载人登陆火星风险重重 男女混合编队最适宜

2013-05-15 10:58:48  来源:北京日报

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  未来的载人火星基地一景(想象图)。

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  美国早期设想的载人火星飞船方案之一。

  新闻背景

  今年以来,先后有荷兰“火星一号”公司、美国“灵感火星”基金团队宣布在全球海选飞往火星(项目)的志愿者,前者还在日前来到上海招募火星永久定居者。据悉,有包括许多中国人在内的全球数万名志愿者已经报名参加。5月6日,美国航空航天局也召开新闻发布会,公布了令人瞩目的2030年前后载人登陆火星计划。

  曾经多次“纸上谈兵”

  20世纪,人类实现了载人登陆月球,此后就开始考虑载人登火星的问题,其中以美国最为积极,先后出台过四个比较有影响的载人登火星方案。

  1952年,美国火箭专家冯·布劳恩提出了“火星舰队”方案,即发射10艘载人火星飞船,将至少50名航天员送到火星上去,但那时连卫星都没有发射过,所以该方案也就不了了之了。

  1987年,美国航空航天局组织一个空间委员会,提出了“90天研究报告”方案,建议耗资4500亿美元,建造1000吨重的载人火星飞船(目前的“国际空间站”才420多吨),它可乘7至8名航天员。由于费用高昂,该方案当即就被美国国会否决了。

  上世纪90年代初,美国火星学会提出了“火星直航”方案,它采用就地取材的方法,利用火星大气生产火箭推进剂,耗资只有200亿至300亿美元,能将4名航天员送到火星表面。该方案还是没被采纳,可能是当时美国正全力研制“国际空间站”,且就地取材的技术难度太大。

  1997年,美国航空航天局火星探测研究组又提出了“参考飞行”方案。它是“90天报告”和“火星直航”方案的一个折衷方案。不过,该方案仍没有被采纳。

  在当今,不要说载人登陆火星,就是进行无人探测火星也充满了风险。目前,全球一共发射了约43个火星探测器,只有26个获得成功,成功率约60%,所以火星被称之为“航天器坟场”。而要进行载人探测或登陆火星就必须克服更多的困难。

  火箭个头要足够大

  冷战时期,美苏曾在载人登月领域开展过激烈的竞争,苏联之所以最后败北,就是因为发射其载人登月飞船的N1重型运载火箭4次发射失败,而美国用土星5号重型火箭(近地轨道运载能力约127吨)多次成功发射质量约50吨的“阿波罗”载人登月飞船。载人火星飞船的质量必然大于载人月球飞船,所以首先需要研制出比土星5号火箭推力还大的重型火箭才行。

  当然,也可采用新的方法——研制近地轨道运载能力60吨左右的火箭,用它分批发射载人火星飞船的各舱段到近地轨道,交会对接成完整的载人火星飞船后飞往火星。但这会增加载人火星飞船的成本和技术难度,对接次数也不能太多,否则会影响飞船的可靠性。

  现在,美国私营的太空探索技术公司正研制近地轨道运载能力达53吨的“重型猎鹰”火箭,还拟研制近地轨道运载能力达170吨的“超级载重火箭”。美国航空航天局则正在研制“航天发射系统”重型运载火箭,其初始近地轨道运载能力为70吨,改进后将达到130吨。

  美国曾计划研制名为“普罗米修斯”的核动力载人火星飞船,它的飞行速度为87000千米/小时,是目前载人飞船速度的3倍,用2个月的时间就能到达火星。不过,当时的核动力火星飞船方案存在巨大安全隐患,它使航天员所受的辐射量相当于每天做8次X光胸透,所以下马了。不过,随着技术的发展,美国、俄罗斯现在又重启核动力载人火星飞船的研制。

  飞船性能要足够强

  目前,人类只研制出绕着地球运行的卫星式飞船和飞往月球的登月式飞船,但还没有打造出载人登陆火星的星际式飞船,因为它的技术难度和成本大大高于前两者。

  有不少专家认为,载人登陆火星最大的困难之一是宇宙辐射。人在地球上生活时,由于地球磁场有屏蔽作用,所以能把银河宇宙辐射的强度降低70%至90%。人即使在地球近地轨道上飞行,所乘坐的载人航天器也能受地球磁场的屏蔽作用,使航天员受到的辐射剂量较低。但在行星际空间飞行的载人火星飞船则要受到大剂量宇宙辐射,如果不加防护装置,航天员所受的辐射剂量可高达几百拉德。现有两个解决方案,一是加厚火星飞船的舱壁,其最大缺点是飞船质量太大,给发射带来巨大困难;二是在火星飞船四周产生人工强磁场,使射向火星飞船的辐射粒子偏离,其缺点是技术十分复杂,目前极难实现。

  由于路途遥远,来往火星至少要520天,因此,飞船要解决人身保护和空气、饮食供应等许多难点。目前能够想到的方法有三:一是由地面带过去,包括先用货运飞船把生活用品发到预定着陆地点;二是采用再生式生命保障系统,对航天员的尿液、汗液、呼出的二氧化碳进行回收处理,循环使用,并在舱内种植能放出氧气、吸收二氧化碳的蔬菜,以减少地面运输的压力;三是就地取材,生产航天员生活和工作所需物资,包括分解火星大气,使用3D打印机生产火星飞船的零部件等。另外,还需为火星飞船长途航行提供可靠的动力。

  着陆、返回都是难点

  飞船在火星着陆时要经历“恐怖的7分钟”,好在火星有大气,可以利用降落伞减速。

  着陆后首先要解决能源供应,因为火星比地球离太阳远得多,靠太阳电池供电难以满足需求,而且火星的沙尘暴是地球12级台风的几倍,持续时间达几个月,容易覆盖太阳电池而严重影响其工作,所以光靠太阳电池供电难以满足需求,如用核电源则存在如何保证航天员的安全性问题。火星沙尘暴对火星着陆器和舱外火星服密封性、可靠性也是一个考验。另外,火星上的温度比地球低许多,这对火星着陆器温度控制系统提出了很高的要求;当然,这也涉及到着陆地点的选择,如果把着陆器停在洞窟里,就能冬暖夏凉并防宇宙辐射,但会给着陆的安全性带来麻烦。

  火星引力是地球的约1/3,在地球轨道使用的舱外航天服(120公斤)以及月球航天服(引力为地球的1/6)都无法在火星上使用,所以必须研制出功能强、质量轻的火星航天服。

  从火星返回地球更为不易,因为火星引力较大,火星着陆器的上升级必须有较大的推力才行;火星飞船返回地球时的速度也比登月飞船快得多,所以难度大增,要严格控制进入地球轨道的角度和速度及时机,否则不是掠过地球就是坠毁在地球上。

  延伸阅读

  航天员得是“铁人”

  男女混合编队最适宜

  有人说,在未来的载人火星飞行中,任务成败的关键不在于能不能设计出可安全飞往火星的飞船,而在于能不能选拔和训练出能够完成这项任务的航天员。

  在飞往火星途中和到达火星后,航天员长期处于微重力和低重力状态,会出现肌肉松弛或骨质变轻等太空综合症。虽然可以用吃药和锻炼等方法缓解这一影响,但目前仍然没有令人满意的解决方法。克服失重不利影响的最好办法就是用人工的办法产生重力,但是由于技术上的困难,目前在航天中还无法采用人工重力作为防护措施。

  就目前的技术水平而言,航天员到火星一个来回至少需要约520天。在这样长的时间里待在一个狭小的环境中,对于火星航天员的生理和心理等来说都是极为严峻的挑战,尤其是心理。火星航天员能不能保持正常和稳定的心理状态将火星旅行坚持到底,取决于航天员的心理选拔。

  研究表明,去火星必须是由4或6人等偶数组成的乘员组,以免交谈中孤立出1人来。如果火星乘员组是由4人组成,其中1名是有驾驶航空器或航天器经验的驾驶员,1名是懂心理、妇科、牙科等的全科医生,1名是会修理飞船的全能工程师,还有1名是懂气候、地质的全才科学家。如果由6人组成,则其中应该有2名工程师航天员和2名科学家航天员。另外,男女混合编队比清一色的男性航天机组更有利于长期火星任务的完成,在这里最重要的是团队精神。

责任编辑: 房小葵
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