互动科普

火星计划

科学世界：国际上有没有开展过载人火星任务相关的技术验证项目？

贾阳：俄罗斯、美国都已经开展了相关的技术验证工作。例如2008～2011年的“火星500”项目，其目的是在模拟火星飞行（长时间、高度自主、与地球通信状态改变——信号传输延迟、消耗品数量有限）的过程中，研究乘组长期隔离在狭小的正常压力环境下的“人-环境”系统，并获取乘组人员的健康状况和工作能力的实验数据。

在地球上研究较多的火星类比点有智利的阿卡塔玛沙漠实验站、北极斯瓦尔巴群岛火星类比点、南极干谷地区、美国犹他州火星沙漠实验站、西班牙里奥廷脱火星类比点、突尼斯吉利特盐湖区类比点和中国青藏高原大浪滩盐湖区火星类比点，这些类比点研究项目的侧重点各不相同。

参加“火星500”项目第3阶段520天火星模拟任务的6名志愿者。前排右一为我国志愿者，中国航天员科研训练中心教练王跃。

科学世界：现阶段我们已经可以开展哪些技术研究与验证项目？

贾阳：有很多。例如尽可能利用火星的二氧化碳等资源，实现推进剂的本地化生产，是最急需开展的技术验证项目，对载人火星任务规模的简化具有重要的意义。包括二氧化碳分解为一氧化碳和氧气，以及利用氢气和二氧化碳生产甲烷、氧气，还包括产物的液化及长期贮存涉及的保温技术等。这项技术完全可以在地面进行比较充分的验证，缩小生产设备的规模、减少复杂程度，尽早进行火星表面原理性验证。

又如火星建筑构件的高温打印。利用火星表面的土壤，结合构件打印技术，验证能源利用效率高的建筑构件生产方法，也是一项可以在地面进行验证、在近期就可以安排火星表面技术验证的项目。技术的核心在于高温的实现方法、能源利用效率的提高、辐射防护效果确认、构件材料的气密性研究等。

还有火星移动智能体。在人类移民之前，必定有大量的准备工作要由机器人自主实现，因此需要发展火星移动智能体。利用这种适应恶劣环境的任务级智能系统，完成早期的资源开采、输运、生产等活动，为最终的移民做好准备。

另外就是生物制氧。利用基因技术，筛选改造适应火星表面恶劣环境条件的厌氧生物，在比较容易实现的改造环境下，实现生物制氧的原理性验证。首先可以在地球上构造类似于火星表面温度、气压、气体成分、土壤成分等因素的综合环境模拟舱，完成微生物筛选、改性等工作，开展生物制氧技术验证。

科学世界：目前哪些国家有将人类送上火星的计划？

贾阳：据报道，美国曾公开了载人登陆火星计划，拟在2031年的时候派航天员登上火星。而在此前利用三四枚新一代重型运载火箭“战神5号”将总计400吨重的“火星船”送至地球低轨道安装，然后再由推进系统将“火星船”送往遥远的火星。

据称，飞往火星单程需6～7个月，再加上火星考察时间550天，因此往返会长达30个月，航天员是6～8人的男女混合编组。

但是这项计划仍然存在很多争议。从一些报道看，欧空局、俄罗斯也曾经公布类似的想法，但是都还没有进入实施阶段。

科学世界：为什么要先在地球轨道组装，而非像阿波罗登月飞行那样直接飞往火星？

贾阳：要完成这个任务，不但要把人送到火星，还要把他们送回来。另外，由于往、返两次飞行的时间窗口限制，还必须在火星停留一段时间。即使不降落到火星表面，也得在环绕火星的轨道上停留一段时间，然后再返回，这样最省燃料。所以完成整个任务要有两年以上时间。这两年多的时间里维持乘组人员生命所需要的物资，以及飞行所需要的推进剂等，用一枚火箭是打不上去的，所以要做成若干个模块，然后在地球轨道上组装，再离开地球轨道。从地球轨道飞往火星，所需的能量就没那么大了。

科学世界：从地面发射到地球轨道，比从地球轨道飞到火星所需的能量更大？

贾阳：对。在地球低轨道上的速度大约是7千米／秒，所以从地面发射到地球低轨道，需要的是从0加速到约7千米/秒的能量。而从地球轨道离开地球，需要加速到第二宇宙速度，也就是11.2千米/秒。从速度增量上来说，就是还差约4千米/秒。只要达到相应速度，飞船就可以自己飞行了，不再需要燃料。

而且，发射到地球轨道完成组装后，这一阶段用的推进器包括推进器外壳等，就可以全部抛弃，整体质量就变小了。这就像二级火箭的道理一样。

科学世界：到火星后必须停留一段时间才能返回，这个时间要有多久？

贾阳：为了节省燃料，从地球出发时，需要选择一个地球和火星相对位置最合适的时候发射。根据地球和火星之间相对运行的关系，大概18个月左右才能有这样一次满足相位关系可以发射的机会。到了火星要返回地球时，也同样要等到这样一个合适的机会。

理论上，随时发射都可以到达，但是消耗的燃料相差太多了，以至于以人类目前的实力还无法承受。换句话说，人类现在还做不出可以在任意时间发射飞往火星的火箭。到达火星后，为了等到合适的返回时间窗口，就必须在火星停留一段时间，这个时间会有若干个月。这一点和登月差别很大。登月时，宇航员1周到10天左右就可以返回。

科学世界：我国是否有发射探测器登陆火星的计划？

贾阳：我们探月的嫦娥计划分3步，叫做“绕、落、回”，前两步已经完成了，第3步大概2018年左右就可以完成。火星探测，我们准备把“绕、落”这两步结合，也就是既实现在火星环绕轨道上的探测，也会将一辆火星车软着陆到火星表面。

（本文发表于《科学世界》2016年3期）