資料來源：科技日報
2004年9月30日
9月15日，美國宇航局“表面探索任務”負責人湯姆遜在秘魯首都 利馬參加“採礦工程師會議”時說：“如果科學家在火星上找到了 水，在未來20年來至30年內，人類就將能登上火星。只有在火星上 找到了水源，我們才能為火箭補充所需用水。” 他還稱：“科學家們已經在火星上發現了大峽谷，那裏顯然仍然存 在水。” 這些話再次引起了人們對載人上火星問題的關注。那麼，究竟何時 才能選派航太員登臨火星呢？ 俄歐美各有計劃 早在多年前，科學家就開始研究人類登陸火星問題了。 1998年9月14日，俄、美、日和歐洲航太界代表曾在莫斯科開會， 就這一問題進行了認真研討。 當時，專家們認為，從已經進行的科學實驗和未來能夠研製的科研 設備來看，人類可能在2015年第一次登上火星。考慮到人上火星遠 比踏上月球困難得多，與會代表認為擬分四步實施。 第一步，2005年可向火星發射幾艘自動探測飛船，投石問路。第二 步，2012年可由無人宇宙飛船在火星表面著陸，驗證可行性。第三 步，2014年末之前建成重400噸－800噸的火星軌道站，環火星運行 ，該站由生活艙、服務艙、對接艙、著陸艙和動力裝置組成，主要 發揮中轉作用。第四步，2015年載人宇宙飛船從地球空間站出發， 飛馳數月抵達火星軌道站，並與之對接。然後，航太員換乘著陸艙 在火星上登陸。航太員在火星上完成考察任務後，先回到軌道站， 再乘宇宙飛船返回地球。 不言而喻，這是一項龐大的系統工程，不僅需要綜合應用當代高新 技術成果，而且需要國際合作。儘管此一方案後來未能得到實施， 但卻啟發了航太專家們的思路。 航太技術實力強勁的俄羅斯，雖然面臨財力不濟的困境，但是登臨 火星的雄心壯志猶存。2003年俄航太官員宣佈，將在2015年前派6 人小組登上火星。實現這一計劃，需耗資400億美元，飛行時間約 440天。為此，俄將於2005年進行由6名志願者參加的模擬火星載人 飛行的持續500天的封閉生存實驗。實驗裝置內有廚房、幾間臥室 和幾個實驗室，容積都很小，以使參加者磨練心理，減少運動，並 對水和氧氣進行回收和利用，還要在小型溫室中種植蔬菜，以充實 食品供應。 歐洲空間局提出的“極光計劃”，也對派人上火星作出了時間安排 。他們準備在2014年前將首份火星樣品送回地球，2026年透過自動 機械裝置登臨火星，驗證派人登陸火星的各主要階段所遇到的問題 和解決辦法，最遲到2033年實現載人登火星的飛行。與此同時，法 國太空局已開始挑選25名女性“火星人”志願者，將於今年到位於 圖盧茲的太空醫學學會的模擬失重狀態的實驗艙接受訓練。她們將 頭部朝下在6度斜床上躺3個月，以適應航太員乘飛船飛往火星時的 正常姿勢。未來首次登陸火星的航太員很可能就在這些後續實驗者 中選出。 美國宇航局早在16年前就提出了“人類登陸火星”設想。預計從地 球到火星的載人飛行將花費4500億美元，需要建1艘約100米長的核 動力宇宙飛船，裏面裝上足夠航太員往返火星途中所必需的各種生 活用品和運行燃料。近幾年來，該局又提出包括利用火星兩個天然 衛星做登陸火星中轉的多種可行性報告，且認為有望在2015年前後 登陸火星。此外，美國宇航局還準備同歐空局和法國太空局合作， 在南極進行多種“人類適應太空”實驗，以檢測人在“失重、孤獨 和幽閉”狀態下的身體反應。 而最具權威的說法，乃是美國總統布希於2004年1月14日宣佈的將 派人最早於2015年再次登月、建立太空基地、將在2030年之後把航 太員送上火星的計劃。雖然有些航太專家認為，人上火星不需要月 球做跳板，可從升空的穿梭機上發射載人飛船即可，但是，飛往火 星的時間看來要推到30年以後。湯姆遜最近發表的樂觀看法，只是 一家之言，並非美國政府的決策。 火星之旅困難重重 人類遠征火星是充滿艱險的進取，面臨著必須克服的眾多難題。 一是飛行動力的問題。儘管為了節省推力，載人飛船飛往火星採用 外切地球公轉軌道、內切火星公轉軌道的最小能量霍曼軌道，每26 個月才有一次發射機會，但是路途遙遠，飛行時間達半年以上，除 發射升空需要強大運載動力外，還需為飛船長途航行提供可靠的動 力。同時，著陸火星後還要解決能源需求問題。目前的辦法是利用 太陽能電池板，但其穩定性仍令人擔憂，尚需考慮使用核能裝置。 二是人身保護和空氣、飲食品供應問題。航太員在乘船飛往火星過 程中，太陽風暴和宇宙射線風暴常會持續數日之久，這就需要加強 太空天氣預報能力和改進各種防護設備。同時，在路途上和到達火 星後，都需要保證航太員對氧氣、飲水和食品的需要。 三是人體必須適應新的環境問題。飛往火星途中，航太員長期處於 微重力狀態，會出現肌肉鬆弛或骨質變輕等太空綜合症，而能活動 的空間又很小，使這一問題更加嚴峻。到達火星後，火星的平均氣 溫為零下23℃，晝夜溫差遠大於地球，大氣稀薄而乾燥，引力僅為 地球的1／3,這都是對人體的挑戰和考驗。 四是著陸火星和實時聯絡問題。登臨火星實際上也是飛船進入火星 的技術問題，要經過離軌、過渡、進入大氣層和軟著陸四個階段， 儘管時間不長但危險性很大。由於地球與火星距離遙遠，無線電信 號單程傳輸需要10多分鐘，故而航太員無法獲得地球控制中心的及 時幫助，必須依靠飛船的自動控制設備和自己的知識、經驗來解決 遇到的問題。著陸火星後，還需要保證與地球的正常通訊聯繫。 亟待突破的技術問題 1999年，在美國馬薩諸塞州工藝研究所舉行的研討會上，專家們指 出，前往火星必要的各項工藝實驗已經完成或者接近完成，在太空 獲取氧氣和為飛船提供動力兩大難題已基本解決。從火星大氣中分 離氧氣的方法已被掌握，能夠節省大量燃料的離子火箭發動機已經 出現。同時，俄美兩國正在地面的封閉艙裏訓練航太員如何在長期 的太空飛行中生活和從事科學考察。事實上，俄航太員波利亞科夫 早已在和平號空間站上創造了連續飛行438個晝夜的記錄。航太員 在和平號空間站上進行了數十次航太器成功對接，試驗了生活和工 作保障系統，並已研製出生產水和氧氣的閉合系統工藝，現代醫學 水準亦可保證人在失重狀態下停留兩年之久。這一切都為人類登上 火星進行了有益的探索。 話雖如此，但這都是載人近地軌道飛行最遠也就是登月飛行的經驗 ，終究還不是人上火星的實踐。考慮到載人飛往火星和返回地球的 絕對安全性，當前尚需亟待突破下列技術難題。 首先是發射難題。鑒於在火星上製造氧氣和火箭燃料尚無直接經驗 ，載人飛船必須攜帶往返飛行和滯留火星期間所需的全部物資，因 而其總重必然大於45噸的阿波羅登月飛船。這樣一來，如果是從地 面直接發射，需要研製比土星5號火箭推力還要大的運載火箭；如 果是近地軌道發射，目前的最大載重30噸的穿梭機亦難勝任，何況 2010年前該機將停止飛行；如果是送到空間站上組裝後發射，30年 後現在建設的國際空間站業已報廢，需要建設新的大型空間站和運 送部件的航太器；如果是從月球上發射，需要在2015年或2020年開 始建設月球基地，使其能夠承擔組裝和發射飛船的任務。以上幾種 技術途徑，無論選擇哪一種，其工作艱巨性都是空前的。 其次是載人飛船安全著陸難題。飛船著陸艙從離軌到登陸火星過程 中，因為不能由地面指揮中心進行實時控制，也不能像“勇氣”號 那樣接觸地面後靠氣囊緩衝多次彈跳，故而要求自動控制裝置工作 必須絕對可靠，降落傘面積要足夠大，制動火箭性能非常穩定，還 要防止火星風暴的干擾。著陸艙擬分下降段和上升段，下降段落地 時要有緩衝裝置，上升段需要帶升空火箭。航太員完成考察任務後 ，將乘上升段飛行到軌道上與飛船對接，再返回地球。解決這些難 題要比解決無人航太器軟著陸火星困難得多。 再次是返回地球難題。飛船從環繞火星軌道轉移到奔向地球的霍曼 軌道，同樣需要把握出發時機，其制導系統和推進系統工作必須穩 定可靠。在返回地球飛行過程中，飛船要及時接收地球指揮中心的 遙控指令，適時調整姿態並保持正確航向。當飛船進入地球軌道後 ，要與地球指揮中心相配合，準時釋放返回艙。航太員將乘坐返回 艙，完成從離軌到著陸的回收任務，這就要求返回艙攜帶的控制和 通訊設備、降落傘和制動火箭在440天之後，工作性能仍處於良好 狀態。顯而易見，這比對近地軌道載人飛船和登月載人飛船的回收 要求更為嚴格，研製這些設備遇到的問題也更為複雜。 從目前人類達到的科技水準來看，這些難題都可以逐步解決，關鍵 是需要投入大量資金和眾多專家集智攻關。有鑒於此，30年後人上 火星的安排，還是比較實際的。 選派航太員登陸火星是人類開拓天疆的偉業，意義重大，影響深遠 。一旦圓了這個飛天夢，那無疑是人類發展史上破天荒的偉大壯舉 。（尹懷勤） |