互动科普

怎样飞往火星

专职作家George Musser和Mark Alpert介绍了载人飞行任务的诸多设想。

飞往火星是件让人望而生畏的事儿。火星离地球至少有8000万公里之遥，而往返则需要数年时间。然而科学家和工程师表示，他们已经能解决载人飞行任务所带来的主要技术问题，最大的障碍只是开销巨大。

人们对火星任务费用的估计可以概括为一个重要数字——航天器的质量。较轻的航天器需要较少的燃料，而燃料是空间飞行中最大的单项开支。筹划火星任务的历史在很大程度上是一部以不过度放弃安全性和科学性为前提减小航天器重量的历史，1952年，火箭的先驱者Wernhervon Braun打算用传统的化学火箭来推进一个航天器，起飞时的重量为37200吨。但是仅仅只是把这些航天器送入地球轨道就要花费数千亿美元。从那以后，筹划者通过采用更有效率的核火箭或电磁火箭、削减宇航员人数或降低冗余度，以及在火星上制造燃料等方式来压缩开支(见图1的图表)。

目前花费最少的发射任务是直登火星计划，估计花费的启动资金为200亿美元，分摊在10年的时间上，每次发送任务另加20亿美元(见本期“直登火星计划”一文)。美国国家航空航天管理局(NASA)自身的计划是“设计参考任务”(design reference mission)，该计划采用了直登火星计划的许多思想，但花费大约为直登计划的两倍，多余花费用于附加的安全措施和更多的宇航员(6个而不是4个)。

NASA的最新计划(见图2)需要三个航天器：其一是无人驾驶货运着陆器，它运送上升推进器和推进剂装置到火星表面；其二是无人居住舱着陆器，它进入火星轨道；三是宇航员运送飞行器(CTV)，如果前两个航天器都成功到达，那么在首次发射之后26个月，火星与地球的位置回复到同一直线上时，CTV开始出发。CTV将宇航员运送到火星，在那里同居住舱着陆器会合。宇航员换乘航天器后下降到火星表面，停留500天再乘上升推进器返回，之后等候在轨道中的CTV把他们送回地球。每隔26个月一组三个航天器就出发，最终建立起永久居住地的基础结构。

估计这些计划所花的费用比国际空间站或者阿波罗计划少些，可是NASA并非总是遵照费用估计来执行计划，为此许多火星爱好者组织起来(如火星协会、全国空间协会)寻找新途径来进行空间计划。

发展得最为完善的计划当数Think Mars(来自麻省理工学院和哈佛商学院的学生团体)的方案.他们打算成立一个盈利性公司来管理火星计划，把不同的任务承包给私营公司和NASA研究中心。实际上，美国政府和其他政府将以优惠价在火星航天器上购买座位和货载空间，只差额将通过卖出广告权和媒介报道权、以及转让技术副产品的方式来得到补足。

研究人员业已表明人类发送任务在技术上是可行的，现在，火星爱好者需要赢得美国公民、政客以及商业大亨的支持。

发射与组装

在发送人上火星的所有计划中，关键的第一步是将航天器送入低地轨道(200公里到500公里高度)。基本问题是任何使用当前推进技术的载人航天器都需要大量的燃料供应才能到达火星，因此航天器变得极其笨重：至少130吨，也可能两倍于这个数字。目前使用的运载火箭没有一个能把如此笨重的航天器送入轨道。航天飞机和重型火箭(例如泰坦4B)的最大有效载荷低干25吨。并且，在当前发射费用高达每吨2000万美元的情况下，火星航天器的造价将昂贵得惊人。

宇航公司正在开发更多具有成本效益的火箭(例如Delta 4)和可重新利用的运载火箭(例如探险星)，但是它们都不能提升重达130吨的负载。阿波罗时代土星5号运载火箭以及前苏联开发的Energia推进器可以完成此提升工作，但恢复两种火箭的生产都是不实际的。因此，火星航天器极有可能不得不选择分级发射，然后在轨道上组装，最好是通过能从地面控制的对接操作来完成这些任务。(在国际空间站组装航天器的效率不高，因为空间站的轨道倾角为51．6度，根据弗罗里达卡纳维拉尔角发射设施的情况来看，最容易的方法是把负载推进到倾角为28．5度的轨道中)一旦火星航天器组装完成，航天飞机就可运送宇航员到航天器中。

为了简化组装过程，必须使发射次数和轨道会合次数达到最少，拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔空间飞行中心的工程师设计了一枚名叫Magnum的火箭，它能把重约80吨的航天器推进到轨道中。从而可能采用仅需两次升空的130吨火星航天器(与其它运载火箭的比较请参见下图)。设计Magnum的目的是利用和航天飞机相同的发射台和固体燃料推进器。航天飞机的推进器将连接在一枚新的两级火箭上，该火箭由3个俄罗斯设计的RD-120引擎推动。Magnum火箭能够运载28的吨有效载荷，它的上级外板也可作为火星航天器的挡热板使用。

由于Magnum使用现有的推进器和发射设施，因此所花费用相对低廉，开发过程大约用去20亿美元，每次发射每吨需要花费2百万美元，这个数字仅相当于航天飞机的费用的千分之一。并且，正如宇航工程师Robert Zubrin所计划的那样，也许可以用航天飞机的部件创建一枚更有威力的运载火箭，这枚被称为Ares的火箭将采用大推力的上级引擎把载人航天器接送上火星轨道。

推进系统

怎样才能把载人航天器从地球轨道推进到火星呢?研究者正在考虑几种方案，而每种方案都有自身的优缺点。基本方案是在火箭的推力和燃料使用效率之间作一个折衷。大推力系统就像野兔：加速较快但消耗的燃料总量更多。小推力系统则像乌龟：加速时间较长但节省燃料。这两种系统可以用于单个任务的不同阶段。大推力火箭能够迅速运送宇航员，而小推力火箭可以较慢地运输物品或者无人驾驶飞行器。

化学火箭

到目前为止发射的几乎所有航天器都依靠化学火箭引擎来推动，此引擎通常燃烧氢和氧，靠膨胀燃气体来产生推力。这项技术已经经过验证，它产生的推力比其它大多数技术产生的推力都要大，但效率却不够高。化学火箭需要耗费大量燃料才能将载人航天器送入火星轨道。在一项要求233吨重的航天器的设计中，启动这段飞往火星的旅程需要火箭携带166吨液氢和液氧。火箭的7个RL一10引擎(许多美国火箭采用的古老设计)被安排在3个推进级中。第一级把航天器推进到椭圆形高地轨道，第二级将航天器送入火星轨道，第三级则在任务结束后把航天器送回地球。每级在燃烧数分钟后被丢弃。

核热火箭

在20世纪60年代的Rover／NERVA项目中，美国政府制造了核热火箭并作了地面试验。该火箭的引擎通过让液氢流过固态核反应堆而产生推力。氢被加热到2500摄氏度以上，然后以高速从火箭排气管中排出，核热火箭每千克燃料产生的总推力两倍于最好的化学火箭，其反应堆还能为航天器产生电力，包含3枚核火箭和约90吨液氢的载人航天器重达170吨，它可在6、7个月后到达火星。然而，最大的困难是公众反对将核反应堆放入太空，这也是其它许多推进系统面对的问题。NASA几乎已有10年没有为空间核反应堆研究注入资金。

离子推进器

离子推进器首次开发于20世纪50年代，它是使用电场(而不是热)来喷出燃料的若干种技术之一。气体燃料(例如铯或者氙)进入一个小室，随后被电子枪(与电视屏幕和计算机显示器的电子枪相似)电离。一对金属栅极上的电压将阳离子分离开来，以使阳离子射过栅极到达外层空间，同时，处于引擎后部的阴极大量放出电子使之进入离子流，这样航天器就不会积累负电荷。恰好在一年之前，“深空1号”探测器对该系统进行了首次星际实验。此系统消耗了25千瓦太阳能，产生了一个微小但稳定的0.1牛顿推进力。不幸的是，栅极既能加速粒子又能阻碍它们，可能不能按比例增强到载人火星任务所需要的兆瓦水平。同样，大型离子驱动器可能需要从核反应堆中获取能量，而能产生大约100千瓦以上能量的太阳电池板却可能过于笨重。

霍尔效应

和离子驱动器一样，霍尔效应推进器也使用电场来发射带正电的粒子(一般是氙)。不同之处在于推进器产生电场的方式。首先它的环形磁铁产生一个径向磁场，此磁场使电子沿环形磁铁作环绕运动。然后电子的运动产生一个轴向电场。该系统的优点是它不需要栅极，这使得它比离子驱动器更容易按比例增加功率。该系统效率较低，但可以通过增加第二级推进器的方式提高效率。从20世纪70年代以来，霍尔效应推进器一直广泛使用于俄罗斯卫星上，最近这项技术在美国也赢得了支持者。最新的系统(一个美国一俄罗斯联合项目)消耗约5千瓦电力，产生0.2牛顿的推进力。

磁等离子动力火箭(MPD)

MPD火箭使用磁场而不是电场来加速带电粒子。它包含一个管道，此管道由一个阳极和一个延伸到中部的棒形阴极构成，这两个电极之间的电压使燃料电离，产生径向流动的强电流，电流穿过气体井沿阴极流动。阴极中的电流产生一个环形磁场．磁场与气体中的电流相互作用，使粒子在垂直于电流和磁场的方向上加速运动——也就是轴向远动。燃料可以是氩、锂或氢，三种燃料的效率依次由低到高增加。NASA曾对MPD发生断断续续的兴趣，几十年后，NASA在去年恢复了MPD的研究工作。NASA沿用普林斯顿大学以及俄罗斯、日本、德国各研究机构的成果，创始了1兆瓦的样机，这种样机中的电流为2毫秒的脉冲。

脉冲感应推进器(PIT)

NASA正在重新审查的另一项技术是PIT。PIT依靠一系列迅速发生的反应过程(就像MPD中发生的一样)来产生垂直的电场和磁场。最开始喷嘴喷出一般气体(通常是氩)，气体扩到到一个约一米宽的盘形线圆表面。接着，一组电容器把大约持续10微秒的电流脉冲发射入线圈，该脉冲产生环形电场，电离气体并驱使粒子在恰好与最初电流脉冲相反的方向上旋转。由于粒子运动方向与磁场方向垂直，因此它们被推出到外部空间。PIT与其它电磁驱动器不同的是，它不需要易于损耗的电极，它的功率可以随着脉冲频率的增大而按比例增加，在1兆瓦系统中脉冲产生的频率为200次/秒。

VASIMR

可变比冲量磁等离子火箭(VASIMR)填补了大推力系统和小推力系统之间的空白。燃料(通常是氢)先被射频波电离，再被导人一根贯穿后磁场的中心管道。管道中的粒子以一定的固有频率固绕着磁场线旋转。用相同颇率的射频波轰击粒子，系统可将粒子加热到1千万度。磁喷嘴把粒子的旋转运动转换为轴向运动，从而产生推力。飞行员可以通过调节加热方式和磁扼流器来控制位于排放率。这种结构类似于汽车变速器。关闭扼流器，火箭转换到高速挡，排出的粒了数减少(因此推力减小)，然而粒子保持着高温(从而维恃着高速排放)。打开扼梳器，火箭则转换到低速挡，推力大但效率低。航天器可使用低速挡和补燃器爬升出地球轨道，然后切换到高速档开始星际漫游。NASA计划在2004年对一枚10千瓦火箭进行试验性飞行，而飞往火星任务需要的火箭为10兆瓦。

太阳机

常见于科幻小说中的太阳帆使推力和效率之间的折中达到了极端。它由轻微的光压(微弱但不要钱)推动。如果要在一年内把25吨的物品从地球送到火星，太阳帆的太小至少应为4平方公里，其材料的密度必须在每平方米1克左右。现在的碳纤维差不多就有这么小的密度。下一个颇具挑战性的问题是如何展开如此庞大而脆弱的结构。1993年，俄罗斯空间赛艇组织展开了300平方米的"旗帜"空间反射镜，可是往去年的第二次测试中它被缠绕起来了。近来NASA为磁帆”提供了资金，磁帆类似于“旗帜”空间反射镜，它用来捕获太阳风(从太阳流出的带电粒子不是阳光)。

采用哪条路线?

“合”类轨道

对于大推力火箭来说，能最高效地利用燃料飞往火星的方法是霍曼转移。所用轨道是椭圆形的，恰好与地球和火星的轨道都相切，因而最大限度地利用了两颗行星自身的轨道运动。当火星的运行位置处于地球的运行位置之前，并且大约成45°角时(这种情况每26个月发生一次)，将航天器发射出去。航天器向外层空间运行，它赶上火星时的位置刚好与地球发射航天器时的初始位置隔着太阳遥遥相对。天文学家把这种行星位置称为“合”。而宇航员要返回地球，就得等到火星的运行位置处于地球运行位置之前约75°角时，沿内弧线发射出来，让地球来追赶航天器。

每个航段都需要两次加速。如果航天器从地球表面出发，那么其速度急增到每秒11.5公里左右时航天器就可克服地心引力，进入转移轨道。或者如果航天器从低地轨道开始发射，由于航天器在那里的运行速度已经很高，因此航天器只须使速度每秒增加3.5公里左右就能进入转移轨道(航天器从月球轨道发射时，需要的推进力更小，这就是月球之所以在早期探测计划中占据重要位置的原因之一。然而目前大多数计划都撇开了月球，认为到月球是一段不必要、且花费昂贵的弯路。)到达火星时，航天器必须使用减速火箭或空气制动使各级每秒速度减少2公里才能进入火星轨道，或是每秒速度减少5.5公里才能登陆。返回航段则将顺序颠倒即可。

整个旅程通常需要2年半以上的时间：每个航段费时260天，火星上停留460天。实际上，因为行星轨道呈椭圆形，并且是倾斜的，所以最优轨道可能稍短或稍长。诸如直登火星计划和NASA参考任务之类的主要计划对“合”类轨道情有独钟，但它们采用了适量的备用燃料，这缩短了航程时间。如果规划严密，也可确保航天器在发动机失灵后仍然能自然飞回地球(这与阿波罗13采用的策略相类似。)

“冲”类轨道

为了缩短航程，NASA的设计人员通常会考虑“冲”类轨道，这是因为在任务设计的某个时刻地球的位置离火星最近——天文学家称之为“冲”。航天器在此轨道中行进时要求额外的加速。一般情况下航程要花费1年半时间：飞往火星用去220天，呆在火星上30天，返回过程用去290天。返回时，航天器朝太阳接近，或许绕金星变轨，再从后面接近地球。也可以反转顺序使得发送航段更长。尽管“冲”类轨道已不受欢迎，看起来旅程是如此漫长，而在火星上停留的时间是如此短暂，但在航天器不停歇地往返于地球与火星之间时，它可以用于超级功率核火箭或“循环飞行器”系统。

小推力火箭

小推力火箭(如离子驱动火箭)节省燃料，但它的功率太小，无法一次性地摆脱重力的束缚。小推力火箭必须缓慢地扩展轨道，就象汽车沿之字形行驶到山顶一样向外盘旋上升。达到第二宙速度可能需要1年的时间，这样宇航员将长期暴露在环绕在地球周围的范艾伦辐射带的辐射之下。一种办法是只使用小推力火箭运送货物，另一种办法则是把无人航天器运送到达到第二宇宙速度的地方，将宇航员渡运上类似于航天飞机的“太空的士”(space taxi)，然后点燃另一枚火箭走完到火星最后的路程。第二枚火箭可以是大推力火箭，也可以是小推力火箭。一项有关小推力火箭可能性的分析表明，一枚脉冲感应推进火箭点火达40天，沿轨道飞行85天，在到达火星后再点火20天。

VASIMR发动机提供了另一种选择。它能在保持低速档(推力适中但效率低)的情况下用30天时间盘旋飞出地球轨道，余下的燃料则防止宇航员免受辐射之害。然后星际航行花费85天时间。头一半航程中火箭加速飞行，到达航程中点后开始减速。航天器的一部分一到火星便脱离航天器并登陆，而其余部分(包括用于返程飞行的舱)则飞过火星，继续减速，在131天后进入轨道。

星际航行

从宇航员的安全来看，在飞往火星的旅程中，没有什么比航天器的生命支持系统更加重要了。休斯敦NASA约翰逊航天中心的研究人员已经在着手提高系统的效率和可靠性。宇航员志愿者在一个密闭舱(设计它是为了对回收利用水和空气的新技术进行试验)里呆了3个月，实验除采用了物理方法和化学方法之外，还演示了生物再生，例如，把宇航员排出的固体废物处理成化肥，供小麦生长使用，而小麦又供给宇航员氧气和新鲜面包。

同时，科学家也正在研究如何能持久处于零重力状态对人体健康造成的影响变得最小。宇航员在地球轨道中度过几个月后，其骨骼质量损失巨大，且有其它健康问题(见本刊1998年12期Ronald JWhite的"人体与失重"一文)。避免中骨骼损失的方法之一是使火星航天器在星际间航行时缓慢地旋转。有几个方案都计划使用绳索连接宇航员密闭舱和平衡物(例如用过的火箭级)。环绕一个长340米的自旋臂作每分钟1次的旋转，可以模拟火星表面的0.38g的力。如果把旋转速率增加1倍，就可把所需要的自旋臂缩短为原长的1/4，但却使科里奥利力对宇航员的影响变得更大(当宇航员在航天器内移动时，科氏力使得宇航员摇摆不定)。但是，火星任务的策划者并非热衷于让航天器在飞行中产生自旋这一方案，因为它将使操作过程和通讯过程复杂化。医学研究人员也正在考虑用如运动系统、饮食补充、离心椅之类的方法。

辐射是研究人员关注的另一个问题。宇航员暴露在两种辐射之下:一种是宇宙射线，即不断流经银河系的高能离子，一种是太阳耀斑，即太阳周期性喷发的密集质子流。宇宙射线的能量比太阳耀斑质子流的能量高，因此前者比后者更难于阻挡。太空中的宇航员每年吸收的辐射量为75雷姆。如果航天器上有一堵6厘米厚的铝墙抵挡辐射，那么宇航员吸收的辐射将降低20%。(额外的屏蔽差不多无济于事，宇航员即使处在火星表面也要吸收过多的辐射。)但是，辐射专家认为，虽然宇航员每年吸收的辐射量增加了宇航员在30年内死于癌症的可能性，但这种可能性只增加几个百分点。防氧化剂药丸可以减少辐射的危害。

由于太阳耀斑辐射发生得很突然、难以预料，所以它更加危险。它可以使皮肤遭受4000雷姆的辐射，使内部器官遭受200雷姆的辐射，这些辐射足以致命。在接近长达11年的太阳活动周期的最高峰时，诸如此类的太阳暴至少发生一次。较弱但仍有效的太阳暴则每隔几年就喷发出来。处于低地轨道中的宇航员受到地球磁场的保护(地球磁场可捕获入侵质子并使其偏转)，而正处于到月亮或到火星的途中的宇航员却失去了这种安全保障。幸运的是，辐射粒子很容易阻挡，最好的屏蔽物由富氢材料(如聚乙烯或水)制成，更重一些的原子就没有那么有效了，因为质子碰撞能够撞出原子的中子，从而激发危险的级联辐射。一层10厘米厚的水可以把辐射量减少到20雷姆。探测任务的策划人员设想只须通过在环绕宇航员睡眠区的水囊中贮存宇航员用水的方式，就可在火星航天器上建立一层抵挡太阳耀斑暴的屏蔽而监测太阳的卫星能够在耀斑即将爆发给宇航员示警。

上升和下降

载人航天器登陆火箭将比阿波罗登月舱登陆月球要因难得多。火星与月球不同，它有大气，其引力是月球引力的两倍。并且，登陆火星的航天器比登月舱重得多，因为它携带有居住舱，宇航员呆在火星表面的500天时间里就住在舱里。

只有3个遥控飞行器成功地登上了火星:1976年发射的海盗1号和海盗2号、1997年发射的火星拓荒者。这3个飞行器都使用了防热层、降落伞和减速火箭来减缓下降速度。(火星拓荒者还在着陆时使用了气袋来进行缓冲)。载人着陆器遵循的基本着陆顺序是一样的，但它的几何形状不同(见下图)它"安坐"在战碟形的防热层上，摇摇晃晃地急速下降穿过火星大气，那情形就好象是一个小孩坐在垃圾箱盖上沿着斜坡滑雪一样。不过，载人着陆器在下降期间需要精确的导向，因为它登陆的地点必须离预先发射上火星的无人驾驶货运飞行器的登陆地点很近。

NASA日前的计划需要一个子弹形的着陆器，它的外面包裹着一层起防热层作用的外壳。根据计划安排，这个无人驾驶着陆器被发送到火星的时间早于宇航员被发射到火星的时间。它通过与火星大气的摩擦所产生的空气制动而进入轨道。着陆器停留在轨道中，直到宇航员乘宇航员运送飞行器到达为止。当宇航员登上着陆器之后、着陆器象航天飞机一样(机头向上翘起)下降。宇航员可以驾驶着陆器向左或向右滚动。从而操纵它朝着着陆地点降落。接下来是降落伞减缓下落速度、减速火箭开始点火、使宇航员能够驾着着陆器在正确无误的地点降落。

在宇航员过完火星上的500天之后，他们登上上升推进器，从火星表面被发射到与宇航员运送飞行器相遇的轨道会合点，然后宇航员运送飞行器再把宇航员送回地球。在最早的人类飞往火星的任务中，居住舱着陆器上连接着一个满载燃料的上升推进器;而在后来的任务中，上升推进器被预先发射，它使用的是在火星上制造的火箭燃料。燃料生产装置大约有一辆大汽车那么大，它能化合从地球带去的液氢与取自火星大气的二氧化碳，在一系列化学反应之后它产生液态甲烷燃料、液氧燃料以及额外的水和可供宇航员呼吸的空气。燃料生产技术将在火星勘测者遥控着陆器上进行试验(目前预定在2001年和2003年发射着陆器)。火星勘测者2003计划中还包括:一个小型火箭发动机使用在火星上制造的甲烷和氧进行点火实验。

火星的环境

火星是什么样子？

宇航员一登上火星，就会发现自己置身在一个奇异的世界里。火星的引力比地球小，这将在宇航员的行走过程中明显地表现出来。迈步就好象是摇动钟摆，其速度与引力的大小有关。结果，人们在火星上行走的速度可能是在地球上行走速度的6O％，而在火星上行走消耗的热量却是在地球上行走消耗的热量的一半。在火星上闲逛就象是在奔跑一般。

火星的大气很稀薄——密度与地球上海拔高度约35公里处的大气密度相等，其温度和压力的变化范围大、且变化迅速，但火星各处的天气状况都大致相同。尽管风速能够达到每小时100公里，但风力却很小。宇航员可以在清晨看见雾、霜和飘渺的蓝色云彩。观望时间和立足地点不同，天空变幻的颜色也不相同。如果在中午面向地平线眺望，由于尘埃的散射作用，天空呈现红色，初升的太阳和落下的太阳都是蓝色，而在别的地方天空呈现奶油色。光照在人的眼睛前玩弄花样。因为直射阳光和非直射天空辉光的比例不同，所以看起来岩石随着一天时间的变化而呈现不同的颜色(见上图)。

火星简直平坦得让人生厌。位于火星拓荒者着陆处的著名的双峰(Twin Peaks)只有50米高，但在1公里外仍然清晰可见。即使是太阳系最大的山脉——奥林匹斯山，其坡度通常也只有百分之几。水手谷边缘的地形更加有意思，科学家认为那里的地形与犹州的Canyonlands相类似。

由于火星的平坦，宇航员可以看到火星比地球小到地平线的距离与行星半径的平方根成比例。两个身高l米7的人(大约5英尺8英寸)相隔7公里能看见彼此。而在地球上就几乎注意不到，这条理论上的地平线(比火星地平线要远2.5公里)，因为地形阻碍了视线。地平线也限制了火星上的直接无线电通信(火星没有电离层)。因此宇航员需要无线电转播卫星。

尘埃

人类在火星上面临的最大问题可能就是细小的尘埃。因为火星上没有一点液态水(在地球上液态水能洗去细小的尘粒)，所以火星上覆盖着平均颗粒大小为2微米左右——可与香烟的烟尘相比——的尘埃。尘埃会损坏太空服，划伤头盔的护目镜，造成电路短路，磨蚀设备以及阻塞发动机。月球也是一个满布尘埃的地方，在月球上太空服只穿两天就开始出现泄漏。此外，海盗号着陆器的分析显示，尘粒的外面包裹着腐蚀性的化学物质——如过氧化氢。尽管这些化学物的浓度很低，其毒素仍然能够缓慢地腐蚀橡胶密封。NASA计划对新的着陆器进行更详细的研究。

如果尘埃中有一小部分是石英颗粒(就如同火星探路者的探测结果暗示的那样)，那么它们就成了人体健康的最主要威胁。一旦人吸入这些尘粒，就容易患上硅肺疾病，在美国这种不治之症每年杀死了几百名矿工和建筑工。宇航员为了保持居住舱清洁无尘，在入舱之前要彻底清除污物。这决非易事，因为磁化和带电的尘埃粘附在所有物体之上，而水的供应不足，宇航员只能用从大气中冷凝出来的干冰雪来擦洗。他们也可以穿两层太空服，外层放在主居住舱外的特殊阻隔室里。

另一个问题是电力。以火星拓荒者为例，随着粉尘的堆积，其太阳电池板的输出每隔3天便降低1％，而尘暴将使天空变得阴沉，发电量减少一半。因为以上诸种原因，一项探测任务可能需要100千瓦的核反应堆。

火星防护

细菌将不可避免地跟随宇航员到达火星，这就使对火星本地生命的搜索变得复杂化。相反，火星上的任何细菌也能够搭乘航天器飞回地球。它们也许不会使人类或其它物种得病——多数科学家认为它们只是和地球上的生命形式迥然不同罢了——但全球染病的风险并不是没有。

尽管NASA正在开发一个生物隔离系统，以供遥控样品返回任务使用，然而没有同等的方法来净化宇航员，阿波罗计划期间的检疫过程相当繁琐而颇有争议，并且密封不严。检疫将引出极难堪的窘境。如果宇航员染上了疾病，万一是染上了外星球的疾病，就不准许他们返回地球吗?当然最好不须作出这种决定。美国国家研究委员会于1992年作出的一项报告认为，在把宇航员送上火星之前，应该判定火星上是否存在现有生命或者休眠生命。最起码的是，宇航员需要预先知道火星上哪些地带可以进行安全的考察，而在其它地方应该采取哪些预防措施以避免直接碰触任何可能形式的火星生命。

[向俊／译郭凯声／校]

图1从地球轨道发射进行火星探测的航天器，其重量一一也代表着费用的多少一一已经在缓慢的降低，每个重量估计数字都包括一队宇航员的重量和供宇航员飞行中使用的物品重量。

图2 NASA参考任务

图3对于发射可将第一批宇航员运送到火星的航天器来说，Magnum火箭是一个相对便宜的选择。Magnum使用的发射台和固体燃料推进器与航天飞机相同，它能将80吨重的航天器送入地球轨道中。

图4目前的运载火箭还不能满足人类飞往火星任务的需要。如果要把重130吨的火星航天器推进到地球轨道，就需要发射6次泰坦4B、航天飞机、DeIta 4重型火箭或者探险主运载火箭，但只需发射两次Magnum火箭。

图5火星航天器的乘员舱可膨胀的TransHah舱（该舱计划用于国际空间站，见顶部左图）。TransHah舱有4层（上图）。底层包括厨房和餐室。上层则包括睡觉区域和运动区域（右图）。

图6火星着陆过程开始于宇航员运送飞行器和居住舱着陆器在轨道会合之时。宇航员登上着陆器，着陆器就在防热层的保护下降入火星大气。最后降落伞和减速火箭减缓下降速度，使着陆器降落在离预先发射的货运着陆器很近的地方。

图7 YOGI是一块火星岩石，其照片由火星探路者登陆器于1997年拍摄。由于火星的光线变幻莫测，它在清晨呈现的颜色(左图)与在下午呈现的颜色(右图)有所不同。