自阿波羅17號航天員最後一次登月至今的43年里，載人航天長期被限制在地球附近的軌道，這種狀態必須改變。如今的載人航天已經到了突破地球引力束縛，為實現載人登陸火星而努力的關鍵階段。

一、抵達火星

由於地球和火星都是運動的天體，所以從地球出發的火星探測器並非任何時候都可以發射，而是每隔2年零2個月（780天）才有一次發射機會，這樣的發射機會稱為發射窗口。也就是說，火星探測器的發射窗口每隔26個月才會打開一次。這是因為每隔780天，太陽、地球、火星就會排列成一條直線，稱為火星沖，此時是發射火星探測器的好機會。

從地球發射的火星車或著陸器在抵達火星上空後，要穿過火星大氣層才能「踏」上火星表面，這期間需要經歷驚心動魄、生死攸關的一幕。探測器從131千米的高空進入火星大氣，時速高達21000千米（每秒5.9千米），要在短短七分鐘的時間內，讓探測器的速度降至零，從而實現安全著陸。這也是所有火星探測任務中技術難度最大、失敗概率最高的關鍵時刻。這一階段被稱為「進入、下降和著陸」（EDL）階段，是名副其實的「黑色七分鐘」。

回顧世界各國的火星探測歷史，我們發現，安全著陸在火星表面主要通過三種方式來實現：

第一種方式是氣囊緩衝。這種方式適用於輕質量著陸器的登陸，當著陸器在火星表面著陸前，包裹著陸器的氣囊充氣展開，通過氣囊在火星上的彈跳逐步降低高度，實現成功著陸。1996年12月4日發射的探路者號火星車就是採用氣囊緩衝方式，成功著陸至火星表面，初步驗證了火星大氣進入、減速和著陸緩衝全過程的可行性；2003年6月和7月分別發射的勇氣號與機遇號這對「孿生」火星車，使氣囊緩衝著陸的方式得到了充分驗證，成功實現了對火星表面較大範圍的巡視。

勇氣號和機遇號火星車採用氣囊緩衝方式，成功著陸在火星表面

第二種方式是著陸支架緩衝。2007年8月4日發射的鳳凰號著陸器比機遇號和勇氣號火星車的質量更重，如果依靠降落傘和安全氣囊著陸，則需使用更大面積的降落傘和體積更大的氣囊，但這會擠占所搭載的科學儀器的重量。因此，鳳凰號採用了火箭反推和著陸支架緩衝的方式，實現在火星北極地區的安全著陸。

鳳凰號著陸器利用反推火箭實現動力減速，這種方式適用於較重著陸器的著陸，同時可準確選擇著陸點

第三種方式是空中吊車著陸。這種方式適用於大質量著陸器的登陸，2011年美國發射的好奇號火星車首次採用這種技術並獲得成功。好奇號以每小時20000千米高速進入火星大氣層，火星車被裝載在盾形的熱保護罩中，熱保護罩可以經受高溫燒蝕，起到隔熱防護作用，確保火星車不會被火星大氣層燒毀。當探測器距離火星表面11千米高度時，先打開巨大的降落傘降低飛行速度，24秒之後，熱保護罩脫離。當探測器下降到1.4千米高度時，背殼分離，探測器上的8台制動火箭點火，通過火箭反推將下降速度從每秒80米減速至每秒0.75米。當探測器距離火星表面20米高度時，著陸器在空中「懸停」，空中吊車釋放出尼龍繩，將好奇號火星車從著陸器上吊運到火星表面，實現著陸。

好奇號火星車是一個功能齊全的移動科學實驗室，相當於地球上配備多種分析手段的岩礦分析實驗室。好奇號重3.6噸，耗資26億美元，全部採用核能發電，是世界首個沒有太陽能電池板的深空探測器。

空中吊車釋放出尼龍繩，將好奇號火星車吊運到火星表面

對於20年後的載人登陸火星來說，需要運送到火星表面的登陸艙質量更重，不僅需要強大的熱保護罩，還需要非常大面積的降落傘，並且把反推火箭動力減速和空中吊車等手段統統用上，實現多種著陸手段的「混搭」，才能確保航天員安全登陸火星表面。目前，作為星座計劃核心的戰神號貨運火箭、載人火箭、獵戶座載人飛船均已成功試飛，具備了載人登陸月球、小行星和火星的大部分功能。

登陸火星需要熱保護罩、大降落傘、反推火箭、空中吊車等多種技術手段混搭，才能確保航天員安全登陸火星表面

為研究航天員在奔赴火星的旅途中，長期密閉環境對乘組健康狀態及工作能力的影響，特別是超長時間飛行、完全自主控制、資源有限、無法實施身體及心理治療、火星表面出艙活動等條件下的人體生理和心理狀態。俄羅斯聯合多國科學家於2010年6月3日展開為期520天的登陸火星模擬實驗，在人類歷史上首次模擬登陸火星航天飛行往返任務的全過程。封閉試驗分為三個部分：前250天為飛船發射和試驗飛往火星的旅途、中間30天試驗登陸火星、最後240天試驗從火星返回地球。包括中國航天員王躍在內的6名志願者經歷了從火箭發射、行星際旅行、火星登陸到返回地球的全程試驗。在試驗階段，全部志願者的生活和工作僅限於實體模型航天器，所需資源要求一次裝備到位。志願者不能和外部直接交流，若透過互聯網交流會有20分鐘延遲。飛船完全自主控制，醫學救助通過遙控操作技術實現。

載人登陸火星往返需要500天，如何克服旅途的寂寞、恐懼和疾病，需要在地面開展大量試驗。圖為俄羅斯開展的「火星-500」生存試驗

二、火星生存

地球人如何在火星上生存？正如系列紀錄片《荒野求生》被很多戶外運動愛好者作為野外生存指南一樣，2015年上映的太空大片《火星救援》於以其豐富的科學內涵和堅實的技術基礎，在一定程度上可以作為未來載人登陸時的火星生存手冊。

那麼，人類怎樣才能在未來的火星家園裡生存呢？

航天員在火星上進行科學考察和建站任務時，必須穿戴著十分厚重的宇航服。火星表面環境十分嚴酷，非常寒冷且空氣稀薄。宇航服是保障航天員生命安全的個人密閉裝備，用於保護航天員在真空或稀薄大氣、劇烈溫差、強烈太陽風和宇宙射線、微隕石撞擊等地外天體表面環境中安全生存。

真實的宇航服相當於一套完整的生命保障系統，功能強大，是航天員的救命必備物。宇航服的設計一方面需要適應火星表面的環境特徵，另一方面要便於航天員開展火星表面考察和作業任務。真實的宇航服上不會有任何飾品，一切都將服務於保障航天員生命安全的目的。

正在研製中的火星宇航服包括關節、手套、頭盔、氧氣系統、水循環系統、散熱系統、通信系統、電子系統等系統組成，可以實現服裝參數實時監視、與其他航天員通話、瀏覽任務清單、拍照、控制光線、火星表面導航等功能。

在材料方面，宇航服整體上分為硬的結構部分和軟的面料部分，既要求有一定的強度，能防止微隕石撞擊，堅硬石頭稜角的穿刺，又要比較輕便，靈活而柔軟。宇航服內外要實現熱隔離，服裝溫度可以調節。火星上的磁場強度極弱，太陽風粒子和宇宙輻射很強，製作航天服的面料應採用新型高分子材料的纖維織物，能提供一定的輻射防護。

在靈活性方面，火星表面重力只有地球表面的38%，卻是月球表面的2倍。阿波羅登月航天員的靴子不能延用到火星上，火星航天員需要一雙更堅固、舒服和耐用的靴子。在失重情況下，現在的宇航服設計可以藉助手杖行走，但臀部、腰部和膝蓋都不能靈活活動。未來登陸火星的航天員一呆就是幾周甚至幾個月，航天員要在火星表面自由行走，火星宇航服要有可彎曲的膝蓋，保證航天員可以蹲或跪下。臀部要有軸承和像手風琴一樣可拉伸的連接，方便航天員蹲或坐，獲得足夠的自由度。為避免火星上的沙塵暴和瀰漫的塵土隨宇航服帶入居住艙，火星宇航服允許航天員從背部脫離，航天員進入居住艙後，宇航服被掛在艙外，避免將塵土帶入艙內，危害航天員健康。

在生命保障方面，火星表面的大氣壓力只有地球表面的1%，人體血液中含有的氣體在真空中會膨脹。所以，火星宇航服是一套充滿了氣體的加壓密封系統。如果不穿戴加壓的密封航天服，航天員因體內外壓差懸殊，身體腫脹，血液將瞬間停止流動，危及生命。宇航服的背上是一個自由呼吸袋，人體呼出的二氧化碳和水汽可以用過濾器過濾。

因此，火星宇航服整體上分為三層，第一層是充滿氣體的抑制層；第二層是支撐服裝、使之相互連接可活動的構造層；第三層是提供隔熱和防穿刺的外圍層。正在研製中的火星宇航服的重量約為140千克，具有較好的活動性，較高的可靠性和較長的壽命。即便如此，還有許多問題有待研究解決，特別是火星表面輻射防護是一個很大的挑戰。

登陸火星的航天員絕大部分時間是在居住艙內生活的，居住艙是航天員在火星上的家，具有溫度、濕度和空氣調節功能。航天員在居住艙內活動不需要穿著笨重的艙外宇航服，可以穿得和地面上一樣。居住艙是人類在火星上得以生存下來的重要保障，也是載人登陸火星之前必須要解決的關鍵技術。

為了訓練火星生存經驗，美國宇航局約翰遜航天中心專門建立了火星生存模擬系統供航天員訓練使用，為人類在火星上的長期生存做準備。火星生存模擬系統擁有獨立的生命保障系統，分為上下兩層，包括起居間、工作站及模擬氣閘艙。根據實驗效果，目前這套系統還在進一步改進，以適應未來的火星表面生存和作業。

火星居住艙和火星車。航天員出艙在火星表面開展地質考察，並與機器人相互協作

太空輻射防護是航天員火星生存面臨的最主要的困難之一。在載人前往火星的途中，航天員主要面臨兩類危害健康的輻射粒子：一類是劑量較低，但長期存在的銀河宇宙射線，其能量高、穿透性強，很難防護，普通的飛船外殼基本上無法阻止它們，即使是30厘米厚的鋁板，防護效果也極為有限，嚴重威脅航天員健康。另一類是太陽耀斑和日冕物質拋射時產生的太陽高能粒子，通常是指能量為數百兆電子伏特的質子，能量比銀河宇宙射線的能量要低得多，持續時間較短，利用飛船外殼可以進行有效防護。預測未來的載人火星飛船很可能會配備一間『太陽風暴庇護所』，在太陽風暴發生時，航天員可以躲進庇護所，抵禦來自太陽的高能粒子。

隨著科技的進步，未來有可能會發現一些新型的輕質材料，或許會比鋁板具有更好的防護效果。但即使找到這種新型防護材料，也只能降低部分輻射劑量，穿透防護材料的射線仍然會對人體健康產生危害。因此，防輻射是航天員登陸火星面臨的重要難題。現實的選擇是就地利用火星土壤，加入粘結劑固結成型，或用包裝物填充火星土壤，一定厚度的土壤將可以有效地降低太空輻射對航天員的危害。

太陽系中充滿了太陽風和宇宙射線等太空輻射，對人類和生命健康造成了很大威脅，因為地球磁場的防護，人類才得以在地球上長期生存

火星上沒有加油站，載人飛船和火星車都需要太陽能電池作為能源。電力越充足，越有能力開展多種操作和實驗，並降低系統故障對火星生存的威脅。現實中，我們頭頂的國際空間站擁有一套強大的太陽能發電系統，未來用於深空飛行的獵戶座號載人飛船，也將採用太陽能電池發電的方式提供能源。

為了能在火星上長期生存，除了太陽能電站，還需要絕對可靠又耐用的電力供應，同位素溫差電池是一個現實的選擇。同位素溫差電池實際上是一個小型的核反應堆，放射性同位素在衰變過程會產生大量熱能，並把熱能轉換成電能。新視野號冥王星探測器上的同位素溫差電池內裝10.9千克二氧化鈈，利用其中的鈈-238衰變時釋放熱量，通過溫差發電為航天器提供穩定電力供應。現實中，NASA在深空探測任務中使用同位素溫差電池已有40多年的歷史，已在20多次任務中成功使用，包括火星、木星、冥王星等探索任務。

為了避免放射性泄漏污染太空，同位素溫差電池都用多層十分堅固的材料密封包裝，即便發生飛船爆炸等災難性事故，也不會產生一絲裂痕。由於同位素溫差電池釋放的是α射線，無法穿透衣物或皮膚，所以也不會對人體產生危害。

為研發載人登陸火星和訓練航天員火星生存和的相關技術，科學家在美國猶他州的沙漠、非洲摩洛哥的撒哈拉沙漠北部、以及青藏高原的柴達木盆地等地區找到了火星表面的模擬場景，並設立觀測站開展長期觀測、訓練和研究。

科學家在猶他州沙漠中找到了類似火星表面的模擬試驗場，設立了火星沙漠觀測站，讓航天員在火星模擬場景中開展模擬生存、地質考察、植物栽培等（Jim Urquhart/Reuters）

三、火星種植

水是生命之源，火星上的水資源實在太珍貴了，沒有水航天員在火星上將完全無法生存。雖然水在太陽系很多天體上都非常豐富，火星上也曾經有過大規模的水，形成過許多河流和湖泊。但現在的火星上還沒有找到可用的水源，NASA剛剛宣布發現的火星液態水也只是含有高氯酸鹽的有毒滷水，分布在少數的火星撞擊坑陡坡上。航天員火星生存所需的水仍是一個困難，因此再生水回收系統就變得非常重要。

有了水，就可以在火星上建農場、種莊稼。那麼，火星土壤與地球土壤究竟有何區別？怎樣才能改造火星土壤，在寸草不生的火星上種出莊稼來，這方面也已經進行了有益的探索。

火星土壤與地球土壤的物質組成基本相同，但是地球土壤里有微生物群落，某些特定的養分只能通過微生物來提供，而火星土壤中沒有微生物。因此，火星種植的第一步，是改造火星土壤。可以將少量的地球土壤與火星土壤混合，加上收進廚餘桶的有機物，以及航天員的糞便進行混合、發酵，讓地球土壤中的微生物感染火星土壤。經過一周左右的時間，火星土壤就會被改造成充滿微生物的土壤，支撐作物生長。

以建設一個面積為92平方米的微型火星農場為例，如果整個地面都鋪上10厘米深的火星土壤，總共需要搬9.2立方米的火星土壤到居住艙里。如果每位航天員每次只能搬動0.1立方米的火星土壤，要建設一片92平米的火星土壤，需要進出居住艙92次。同時，要改造火星土壤，每立方米土壤就需要40千克的水，建設一片92平米的菜園，需要368千克的水。

培養好火星土壤之後，下一步需要篩選適應火星土壤和火星環境的先鋒植物，研究火星引力對植物生長的影響。之後，用地球上最頑強且最容易種植的作物種子作為測試作物用於火星種植。根據目前的經驗，土豆可能是火星種植的最佳選擇。土豆可以大量繁殖，而且土豆也能提供相當不錯的熱量（每千克含有770卡路里的熱量）。

沒有任何微生物的火星土壤

在火星上種植作物，不僅可以確保未來登陸火星的航天員能夠滿足營養需求，還可以大大減輕需要從地球上運送的物資重量，顯著降低載人登陸火星的技術風險和經費成本。在這方面，國際空間站開展了大量種植試驗並獲得成功。2015年，國際空間站已經成功栽培出新鮮的蔬菜。在空間站上，蔬菜屬於極具開發潛力的新鮮食材，只要用有色光線控制，蔬菜就會乖乖生長，按時供航天員食用。其中生菜是最容易種植的蔬菜品種。

馬克和他的火星農場，他正在測量土豆的長勢。馬克身邊的是自製的用火箭燃料N2H2生產水的裝置

四、未來已來

20世紀，我們實現了載人登陸月球，人類第一次有能力登陸除地球外的另一個天體；21世紀的上半葉，我們將實現載人登陸火星的夢想，這是人類航天史上最重要、最複雜的太空計劃，將對人類的未來產生深遠影響。

雖然科技發展日新月異，但人類面臨的命運卻十分脆弱，我們面臨的重大自然災難除了地震、火山、海嘯外，還包括小天體撞擊、地球磁極倒轉、超新星爆發、超級太陽風暴等。生命體即使龐大如恐龍，也能在一夕間滅亡殆盡。因此，人類必須保持足夠的危機感和緊迫感。

然而，在可預見的將來，人類還不具有飛出太陽系的能力。在太陽系範圍內，只有火星環境最適宜生命生存，是我們移居外星球的首選目標。雖然我們在太陽系中探索木衛二和土衛六等天體，在太陽系外搜索系外行星，但這些任務的主要目標是探測這些天體上的生命信息，而非為人類提供未來的移居地。

根據目前的探測成果，火星上可能存在過生命和液態水，這就為人類向火星移民，開闢新的生存空間提供了希望。人類可以通過在火星上創造溫室效應，經過一二百年的改造，使之成為太陽系中的另一顆宜居行星。

自阿波羅17號航天員最後一次登月至今的43年里，載人航天長期被限制在地球附近的軌道，這種狀態必須改變。如今的載人航天已經到了突破地球引力束縛，為實現載人登陸火星而努力的關鍵階段。載人登陸火星不僅需要豐富的知識積累、堅實的技術儲備、專業全面的人才隊伍，還需要合適的政治氣候和民意支持。

截至2013年底，人類共進行了42次火星探測活動。由於地球和火星的軌道運動差異，火星探測器的發射窗口每26個月才會「打開」一次。從1996年以來的8個發射窗口，已經發射了11顆探測器，取得了大量探測資料。火星已經成為除地球之外人類認識程度最高的行星，甚至超過了人類已經登陸過的月球。

火星是美國太陽系探測戰略的核心。目前，火星探測的科學戰略從早期的全球普查，逐漸聚焦到對重點地區開展精細探測；從火星找水逐步轉到尋找生命信息。科學界越來越清晰地認識到，火星是人類面臨重大災難時最有可能去的避險地。火星上發現了三角洲、衝擊扇、溝渠等大量流水侵蝕地貌；一些盆地與中國柴達木盆地中的乾涸鹽湖十分相似，說明火星上曾經發育過大型湖泊；2007年發射的鳳凰號著陸器直接探測到了火星土壤中的水蒸氣。這些證據表明，火星土壤就像青藏高原的凍土層一樣，現在仍然含有水。

火星上有水已經得到確證，那麼火星是否適合生命生存呢。生命科學的研究發現，生命可以在很多極端環境和極限條件下生存。細菌和孢子可以在非常寒冷、乾燥、隔絕空氣的環境下休眠數百萬年，在環境條件適宜時重新激活。火星北極的土壤中就可能存在這樣的休眠微生物菌落。科學家還在地球上模擬火星的輻射、晝夜溫差等環境條件，10000個樣本中有6個食桿菌屬的細菌在30天的試驗後仍然存活，證明微生物可以在火星上長期存活。這也驗證了人類改造火星的一種可能，即把低等微生物作為先鋒生物釋放到火星表面，通過生物作用逐步改造火星環境，最終使之適合人類生存。

在載人登陸火星的技術儲備方面，火星探測的成功率越來越高，技術已經逐漸成熟。2011年發射的好奇號火星車體積相當於小轎車，重量達3.6噸，是一個功能齊全的小型實驗室，並首次採用了太空起重機技術，通過繩索將火星車緩緩降落到火星表面；好奇號火星車全部採用核動力發電技術以確保火星車的能源供給，這也是世界上第一個沒有太陽能電池板的深空探測器。這些新的探測手段、著陸方式、能源供應技術可推廣應用到未來的載人登陸火星的任務中。

高速進入火星大氣層，安全登陸火星表面仍是重要難點

總之，火星已成為人類未來移居的首選目標，對人類具有很強的吸引力，現有的知識儲備和技術能力已經基本滿足載人登陸火星的需求。載人航天技術，特別是重型運載火箭和新一代載人飛船的性能有了顯著提升，載人登陸火星不再是紙上談兵。預計未來20年左右人類將首次踏上火星表面，而後朝著建立火星前哨站、改造火星環境、火星移民的長遠目標逐步邁進。

人類登陸火星的夢想並非遙不可及，預計未來20年左右即將成為現實

小知識點：

1、火星上的輻射環境怎樣？

在載人登陸火星前，科學家希望了解火星上的輻射環境，以便為航天員設計有效的輻射防護系統。2011年11月26日發射的好奇號火星車搭載了一台輻射評估探測器（RAD），測量飛船內部的高能粒子輻射環境，目的是為未來載人火星旅行提供基礎數據。根據2013年5月31日發表在《自然》雜誌上的文章，按照RAD的測量數據，航天員在火星上接受的累計輻射劑量，相當於每星期接受一次全身CT掃描。

2、航天員在火星上生存所需的氧氣和水是怎麼解決的？

航天員在火星上生存，除了需要計算自己每天所需攝入的熱量（卡路里）和水，再生水回收系統是必不可少的。現實中，這樣的再生水回收系統已經在國際空間站上得到了成功應用。在國際空間站，同樣不會有任何一滴汗水、眼淚或尿液被浪費。這種新的凈水系統被稱為「水膜」，這種隔膜利用納米技術和調節生物體水分的蛋白質技術，可以將汗液、尿液等廢水轉化為可飲用水。

利用這套再生水回收系統，國際空間站內收集的水分經過過濾、凈化後循環利用。有位航天員曾經形象地說過，在國際空間站上，我今天喝的咖啡就源自昨天喝下去的咖啡。在紀錄片荒野求生和地震救援中，很多人甚至靠喝尿液才得以生存下去。其實，這一幕每天都在國際空間站上演……

除了住所、食物和水，在火星上生存還有一項重要的條件：氧氣。火星生存所需的氧氣來自於水的分解，以電解方式分離水分子中的氧氣和氫氣，這種制氧設備已經成功用於國際空間站。生產出來的氧氣釋放到空氣中用於維持生命，氫氣則進入制水循環系統。火星局部地區的地下有豐富的含水層，火星表面的空氣中也有一定含量的水，通過收集這些水，電解產生氧氣，將大大解決從地球運往火星的運貨總量，顯著降低載人登陸火星的經濟成本。

航天員正在展示國際空間站再生水回收系統的傑作——用各種廢液生產的純凈水

3、載人登陸火星的火箭和飛船研製進展怎樣？

以載人重返月球為目標的星座計劃雖然已被中止，但作為星座計劃核心任務的戰神號貨運火箭和載人火箭、獵戶座載人飛船的研製並沒有取消。2009年10月，戰神1號火箭試飛成功。2014年12月，獵戶座載人飛船首次繞地球試飛獲得成功，飛船經受住了每小時30000千米的高速地球再入和2300攝氏度的高溫，這種飛船已經具備了載人登陸月球、小行星和火星的絕大部分功能。

4、美國政府在載人登陸火星上的態度是否積極？

從美國民意支持分析，普通人對火星這顆紅色星球充滿濃厚興趣，NASA開展火星探測一直獲得多數民意的支持。1960~1975年的第一次火星探測高潮期間，前蘇聯發射的「火星號」系列和「宇宙號」系列探測器幾乎全部失敗。相比而言，美國人在火星探測方面一直倍受幸運之神的眷顧，保持著很高的成功率。在21次探測任務中有17次成功，成功率高達70%。特別是新世紀以來的所有火星任務全部獲得成功。作為一個鼓勵冒險、創新和探索精神的移民國家，實現人類首次登陸火星的目標在美國無疑具有強大的號召力。

在航天政策方面，美國政府近年來大力鼓勵和扶持民營航天企業發展，大力培育民營航天企業的研發能力和技術實力。NASA將逐步退出低軌道航天飛行任務和商業發射任務，把這些任務承包給民營企業，在激活民間熱情的同時大大降低軌道器的發射成本。未來，美國政府將集中力量發展月球及以遠的深空探測任務。在這一政策方向的戰略轉移過程中，載人登陸火星毫無疑問是其頭號目標。

航天員在火星表面開展地質考察，人與機器人的相互協作是必然需要

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