美國(guó)火星登陸計(jì)劃終于揭開面紗，問(wèn)題是，怎樣才能實(shí)現(xiàn)這一壯舉呢？
隨著奧巴馬總統(tǒng)重申在20至30年內(nèi)使人類到達(dá)火星的遠(yuǎn)大抱負(fù)，美國(guó)火星登陸計(jì)劃終于揭開面紗。那么問(wèn)題來(lái)了：怎樣才能實(shí)現(xiàn)這一壯舉呢？
“這一明確而又重大的目標(biāo)將開啟美國(guó)航空航天史的新篇章：在本世紀(jì)30年代將人類送上火星，并安全返回，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)在火星長(zhǎng)期停留的最終目標(biāo)。”美國(guó)現(xiàn)任總統(tǒng)奧巴馬在10月11日的CNN專欄中寫道。
美國(guó)宇航局（NASA）已制定出火星旅行計(jì)劃。喬治華盛頓大學(xué)（The George Washington University）太空政策研究所（the Space Policy Institute）的政治學(xué)與國(guó)際事務(wù)名譽(yù)教授John Logsdon表示，如果將期限寬裕到2030年底，上述計(jì)劃是可以實(shí)現(xiàn)的。
其他專家則認(rèn)為奧巴馬總統(tǒng)的時(shí)間限制過(guò)于苛刻。
火星協(xié)會(huì)（The Mars Society，非營(yíng)利性組織）主席、《登陸紅色星球計(jì)劃》（The Case for Mars: The Plan to Settle the Red Planet，Free Press，2011）的作者Robert Zubrin說(shuō)到：“相比于1961年計(jì)劃將人類送上月球卻在八年后才實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的我們，今天的我們離火星登陸的目標(biāo)更近。下一任總統(tǒng)理應(yīng)制定20年代或2024年登陸計(jì)劃，不然火星任務(wù)將失去動(dòng)機(jī)，太空探索進(jìn)程也將延緩。”
無(wú)論如何，在宇航員整裝待發(fā)之前，有些問(wèn)題亟待科學(xué)家們解決。
第一步：建立太空載人飛行技術(shù)
目前美國(guó)依賴于俄羅斯聯(lián)盟號(hào)飛船（Soyuz）將宇航員送至國(guó)際空間站。這一狀況將有所改變。一些私營(yíng)太空飛行器制造商正努力研制載人和載貨系統(tǒng)：埃隆·馬斯克（Elon Musk）的美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）致力于開發(fā)龍系（Dragon）運(yùn)載火箭，波音公司也在研發(fā)它的CST-100系列火箭。據(jù)Logsdon介紹，馬斯克說(shuō)SpaceX的火星運(yùn)載火箭將于2018年發(fā)射。（運(yùn)載火箭是由火箭推動(dòng)，將飛船和衛(wèi)星送往太空的裝置。）
第二步：建造更大的太空飛船
Bret Drake介紹，一次火星航行需要飛船能搭載多名宇航員、三年往返火星的供給以及部分貨物。他是洛杉磯航空航天公司（Los Angeles-based Aerospace Corp.）的一位工程專家，該公司屬于非營(yíng)利性組織，致力于為聯(lián)邦政府研究運(yùn)載設(shè)備、衛(wèi)星系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)及太空技術(shù)。
Logsdon補(bǔ)充道：“將飛船上全體成員送上火星意味著飛船必須能夠承受更大的載荷，因?yàn)樾枰紤]往返的燃料及物資供給。要知道火星上可沒有7-11便利店為返程提供補(bǔ)給。”
第一種策略是建造巨大的飛船；另一個(gè)是首先制造多個(gè)較小的模塊分別發(fā)射，再在空間軌道上組裝。（一些模塊可載人，另一些用于運(yùn)載供給。）無(wú)論如何，我們已經(jīng)具備基本技術(shù)。Zubrin說(shuō)：“雖然它比我們?cè)窠ㄔ斓娘w船大，但仍可以運(yùn)用已有的科學(xué)技術(shù)。”
目前，Lockheed Martin正在研發(fā)可運(yùn)載四人的獵戶座（Orion）飛船，將被安置于重型運(yùn)載火箭——太空運(yùn)載系統(tǒng)SLS（Space Launch System）的上方。NASA將運(yùn)用它進(jìn)行外太空探索。獵戶座飛船已經(jīng)與2014年12月5日成功完成首次試飛，將于2018年進(jìn)行繞月飛行。
第三步：建造更大的火箭
大型飛船的深空運(yùn)載系統(tǒng)需要搭載更大的火箭。NASA計(jì)劃開展自制火箭的第二次測(cè)試，據(jù)NASA介紹，該火箭將成為世界最大火箭，并運(yùn)用到SLS中。SpaceX也在研發(fā)Falcon重型火箭，旨在克服較重載荷（包括人類）。
第四步：減速與著陸
到達(dá)火星軌道后，就需要在這個(gè)紅色星球上著陸。在以往任務(wù)中，摩擦、熱效應(yīng)和降落傘都可以為飛船減速。但對(duì)于重型飛船，降落傘的制動(dòng)力顯然不足。
不過(guò)，科學(xué)家們?cè)谶@個(gè)問(wèn)題上取得了進(jìn)展。例如SpaceX公司展示了用于高速飛船減速的超聲波反向推進(jìn)器，在著陸時(shí)借助發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)。Drake說(shuō)：“我們已具備讓大型飛船在火星表面著陸的可行方法。”
第五步：解決空間站中長(zhǎng)期居住問(wèn)題
宇航員已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)在國(guó)際空間站（International Space Station）中航行數(shù)周和數(shù)月，說(shuō)明了長(zhǎng)期居住系統(tǒng)的可行性，它為宇航員提供安全用水，進(jìn)行水處理，以及過(guò)濾空氣。專家表示，類似的系統(tǒng)也可用于火星任務(wù)。
然而，不同之處在于國(guó)際空間站位于近地軌道，離地球僅有數(shù)小時(shí)行程。若有損壞，地球即可展開援救。但在火星是不可能的，因?yàn)榧词乖诘厍蚺c火星相離最近的情況下，到達(dá)火星最少需要6至9個(gè)月。
Drake說(shuō)：“生命維持系統(tǒng)改進(jìn)的關(guān)鍵在于提高它的可靠度。對(duì)于火星任務(wù)，一但系統(tǒng)失效，既不能迅速返回地球，也無(wú)法完全恢復(fù)供給。因而生命維持系統(tǒng)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)（多年內(nèi)）應(yīng)具有可靠性，并保證宇航員能夠維修維護(hù)。”
第六步：避免致命的宇宙輻射
參與火星任務(wù)的宇航員需要抵御兩類輻射：太陽(yáng)質(zhì)子事件（或稱太陽(yáng)耀斑）和銀河宇宙輻射。據(jù)Drake介紹，第一種輻射可以通過(guò)設(shè)置專門的太陽(yáng)風(fēng)遮擋設(shè)備來(lái)消除，比如由生命維持系統(tǒng)的給水系統(tǒng)構(gòu)成的水墻。（它需要將水墻與飲用水和淋浴用水的供水系統(tǒng)相連。）
銀河宇宙射線的遮擋顯然更加棘手。在外太空，宇宙輻射強(qiáng)度非常高。然而，Drake表示火星表面探測(cè)車好奇號(hào)（Curiosity）搭載的火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（Mars Science Laboratory）觀測(cè)到火星表面輻射照射水平和國(guó)際空間站上的觀測(cè)水平相近。Logsdon解釋說(shuō)國(guó)際空間站所處的近地軌道位于兩個(gè)甜甜圈狀的地球范艾倫輻射帶（Earth's Van Allen belts）下方，它們屏蔽了太陽(yáng)釋放的帶電粒子和宇宙射線。
Drake提出，可以采取在外太空快速航行的策略，盡量縮短暴露與高強(qiáng)輻射下的時(shí)間。他說(shuō)：“在火星地表遠(yuǎn)比在外太空安全。”
第七步：去月球演練
根據(jù)NASA的火星之旅時(shí)間表，在正式開始航行之前，許多長(zhǎng)期空間系統(tǒng)將在月地間軌道進(jìn)行測(cè)試。在2018至2030年之間，NASA計(jì)劃開展在月球附近太空行走的載人航天任務(wù)。部分任務(wù)或?qū)⒊掷m(xù)一年，為火星登陸的壯舉奠定基礎(chǔ)。
計(jì)劃也包括了從某個(gè)小行星采樣并改變其運(yùn)動(dòng)軌跡。
Logsdon表示，這一計(jì)劃將為火星任務(wù)的各個(gè)關(guān)節(jié)提供測(cè)試機(jī)會(huì)，且離地球較近，以防意外。
第八步：在火星建造房屋
即使到達(dá)火星，宇航員也不能立即返航。Logsdon說(shuō)，到達(dá)火星的航行可能需要6至9個(gè)月，但只有等到火星和地球運(yùn)行到相對(duì)太陽(yáng)較一致的位置，才能返航。這樣可能需要等待14個(gè)月。（為使航行距離較短，應(yīng)在地球與火星處在太陽(yáng)同側(cè)而不是兩側(cè)時(shí)返航。）
他還說(shuō)道，某種意義上，火星任務(wù)的先驅(qū)就像16實(shí)際海上航行的探險(xiǎn)家，遠(yuǎn)離祖國(guó)孤筏重洋。因而在火星建設(shè)永久性居所是值得的。
Logdson補(bǔ)充道：“雖然這看上去很難實(shí)現(xiàn)，但宇航員的確需要一個(gè)家，而不是整天待在宇航服中。電影火星救援（The Martian）中就較真實(shí)地描繪出未來(lái)的火星住所。”
翻譯 張堯
審校 顏磊
責(zé)編：科普知識(shí)