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在去火星种土豆之前,我们该做些什么

看完《火星救援》的时候,我们开玩笑说:“还说什么真实,这个片子简直假得不能再假了!NASA怎么可能搞到那么多钱做那么大的项目!”

但有一件事情我没好意思说出来:今天的NASA拿到的钱并没有少很多。除了建立初期和太空竞赛初期之外,年预算一直是折合今天200亿美元左右。譬如2015年,NASA的预算为180.1亿美元。

五十年前,人类花了八年时间抵达了月球,NASA最有钱的时候(1966年)预算折合今天435亿美元。可是五十年后的今天,就算预算减少了一半,但技术进步了这么大,计算能力翻了这么多倍,材料有了这么多提高,五个八年过去了,为什么还是没有迈出前往火星的步伐?

去火星真的这么难吗?还是在别的地方出了什么问题?

答案也许就在一个意想不到的地方——马克·沃特尼,《火星救援》主角的身上。

庞大计划,望而却步

“我们选择去月球,不是因为它很容易,而是因为它很难。”1961年5月,美国总统肯尼迪下定决心后,整个国家变成了一台“登月机器”,在十年内完成了把人类送上月球的壮举。当这一切尘埃落定后,志得意满的美国显然认为不再有继续努力的必要。与此同时,在登月竞赛中输得一塌糊涂的苏联也一蹶不振,人类前往地外天体的步伐就此止步于月球,直至今日。

人类登月20年之后,1989年,新任美国总统老布什首次提出了登火星的“路线图”。它有着名为“太空探索计划”(Space Exploration Initiative,SEI)的高端大气的名字。计划的第一步,是在20世纪末建成“自由号空间站”作为装配巨型飞船的基地;第二步,在21世纪初重返月球并建立月球基地;最后,用一艘“太空堡垒”般的巨型飞船将人类送往火星,途中展开为期一个月的登陆考察。

SEI构想的自由号空间站。图片来源:Wikimedia

熟悉吗?没错,它看起来就像是《火星救援》中的世界观。庞大的状如空间站一般的“赫尔墨斯”号巨型飞船,还有硕大的轮状人工重力舱,无一不是在向火星计划SEI致敬。片中火星表面的任务时长为31天,这也与SEI的设计不谋而合。

电影中庞大的“赫尔墨斯”飞船就是SEI的遗产。图片来源:http://blog.chron.com/

而这个计划的下场呢?SEI提出三个月后,NASA组成的评判小组很快做出了一份被后世称为“90天报告”的文书。该文书称,把人类送上火星的底价是4500亿美元。这是二战以来规模最大,耗资最巨的政府计划。很自然地,SEI在广泛的质疑声中流产了。

严格说,它并没有彻底死掉。本该由美国单枪匹马独立打造的“自由号空间站”现在拉上了俄罗斯和其他国家一起,改名成了“国际空间站”——然后,工期一拖就是近20年。2005年,老布什的儿子小布什父志子酬般提出了“星座计划”(Constellation Program),打算在淘汰航天飞机后改用新一代的“战神I号”火箭和“战神V号”火箭组成客-货联合运输体系,推送2.0版的阿波罗飞船——“猎户座”飞船重返月球,并在月球表面建立基地,以期支援未来的载人火星任务。这项计划几乎可视为SEI的复兴,结局也近似——于五年后被新上任的总统奥巴马废止,代之以“太空发射系统”(Space Launch System,SLS)这样一个前景并不明确的火箭项目。

“星座计划”中,与“猎户座”飞船对接中的,使用核热火箭推进的地球-火星转移飞船。图片来源:i.ytimg.com

难道远大理想有什么不对吗?当然没有什么不对。问题是,人类历史上的伟大探索者,几乎没有一个遵循过如此事无巨细的庞大计划。

把地球带去火星,还是把火星变成地球

如果没有那场火星风暴,那么《火星救援》的故事就不会展开,战神计划也就会一帆风顺地进行下去,用巨额的成本来换取一个又一个三十天短途逗留。这样的计划,恐怕注定只能停留在好莱坞电影中。

然而,因为一场现实中不会发生的灾难,一切都变了——不是变得更虚构,而是更真实了。当马克·沃特尼孤身一人困在火星上时,他比赫尔墨斯号的所有船员、比NASA的全部员工、比地球上全部的70亿人,都更加接近真正的火星之路。

那就是,像火星人一样在火星上生存。

就在NASA论证SEI计划的近乎同时, NASA空天工程师罗伯特·祖布林提出了“火星直击”计划(Mars Direct)。该方案只需要两次发射即可完成一次火星探索任务。SEI试图从地球出发时就带上全部物资,而“火星直击”则立足于火星表面,利用当地资源就地生产火箭推进剂,从而节省了大量物流成本,而这一切只需要19世纪的化工技术。与郑和船队般壮观浩荡的SEI相比,“火星直击”就像是哥伦布简陋的三桅小帆船。然而,我们都知道是后者发现了新世界。

SEI在相当多人的脑海里树立了一道不可逾越的高墙——去火星需要建造庞大复杂的飞船,需要月球基地,需要比化学燃料更先进的推进技术。然而“火星直击”告诉我们,这一切完全是多余的。每次“火星直击”任务只需要每两年发射两枚重型火箭就可以完成整个任务。只需要当下的技术和决心,我们就可以出发。

“火星直击”的硬件亦可用于月球基地建设。图片来源:http://www.oocities.org/

电影中的“赫尔墨斯”号飞船采用核裂变离子发动机,这项技术可以有效提升载荷容量,降低火星的货运成本,但实际上并不能压缩太多旅途时间。在未来的地球-火星运输体系中,核裂变火箭和太阳能火箭将主要用在大宗货物的运输上。在此之前,我们完全可以用现有的化学火箭来承担初期的载人和货运任务。每次探测任务需要两枚火箭,其中一枚火箭提前26个月出发,向火星运送返地飞行器ERV。与影片中的MAV稍有不同,ERV是一枚两级载人火箭,宇航员们将直接乘坐它返回地球,而不再需要和火星轨道上逗留的“赫尔墨斯”号飞船对接。

出发时的ERV几乎是空载的,燃料罐中只携带了充当制造返程燃料的原料的一小部分液态氢。到达火星后,ERV会利用自带核反应堆的电力驱动小型化工厂,从火星大气中源源不断地抽取二氧化碳与氢化合,通过化工生产中相当成熟的萨巴蒂尔甲烷化反应制成甲烷和氧气,只需花8个月就能充满燃料舱。事实上,制造的燃料不仅可供ERV返程使用,还可用于驱动载人火星车进行火星表面探测,这样一来就可大大扩展人类在火星表面的机动能力。对于在火星上流浪的沃特尼来说,燃料驱动的火星车绝对是个好东西,因为他再也不用动不动就停下来充电了,大可以一口气开到夏帕雷利环形山去,路上也不用担心尘暴导致的太阳能电池功率衰减,比电影中的太阳能动力火星车靠谱多了。

第二枚火箭将火星降落飞行器MDV连同四名宇航员送往火星,他们将降落在先前ERV的着陆点附近。着陆后,MDV自动变为火星居住舱。与此同时,另一枚运送ERV的火箭同时出发,如果之前的ERV因故不能发射,宇航员还可依靠新的ERV返回地球。整个任务为期两年半,地球和火星间的往返共需花费一年时间,剩余的一年半时间里,所有宇航员都呆在火星地面上进行考察任务,受到火星大气的保护,而不需要逗留在飞船里经受太阳辐射和宇宙射线的洗礼。任务完成后,当他们从火星启程之前,还可以对将要乘坐的ERV进行充分的维护和检修,做好发射前的一切准备工作。

当然,还是有相当一部分人对极简主义风格的“火星直击”心有疑惧。为此祖布林也提出了一个妥协方案:增加了一个留轨的返地飞船ERV,原先的ERV改为火星上升飞行器MAV,只需要飞到环绕火星轨道与ERV对接即可,不再需要直飞地球。这一方案被称为“火星半直击”(Mars Semi-Direct)。1997年,NASA也提出了名为“设计参考任务”(Design Reference Mission,简称DRM)3.0版的载人火星任务方案,基本沿袭了祖布林“火星半直击”的构想。

“火星半直击”(DRM 3.0)中,相互连接的MDV/火星居住舱。图片来源:Wikimedia

“火星半直击” (DRM 3.0)中,留轨待命的ERV与MAV会合。图片来源:sites.google.com, spaceodysseytwo

不幸的是,在后来与“星座计划”相匹配的DRM 5.0版本中,一切又回到了原点——需要依靠核裂变火箭发动机,发射七枚重型火箭和一枚载人火箭,并完成四次近地轨道组装才能实现一次火星任务,这与“火星直击”的思路背道而驰。随着“星座计划”的废弃和SLS项目的上马,各路载人火星任务方案也在NASA的一堆堆纸面文件上你方唱罢我登场,却改变不了它们耗资巨大,周期漫长的实质。火星之旅,依然前途渺茫。

DRM 5.0的任务架构示意图。图片来源:NASA

为什么要送人,而不是机器

把人类送上火星真的如此必要么?相当多的研究者应该都有类似的困惑甚至质疑。把人类送上火星意味着要花费比向火星发射探测器多得多的资金,既然我们已经发射了如此众多的火星人造卫星、火星着陆器和火星车,它们难道不可以替代人类完成探索火星的任务吗?把节省下来的资金用于支持更多的无人太空探测任务岂不是更好?

苏联当年也做过类似的宣传。在当年阿波罗登月如火如荼之际,苏联向月球发射了数枚自动采样返回装置和两辆自动月球车,并且通过官方媒介大力宣传自动探测器的好处:比阿波罗飞船便宜得多,并且不会让宇航员置于危险环境中。苏联的自动探月装置当然是了不起的成就,但和阿波罗飞船带回的382千克月球样品相比,苏联的三枚采样飞船带回的326克样品似乎略显寒酸(请注意一个是“千克”另一个是“克”)。并且,苏联的采样飞船只能在登陆点附近随机挖一勺子土样,或者估摸着钻个孔取得岩芯。和阿波罗任务由经受训练的宇航员有计划有选择地取样相比,两种样品的科学价值显然相差甚远。

月球是如此,火星也是如此。太空探索离不开人类即时的判断力和行动力。尽管我们已经向火星送去了众多无人探测器——“海盗”“探路者”“勇气”“机遇”“好奇”号等等,尽管它们已经帮助我们越来越深入地认识这颗红色星球,我们仍然应该亲自去那里看一看,而不应该被某种“无人探测器朋克”情结所束缚。好奇号火星车是如此先进,然而它与人类操纵者的联络仍然受限于火星中继卫星飞过头顶的时间,以及火星着陆点朝向地球的时间。科学家需要帮它事先制定好详细而周密的行动计划,再苦苦等待它将考察获得的数据传回,作为下一次行动的依据。每一轮行动都要花去数天时间。并且,它们的机动范围和应变能力也极其有限。当发生任何突发情况时,远在地球控制室里的人几乎帮不上任何忙。正如祖布林所说的那样,“把勇气号或好奇号这样的火星车投放到落基山里,恐怕下一个冰河期都来了,它们还没找到一块恐龙化石。”换做是人类,就能在机遇或挑战来临时瞬间做出应有的抉择,并进一步将火星建造成人类文明的第二个家园。

当人类亲临那里时,一切都将不同。(编辑:Ent)

The End

发布于2015-12-12, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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广林星云

无机化学研究生,天文爱好者

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