十年后，我们火星见
随着时间的推移，在人类的不断改造下，火星将成为一个适合人类生存的地方。
■本报记者 张晶晶
太阳系中，金星和火星是离地球最近的两大行星。而火星在各方面条件都非常接近地球，各国航天机构也都将其作为重点探测对象。中国在2016年1月正式启动了火星探测计划，将于2020年前后发射火星探测器。
在探测研究火星的队伍中，SpaceX和特斯拉创始人、硅谷传奇埃隆·马斯克格外引人注意。继去年9月份，他提出了雄心勃勃的火星移民计划之后，近日又在《新太空》杂志网站撰文，详细阐述了这一计划，文中介绍了被称为“BFR重型火箭”的最新设计；同时，马斯克表示“已经找到了为建造BFR重型火箭筹集资金的方法”。
一颗红色的梦想星球
人类在火星上有可能生存吗？中国科学院国家天文台科学传播中心主任、研究员郑永春向《中国科学报》记者详细介绍了这颗红色的星球。
“火星上有山，有水，有峡谷，有大气，有微弱的磁场；火星上有土壤，有岩石，有沙尘暴，甚至地下还有丰富的矿产资源；火星的两极，也有冰冻的白色冰原。这一切，与地球是那么的相似。”
不过，上世纪50至60年代，人类一度把太空探测的重点放在金星上，“因为它与地球的大小相似，距离最近。但科学探测后发现，金星其实是一个地狱般的星球：火山爆发，高温、高压，浓密的大气，有毒的降雨”。郑永春介绍说，金星上的环境并不如它的名字一般美好，“迄今为止，登陆金星表面的航天器工作寿命非常之短，甚至活不过几分钟。这是一个不可能有生命的星球，也不可能让人类移居”。
而随着火星探测的开展，人们对这颗红色星球的热情越来越高。越来越多的科学家认为：如果人类大规模移居，火星可能是最适合改造的行星。“一旦在地球上面临难以抵御的重大灾难和危机，人类就可以移居火星，在那里开拓新的家园。” 郑永春将火星称为人类的“希望之星”。
特别是随着航天技术以及相关科技领域近年来取得的巨大突破，以及人类对火星的了解程度越来越高，这一本来似乎不切实际的想法，正在变得越来越可想象和触摸。
飞向火星分几步
要从地球离开、安全抵达火星，并在上面存活下来，需要哪些步骤呢？对此，郑永春认为，有几个关键步骤必不可少：火箭、飞船、登陆方式。
火箭是离开地球表面的第一步，也被看作航天的基石。郑永春介绍说，美国宇航局正在研制新一代太空发射系统（SLS）。该重型运载火箭最终的运载能力将达到143吨，甚至可能达到165吨，与阿波罗登月时的土星五号非常相近，号称史上最强运载火箭。
而今年2月，由马斯克的SpaceX发射的猎鹰重型火箭，也是非常强大的运载火箭——它搭载一辆红色特斯拉跑车进入了环绕太阳的轨道。“猎鹰重型火箭号称现役最大推力火箭，一级火箭可以回收后重复使用，星际运输成本更低。在此基础上，有望打造一条从地球往返火星的廉价航线。”
而马斯克文章中新介绍的BFR重型火箭，运载能力是之前猎鹰重型火箭的5倍。他在文章中介绍说，BFR是一种可完全重复使用的运载火箭，在不经过轨道燃料加注的情况下，预期可以将150吨的有效载荷送入近地轨道。相比之下，猎鹰重型火箭的有效载荷约为30吨，而且只有部分组件可重复使用，二者间也存在巨大的成本差异。
“黑色七分钟”，是历史上许多航天器最终未能成功登陆火星的原因。郑永春解释，穿过火星稀薄的大气层是登陆火星的最后一步，这个过程在地球上难以现场指挥，只能靠航天器的自主操作，失败风险最高。
“迄今为止，全世界只有美国的航天器成功登陆过火星。在技术选择上，凤凰号着陆器登陆时采用了可压缩的着陆支架进行缓冲；机遇号和勇气号火星车采用了降落伞减速，辅以气囊在地表弹跳，减少对火星车的冲击；好奇号火星车则研发了新的太空起重机技术，火星车在地表一定高度悬停，通过缆绳慢慢降落到火星表面。”未来要想实现载人登陆火星，如何平安度过这七分钟可以说是重中之重。“航天员、登陆舱和物资设备重量更大，降落伞难以起到有效的减速作用，除太空起重机，还需要研发更先进的火箭反推和自主控制技术，才能实现有效的平稳减速。”
SpaceX全新的BFR飞船似乎已准备好了解决方案。BFR飞船长约48米，净重约为85吨，可以携带1100吨推进剂，发射时有效载荷为150吨，返回地球时有效载荷50吨。飞船引擎由四台真空“猛禽”引擎和两台海平面引擎组成，6台引擎都有万向支架连接。
“当BFR着陆时，会有两台引擎点火，如果两台中心引擎中的一个点火失败，它将能够成功地依靠另一台引擎着陆。每台引擎中都有很大的冗余度，因为我们希望着陆风险尽可能接近于零。”马斯克写道。
火星基地建设
成功抵达火星之后，要如何生存下来呢？
郑永春着重强调了三点：能源供应、原位资源利用以及辐射防护。以能源供应为例，火星一昼夜是24小时39分钟，因为比地球更远离太阳，仅采用太阳能可能无法满足火星基地需求。核能可能是未来火星基地所需的能源供应方式。
马斯克提出的新目标是在2022年完成第一次火星货运任务。将在明年第二季度开始建造第一艘飞船，并准备在5年内发射。接下来在2024年，发射4艘飞船前往火星，其中包括2艘载人飞船和2艘货运飞船。在火星上第一个任务目标是找到最好的水源地，之后是建造推进剂工厂。届时，SpaceX在火星上将有6艘飞船，拥有足够的物资建立推进剂工厂，包括大型太阳能电池板，然后进行采矿和净化水，获得大气层中的二氧化碳，然后制造和存储深冷甲烷和氧气。
郑永春曾预测，或许在2030年，人类可以登陆火星，这与马斯克的时间表似乎存在某些重合。对于马斯克的最近计划，他评价说：“我相信移民火星会越来越具有可操作性、现实性。技术的发展还是挺快的，最后加上商业力量的帮助。”
十年后，或许我们就可以火星见。正如马斯克畅想：“火星基地最初可能只是一艘飞船，然后是多艘飞船，接着我们开始在火星上建造城市，并不断扩大城市规模。随着时间的推移，在我们的不断改造下，火星将成为一个适合人类生存的地方。”
《中国科学报》 (2018-04-13 第3版 科普)
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