漫话登陆和开发火星

尹怀勤

2011年11月4日欧俄进行的火星-500试验结束，同年11月26日美国“好奇”号火星车又发射升空飞驰火星，这些活动都是为美、俄、欧计划于本世纪30年代送人登临火星做准备的。

火星之旅的难题与技术突破

人类远征火星是充满艰险的进取，面临着必须克服的众多难题：一是飞行动力的问题；二是人身保护和空气、饮食品供应问题；三是人体必须适应新的环境问题；四是着陆火星和实时联系问题。

1999年，专家们指出，在太空获取氧气和为飞船提供动力两大难题已基本解决。从火星大气中分离氧气的方法已被掌握，能够节省大量燃料的离子火箭发动机已经出现。同时，俄美两国正在地面的封闭舱里训练航天员如何在长期的太空飞行中生活和从事科学考察。事实上，俄航天员波利亚科夫早已在“和平”号空间站上创造了连续飞行438个昼夜的记录。航天员在“和平”号空间站和国际空间站上进行了数百次航天器成功对接，试验了生活和工作保障系统，并已研制出生产水和氧气的闭合系统工艺，现代医学水平亦可保证人在失重状态下停留两年之久。这一切都为人上火星进行了有益的探索。

考虑到载人飞往火星和返回地球的绝对安全性，当前尚需亟待突破下列技术难题。首先是发射难题。鉴于载人飞船必须携带往返飞行和滞留火星期间所需的全部物资，其总重必然远远大于45吨的“阿波罗”登月飞船。这样一来，如果是从地面直接发射，就需要研制比土星5号火箭推力还要大的运载火箭；如果是送到国际空间站上组装后发射，但由于15年后国际空间站业已报废，需要建设新的大型空间站和运送部件的航天器；如果是从月球上发射，需要在2015年或2020年开始建设月球基地，使其能够承担组装和发射飞船的任务。以上几种技术途径，无论选择哪一种，其工作艰巨性都是空前的。

其次是载人飞船安全着陆难题。飞船着陆舱从离轨到登陆火星过程中，因为不能由地面指挥中心进行实时控制，也不能像“勇气”号那样接触地面后靠气囊缓冲多次弹跳，故而要求自动控制装置工作必须绝对可靠，降落伞面积要足够大，制动火箭性能非常稳定，还要防止火星风暴的干扰。着陆舱拟分下降段和上升段，下降段落地时要有缓冲装置，上升段需要携带升空火箭。航天员完成考察任务后，将乘上升段飞行到轨道上与飞船对接，再返回地球。解决这些难题要比解决无人航天器软着陆火星困难得多。

再次是返回地球难题。飞船从环绕火星轨道转移到奔向地球的霍曼轨道，同样需要把握出发时机，其制导系统和推进系统工作必须稳定可靠。在返回地球飞行过程中，飞船要及时接收地球飞控中心的遥控指令，适时调整姿态并保持正确航向。当飞船进入地球轨道后，要与地球飞控中心相配合，准时释放返回舱。航天员将乘坐返回舱完成从离轨到着陆的回收任务。这就要求返回舱携带的控制和通讯设备、降落伞和制动火箭至少在520天之后，工作性能仍处于良好状态。显而易见，这比对近地轨道载人飞船和登月载人飞船的回收要求更为严格，研制这些设备遇到的问题也更为复杂。

送人定居火星的设想

据2010年10月的一则报道，美国宇航局正在筹划百年星舰计划，准备用载人航天器将4名航天员送上火星，并实现永久性居住。这一消息曾引发热议，因为它和以前的计划有所不同，航天员从有去有回变成了只去无回。

届时4名航天员将长居火星，其所需的生活用品、仪器设备和生产工具都要不断补给或更新，直到最终做到自给自足。当然，向火星发射载人飞船或货运飞船并不是非要沿着霍曼轨道飞行。只要有足够的发射和推进动力，也可选择相对较短的路径前往，以便更快地到达目的地。为此，需要开展新型动力装置的研发。有科学家正在研发等离子体火箭，即利用核反应堆将氢变为200万摄氏度的等离子体，然后用磁场控制高温等离子体从火箭尾部喷出，从而产生反作用推力。据推算，装有等离子体火箭的宇宙飞船速度可达每秒55千米，从地球到火星只需要飞行39天的时间。一旦这种推进装置研制成功并被证明可靠，无疑对百年星舰计划的实现是一个巨大的推动。

2009年6月，美国宇航局和欧空局曾商议合作研发核火箭，以便于2016年把生命探测器送上火星。核火箭的原理是用核裂变产生的热能加热液氢，使后者通过喷管膨胀加速排出，从而产生推力。但这种核动力装置不宜用在载人火星飞船上，只能用在货运飞船上。因为它留给船内的辐射量相当于航天员每天做8次x光胸透，即使用在货运飞船上，从地面发射时也用不着这种核火箭，只能等待多级化学运载火箭将货运飞船送入数百千米高的绕地轨道运行后，才启动核火箭工作推动飞船冲出地球引力范围并按预定轨道飞抵火星。固体堆芯式核裂变火箭不仅能长期工作，而且秒速可达24.17千米，推动货运飞船抵达火星的时间可缩短到两个月之内。

为了把4名航天员送上火星并让其长期驻守在那里，除了要在志愿者中进行严格挑选外，还必须要让他们在地面上做一系列的模拟试验，掌握处理可能遇到的各种问题的基本技能。这种试验要比6名志愿者团队开展的火星500试验所含的项目和内容更多，环境和条件也会更为恶劣，操作亦会更为复杂。

建立火星基地

为了建设火星基地，首先要选好地址。根据火星气温较低的实际情况，选在火星赤道附近有水的地方较为适宜，这样既可减少航天员的御寒负担，又便于他们的生活和工作。当然，防备沙尘暴的设施必不可少。完成火星基地的建设工程可分为三个步骤逐步实施。

第一步，制定基地规划和设计方案，并按照设计要求研制生产适合火星环境的建筑材料和机器设备，包括工作和生活设施。为了尽量减轻人的体力劳动，要求所有设施和仪器最大限度的智能化和自动化，尽可能多地使用机器人。考虑到距离地球遥远、运输困难、施工不易等因素，全部建材和设施都应力求模块化、系列化和组合化。

第二步，有计划地向火星发射多艘载人和货运飞船，并着陆于选定的基地地点，从实地勘测、清理场地开始进行基本建设的施工。有些建筑材料可能就地取材。同时还需要从地球上向火星发射通信卫星，最好是定点于基地上空火星静止轨道上的相应位置，与地面深空网组成互联网系统，以保证人员在基地任何地点都能保持与地球的通信联系。

第三步，通过大约8年时间的建设施工和多批航天员登陆火星，逐步建成火星永久基地。该基地可能像一个大超市那么大的规模，由航天员生活区、日常工作场所、移动火星车、科研仪器设备、多种专用机器人、电力供应和通信系统等部分组成，在地球物资供应和补充不中断的情况下，可以保障多名航天员在火星上长期居住。

开发火星资源

建设火星永久基地，无疑是航天史上的空前壮举。在建成火星永久基地后，将不断扩大所属范围，陆续完善其功能，增加工作人数，以逐步开发和利用火星资源。通过分析火星土壤和岩石

样品已知，火星表面物质主要化学成分及其所占比例是：氧化硅占44.7％；氧化铁占18.2％；氧化镁占8.3％；三氧化硫占7.7％；三氧化二铝占5.7％；氧化钙占5.6％；氧化钛占0_8％；氧化钾占o.1％。由于火星表面土壤中氧化铁和铁矾土的含量很高，因而使得火星表面呈现茶红色。火星含有多种元素，其重量百分数为：硅占20％；铁占12％；镁占5％；钙占4％；铝占3％；硫占3％；氯占o.7％；钛占O.5％；钾占O.2％。此外，还有铷、锶、钇、锆等稀有元素。由此可见，有些元素极具开发价值。

鉴于火星有大气层，虽然大气稀薄，但仍可考虑在扩大了的基地上开设航空工厂，制造适宜火星大气的飞机，以便对火星进行大面积的高效快速探测。这种飞机可分为两种：第一种是巡航机，从基地机场起飞，以每小时数百千米的速度在距离火星表面约10千米的高度上飞行，可对火星的大气、磁场、重力、地质、火山等进行巡视探测。第二种是直升机，能够载人到预定地点进行小范围的实地考察，还可以向火星表面适当地点放置气象站、震动仪等固定设备，组成探测网。当然，这两种火星飞机也可以作为两个火星基地之间人员交往的工具使用。

由于火星大气稀薄，各种宇宙信息可以相对较多地到达火星表面，因此在拓展了的火星基地上建立天文台，能对太阳系、银河系以至宇宙深空进行更清晰的观测，能发现和揭示更多的宇宙奥秘，能加速天文学的前进步伐，能更容易地寻找太阳系外类地行星和地外文明。

既然火星上有水和大气，温度也适合存活生命，在火星基地上人们肯定会尝试在合适的地域试种植物，尤其是粮食和蔬菜作物，一旦获得成功，将会不断扩大试种范围，让多种多样的植物在火星上开花结果，繁衍后代，逐渐改变火基的环境，为人类向火星移民创造条件。

从航天技术强劲发展和人类开拓天疆的强烈愿望的角度来看，火星的物理性质及轨道参数及体积、质量、所处位置等也是一种天然的宝贵资源，对开展太空探索活动具有重要意义。火星引力仅为地球引力的38％，故从火星表面发射载人航天器到其他星球成本要低得多。同时，把火星上的水分解成氢气与氧气以后，可以冷冻成液氢和液氧，成为运载火箭的燃料。由此可见，火星永久基地亦可扩建为开展宇宙航行的中途站。当然，这也有利于开展火星旅游观光活动，并形成一种新的产业。虽然这是多年以后才能实现的飞天理想，但却激励着现代航天人向此目标步步逼近。到那个时候，火星上将竖立起巍峨的火箭发射塔和成龙配套的厂房设施，还有测控网、着陆场等缺一不可的系统工程，火星表面将会出现越来越热闹的景象。