互动科普

直登火星计划

Robert Zubrin

火星载人探测的主要倡导者Robert Zubrin概述了10年内向火星运送宇航员的费用相对较少的计划。

约翰·肯尼迪总统1962年的话“空间就在眼前，我们打算攀登它”确定了在10年内将美国人送上月球的目标。但是在自阿波罗登陆月球以来30年的大多数时间内，美国空间计划都没有下一步目标是什么的连贯打算。(我认为)答案很简明：人类探索和登陆火星。

这一目标并未超越我们的能力，它不需要用奇异设备制造的任何巨型宇宙飞船。事实上，目前将人类送上火星所需的全部技术都是现成的。用助推火箭直接将相对较小的飞船发射到火星，我们人类就能达到这颗红色行星，而这种火箭所采用的技术同25年多以前将宇航员送上月球的技术是一样的。成功的关键在于采用我们地球最早的探索者曾用过的相同策略轻装旅行，就地取材。第一个有人探测器可能在10年内到达火星。这里讲述如何实施拟议的计划——我称之为“直登火星计划”。

在不太遥远的日子——也许就在2005年一枚发射能力相当于阿波罗时代的土星5型火箭的重型助推火箭就会在佛罗里达卡纳维拉尔角发射升空。当飞船在大气层达到足够高度时，火箭的前级就会同已经消耗的助推器分离，点燃它的引擎，将45公吨的无人负载抛向火星的轨道。

这种负载就是地球返回车(ERV)，顾名思义，ERV就是造来将宇航员从火星接回地球的。但是这次航行没有任何人乘坐在上面。ERV携带6吨液氢，一组压缩机，一台自动化学处理装置，几台大小适中的移动式科学仪器以及一台100千瓦小型核反应堆(装在一ERV自身的甲烷一氧气箱(返回时使用)来装燃料。

起飞后8个月，ERV到达火星，并借助其隔热屏同火星大气间的摩擦来使自身慢下来，这就是众所周知的空中制动技术。返回车进入环绕火星的轨道，然后利用降落伞和制动火箭着陆到火星表面。一旦飞船在火星表面着陆，在地球上控制探测器的科学家遥控机器人，使其将较大的移动式仪器从ERV上弄出来，并移开几百米。随后探测器控制装置部署核反应堆，该反应堆将为压缩机和化学处理装置提供动力。

在装置内部，从地球带去的氢同火星大气发生反应来生产水和甲烷，火星大气的95％是二氧化碳。这个过程称为甲烷化过程，它省去了必须长期贮存低温液氢燃料这一困难环节。甲烷进行液化并贮存，水分子进行电解，生成氢和氧。氧进行贮存以为后用，氢通过化学处理装置再循环，以产生更多的水和甲烷。

最终，甲烷化和电解这两种反应将提供48吨氧和24吨甲烷，它们都将作为宇航员返回地球的火箭助推剂。为保证甲烷和氧气混合物能充分燃烧，必须从火星大气的二氧化碳中分离出36吨氧气。整个过程耗时10个月，最终将得到108吨返回地球时需用的甲烷氧气混合推进剂，18倍于产生它所需的原来贮存的原料。

回程需要96吨推进剂，剩余的12吨用于操纵移动式科学仪器。还可生产额外的氧气以用于呼吸并用于同从地球带去的氢气化合生产水。能够在火星上生产氧和水大大减少了必须从地球上携带生命支持物资的数量。

随着这种火星开创性基地的成功运作，2007年另两枚火箭将从卡纳维拉尔角发射。再一次将其负载投向火星。其中一个荷载就跟2005年发射的无人ERV一样，而另一个则有载人舱，包括4名男女和可用3年的供给。该飞船亦将携带以压缩甲烷一氧气为动力的移动式科学仪器，从而使宇航员能在外部环境下进行长距离探索。

宇航员到达火星

飞行期间，先在生活舱和燃烧过的助推火箭上级之间连上系绳，然后使整个系统以一定速度(比如说每分钟一转)进行转动，从而产生和火星上一样大小的人工重力。这种系统将消除零重力影响宇航员健康的任何顾虑。宇航员承受的辐射也是可以接受的。太阳耀斑辐射由能量为l百万电子伏特的质子组成，可以通过l2厘米厚的水或装置来进行防护，在此种情况下，飞船上有足够的材料来建造适当的辐射防护室。两年半的整个探测活动期间，残余宇宙射线的剂量大约为50雷姆，代表的致癌统计危险率为1％左右，大约相当于同一时间内抽烟的致癌危险率。

到达火星的时候，载人飞船从连在火箭上的系绳上脱离，空中制动，随后在2005年到达的地点着陆。原先活动场所的标志能使飞船降落到正确地点，但如果着陆偏离了数十或数百千米的话，宇航员仍然可以用移动式科学仪器开到正确地点。在飞船着陆偏离数千千米这种不太可能的情形下，第二架与载人舱一起发射的ERV可以作为备用系统。如果仍然失败的话，载人飞船上的额外配给将保证宇航员活到2009年时第三架ERV和补给到来。

但是，利用现有技术，错误着陆的可能是不大的，因此，如果宇航员按计划到达2005年的着陆地点，第二架ERV就会在数百千米外着陆。后一架ERV也会像前一架ERV一样开始制造推进剂，这次就是为2009年的探测工作作准备了，而此次又将发射另一架ERV在火星上开辟第三个据点了。

因而，根据直登火星计划，美国及其国际合作伙伴将每隔一年就发射两枚重型助推火箭其中一枚将4名宇航员送到火星去居住，而另一枚则为下一次探测工作准备新的场所。这样，平均发射频率为每年一次，仅为美国现在发射航天飞机频率的l5％左右。实际上，直登火星计划所采用的就地取材策略将使到火星的载人探测前景不再是需要特大飞船才能完成的异想天开的事情，并使这一任务的难度相当于阿波罗探月计划。

被送上火星的男女宇航员将在其表面生活一年半时间，并利用地面车辆对火星表面进行广泛探测。这些车辆贮有12吨燃料，宇航员在停留期间可行走24000多千米，为其仔细搜寻过去或现在的生命的证据提供了必要的活动空间。这类调查是揭示生命是地球上的独有现象还是整个宇宙的普遍现象的关键工作。

因为没有任何人留在轨道，宇航员将得益于自然重力，并免受火星环境辐射的影响。结果没有必要立即返回地球，而这一困难一直困扰着常规探测计划。这类计划通常有一艘轨道母船和送到目标表面的小型着陆设备。结束在火星生活之后，火星宇航员将直接乘坐ERV返回。随着系列探测工作的进行，一连串小型基地将留在火星上，为后来人类探索并最终居住火星开辟广阔的道路。

1990年，我和同事David A．Baker(当时都在Martin Marietta公司，现在谈公司是洛克希德马丁公司的一部分)首次提出了基本的直登火星计划，而美国航天航空局认为该计划过于激进．因而未予认真考虑。但从那以后，在航天航空局主管探测工作的前副主任Michael Grifin和现任局长Daniel S. Goidin的鼓励下，航天航空局约翰逊空间中心负责设计火星载人探硎器的小组重新审查了我们的方案。

火星协会

1994年，该小组研究人员提出了一个项目的费用估算，该项目大约是直登火星计划的规模的2倍，他们的估计结果是500亿美元需要特别指出的是，1989年同一研究小组根据笨重的传统载人探测方法(这种探测法以在轨道上装配巨型飞船为基础)，提出了4000亿美元的费用天价。我坚信进一步改进设计将使费用降为200至300亿美元。在10年内用这么点钱，它相当于航天航空局预算支出的20％左右，或美国国防预算的1％左右。这对进入一个新世界来说是很小的代价。

为了鼓动公共部门对扩展火星计划(包括机器人探索和人类探索)的支持，以及鼓动私人资助火星探测，1998年成立了火星协会。作为其第一个私人项目，该协会在加拿大北极地区德文岛的霍顿陨石撞击坑建立了火星模拟基地。由于该地区的气候和地质条件类似于火星，它一段时间以来就一直吸引着NASA的科学家。协会的火星北极研究站(MARS)将极力支持对该地区的环境的研究，并将为人类探测策略以及包括居住舱、地面移动系统、光生伏打系统及特殊钻机在内的原型设备的实地试验提供场所。根据计划，德文岛MARS基地将于2000年夏天投入运行。其预算支出可能在100万美元左右。

我们希望通过该项目赢得的声誉能使协会扩展其资金来源渠道．从而有助于为火星机器人探测最终是火星载人探测提供资金，也许还会和NASA或其他政府机构分担费用。但是很显然，向火星送人的最快捷方式是向政府证明它为何应当为此项事业投入资金。因此，协会发起了一场针对政治家和其他权力掮客的游说运动。

总有一天，数百万人将生活在火星上。他们将说什么语言呢?当他们从这里移向太阳系之外的时候他们将遵循什么样的价值观和传统呢?当他们回顾我们的时代的时候，我们的其他什么行为在重要性方面能和我们现在使他们社会形成的行为相提并论吗?今天我们有机会成为人类大家庭另一分支的开创者。如果这样，我们就将为未来打上烙印。这是一件无上荣幸的事情。

[冉隆华／译郭凯声／校]

图1到火星的载人探测器将使宇航员在这颗红色行星上寻找生命的信号（上部小插图）。根据直登火星计划，无人返回车或ERV将首先在火星上着陆，为2年后宇航员的到达做好铺垫工作（中部小插图）。新的探测活动可能每两年进行一次，从而留下类似于图中情景的大量营地（下图小插图）。

图2行星际空间和火星上的温馨之家看起来就象这个样子。此处所示的居住舱的上部将设卧室以及实验室、图书馆，厨房和健身房。中部将设太阳耀斑暴防护设施，下部(未示出)将设车库、车问和贮藏区。在去火星的途中，系绳系统将产生人工重力。

图3载有4名宇航员的返回车从火星表面点火起飞(右)，ERV和载人舱的荷载详见上表。