下一站,火星

“地球是人类的摇篮,但人类不可能永远被束缚在摇篮里。”在不断的技术演进中,走出地球的梦想正在一步步走向现实。
2020-07-27 12:32 · 投资界综合  reazhang   
   

为什么是2020?

如果人类未来有以临近行星为跳板探索宇宙的计划,那么火星一定会成为第一站。火星是太阳系行星中位置最靠近地球,物质组成也与地球最为相似,这让人类对火星产生兴趣变得顺理成章。当地球环境逐渐变得恶劣,人类把目光转向了这颗离我们较近、环境相似的红色星球,“移民火星”的梦想由此诞生。

火星上有着明显的四季区分,因为火星公转的时间是地球的两倍,所以火星上每个季节的时间几乎也是地球的两倍。火星的一年大约是687天,因此火星上的一天约为24.6小时,仅仅比地球多出了0.6个小时。

当然火星对人类最具吸引力的因素是水源,因为那是生命产生的一个必要因素。2019年,科学家们在火星上发现了一个直径80km的冰坑,如此巨量的水,完全能够满足人们在火星上的生存需求,甚至有科学家们还怀疑冰坑下面或许还存在着一些简单的火星生命。

尽管颇具吸引力,但人类探测火星的征程并不轻松。地球处在太阳系较内侧位置,地球需要约365天环绕太阳一周,火星需要约687天。火星的轨道是偏心率为0.09的椭圆,地球轨道则接近正圆。这意味着地球和火星之间的距离在时刻经历着复杂变化,最远在太阳两侧面相对时可远至4亿千米,最近时也会超过5000万千米。

火地之间每隔26个月会近距离“密接”一次如果在环形跑道上让地球和火星进行一场赛跑,发令枪响后“慢吞吞”的火星大约每两年会遇上地球一次,此时两行星距离最近,在这一时刻前后,从地球发射火星探测器,能让人类“探火”之旅的“赶路”时间更短、所携燃料更少、成本更加低廉。2020则正逢其时。

人类现有的以化学燃料为核心动力的火箭性能依然有限,利用这个会合时间点附近的窗口探测,成功率就会高很多。历史上人类对火星的探测,基本都要利用一次次会合周期打开的探索窗口。但即便如此,总体的探测成功率依然不足一半,火星探测的技术难度可想而知。

探测器并不是在地球和火星精确会合的时间出发,而是需要通过规划,提前几个月出发。当地球和火星实际会合时,探测器往往仅在半程。此次地球和火星会合的时间点在10月初,对于2020年,新一次的火星探测时间窗口出现在7-8月份,这也是今年成为“火星年”的重要原因。

人类的火星探索之旅

对探索火星的尝试源自上世纪60年代,那时候的人类对火星知之尚少,火星探索的成功率并不高。

1970年之前,美苏两国一共尝试了12次火星计划,成功的只有3次,创下了人类航天史的最低记录。美国科学家起了一个“银河系食尸鬼”的昵称,意指地球和火星之间有一头不可见的“食尸鬼”,专以航天器为食。以此来意指,火星探测的艰难。

对当时的技术水平而言,探测火星存在以下几大难题:

运载系统的推力。

航天活动最基本也是最重要的一项能力就是火箭的推力。不仅要摆脱地球,甚至还要部分摆脱太阳的引力,才能把探测器推到火星附近。

复杂的轨道转换。

由于当时人类所掌握的火箭推力并不理想,想把探测器一次性送上火星并不现实,运载系统还必须在深空中借助太阳和行星的引力变换轨道。这对时间点的把握要求极为严苛,转换点附近几秒钟的差别,就会导致着陆点数百公里的误差。

通信距离

火星计划需要十分精确的指挥,但地火距离最远可达4亿公里,信号以光速传输一个来回,也要40多分钟。此时探测器自身有运算和调整模块就显得很重要了,可惜当时的人类计算机技术还完全不够发达。

上世纪70年代后期,随着航天技术的发展,已经有一些登陆器能够探测到火星本体。在实现了火星的外层探测和卫星环绕之后,各国也开始不满足于仅仅对火星做轨道观测和撞击实验。把真正的探测器送上火星,最好还能在火星上分析样本、传输照片,成了下一个火星观测时代的竞逐主旋律。

看上去,这只是从近行星轨道向下降落到地面。但实行起来,其难度却不亚于从地球出发把探测器送到火星轨道。

对于探测器来说,登陆行星的第一步是进入行星的引力范围,这样才能被星球捕获,逐渐靠近其地面。但火星的质量不大,只是地球的十分之一,能提供的引力影响范围很小,探测器必须精准地擦着这个引力范围的边以求被捕获,但又不至于直接“硬着陆”到火星上。

就算进入大气层,火星的引力虽小,但也比人类最熟悉的地外星体月球大得多,探测器的下坠加速度也因此远快于在月球上。与此同时,火星的引力又没有大到能保留足够的大气,这让地球上屡试不爽的减速伞装置没有了用武之地。

一台探测器即使成功被火星引力捕获,并且顺利打开减速伞,还有最后一步“动力减速”挑战需攻克。此时探测器需用逆向推进器给自己强力减速,避免最终坠毁在地面上。但启用动力减速时,探测器已经非常接近地面,推进器开关需要非常精确的时间点控制。而这一切,只能靠探测器自己。

人类探索火星的历史足以见证其难度之大,这也是为何2020年发射火星探测器如此备受关注的原因之一。

火星开发的“将来进行时”

如果移民火星,地球上人类赖以生存的空气、水、食物、居所等资源,在火星都意味着一个又一个严峻挑战。

在科幻电影《火星救援》里,主人公靠种植土豆独自在火星上生存下来。即使未来从地区到火星的征程变为通途,人类想要移民火星的梦想,还面临重重困难,其中火星没有氧气便是最为严峻的挑战之一。

人类要移民火星,建设农业文明肯定是第一步,在火星上需要开拓全新的农业科研领域。科学家设想:需要让一些低等植物甚至是微生物先行,例如细菌、藻类等。让它们先到火星上适应环境,吸收二氧化碳、释放氧气,然后产生有机质,改造火星的土壤,让火星表面环境越来越像地球,对生命更加友好。

如今,国内外已经有科研机构在开展相关研究工作。2016年,美国国家航空航天局(NASA)肯尼迪航天中心和佛罗里达理工学院联合启动“火星花园”项目,目的就是筛选能够适应火星环境的植物。目前该项目已经进入测试阶段。

解决了食物和氧气问题后,人类就需要通过建设火星基地来解决居住的问题,这又是另一个漫长而复杂的工程。

建设火星临时基地,可以在宇航员抵达火星之前,先用无人货运飞船将满足基本需求的居住舱和非再生式生命保障系统送到火星。建设火星中期基地,至少需要使用物化再生式生命保障技术,实现物质更高效的循环利用。而要建设火星永久性基地,则需要生物再生式生命保障系统,实现物质的100%循环再生。

解决生存问题后,人类最重要的目的是在火星进行科研,把火星当做另一个地球来研究。人类今天对地球的认识并不够深刻,原因就在于缺少一个合适的参照对象,没有跳出地球看地球。如果有一个星球跟地球原本很相似,最终的命运却不同,那么以此开展对比研究,就可以获得很多启迪。

在某种程度上,人类对火星探索的热忱来源于人类对自身生存环境的溯源和扩展。人类对宇宙的探索和对人类自身可能性的扩展永远不会停止,这是人类作为智慧生物的必然追求。或许“火星移民”仍然是一个遥远的梦想,但至少,我们已经迈出了第一步。

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