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火星之旅





这本书并不是介绍一次去火星的旅程，因为去火星的方法还没有选定，并且计算机硬件设备也没有开始规划，或者说是没有确定。火星是地球的邻近星球之一，它数次运行到距离我们相对较近的地方(虽然没有金星那么近)，但问题是，航天器还是不能简单而又快速地越过地球和火星之间的距离。有人认为，发射时间会被定在火星运行到距离地球最近的时候，火箭将从地球表面发射并向火星飞去，在到达火星之前，一路上都是靠发动机飞行。然而并没有这么简单，即使在距离最近的时候，火星和地球之间的距离也有5．6×107km，而且目前没有火箭可以携带足够的燃料和氧化剂(推进剂)来维持航天器的飞行需要。另外，行星也以不同的速度围绕太阳运转。航天器将会成为另一个围绕太阳运动的物体，而且受强大太阳引力的约束。
最形象的比喻就是，太阳系像一个又大又深的碗，而太阳就在它的中心。地球在碗里离太阳不太远的地方运行，但是它的速度不会减小，也不会掉到太阳所在的地方，这是因为碗是光滑的。携带航天器的火箭从地球发射，其速度比地球运行的速度稍微大一点。与地球围绕太阳运行的速度相比，火箭发动机输出的速度是微不足道的。火星与太阳的距离比地球与太阳的距离远，所以火箭的目标(火星)在碗更高的位置运行。在这个光滑的碗中，航天器将不会因减速向太阳飞去，而是具备了飞离相对快速运行的地球的所有条件。但是航天器必须得到更大的速度以到达碗壁的更高位置，从而向火星飞去。这可以通过发射之后的操作实现，但是航天器必须具有一套动力十分强大的发动机。这甚至可以通过不断使用一种叫作离子推进器(已在一些新的无人航天器上应用)的新型动力装置来实现，但是这种推进器没有传统火箭发动机强大。航天器从地球飞行到火星还需要围绕太阳运行半周才能到达火星，这将是一个大约4．0×108km的旅程，而不是火星离地球最近的距离5．6×107km。
从地球到火星探测的人就像前几个世纪的英雄探险者。他们知道要去哪儿，他们知道自己所期待的，而且知道怎么到那儿； 但是这并不能减轻严酷的旅行考验。在出发之前，我们需要进行数量惊人的准备工作： 测试仪器、模拟可能出现的情况、严格地训练宇航员和辅助人员。



训练
宇航员的选拔会受到诸多因素的限制，而且毫无疑问也包括政治和经济因素。宇航员是从全世界还是只从一个国家选拔？选拔的指挥工作是由一个经验丰富的宇航员进行还是由出资最多国家的一些人员承担？宇航员的规模也将决定它的构成。一个大的宇航员队伍将会使任务的各个方面更加专门化，而且一些人员通过交叉训练可以达到处理应急事件的目的； 一个小的宇航员队伍要求宇航员必须是通才，并且具有同时处理多项任务的能力。现在考虑宇航员的组成可能有些不太现实，但是有两个因素在宇航员的挑选中非常重要。第一，宇航员必须具有独立处理一次火星旅程的能力，而且能一起工作确保生存并处理在火星上和返回地球途中遇到的任何意外事件(参见本书第8章“梦想成真”)。可能更重要的是，必须权衡宇航员的经历和职业生涯所受到的辐射剂量。将一队新手送上这样一个极具冒险的旅程是不稳妥的，但是送一队参加过6次任务的老手去冒险也不太适合。虽然宇航经验是宝贵的，但如果考虑到先前的辐射暴露累积，那么他们在这次任务中所遇到的辐射量可能是有害的，甚至是致命的。
如果不知道第一次火星任务的具体细节，就不可能准确地确定飞行前需要进行哪些训练和准备。我们可以参照阿波罗计划及空间站长期任务的经验，而且一些火星训练和模拟项目已经开始，他们所采取的训练方式可以为我们提供一些想法。现在有很多的训练环境和过程可以应用到人类的火星计划中，而且这些都可能被用到，至少可用于评估，为第一次人类火星计划提供最大的成功机会。
地球上的火星
训练将包括模拟真实的火星地形。在地球上有好几处地方可以用来进行此类训练，如澳大利亚的内陆、冰岛、西班牙的力拓露天矿(土壤中的金属含量很高)和美国犹他州的沙漠。作为一个训练基地，这些地区必须与飞船宇航员在火星将遇到的环境相同，或者至少提供合适的环境为将采用的科学技术提供训练基地，正如20世纪60年代参与阿波罗计划的宇航员在冰岛进行地质训练一样。这个地区的地质条件(选择那些看起来和火星相似的地表形态)必须和“海盗号”“火星探路者号”“索杰纳号”或者火星探测漫游车所测得的地质类型、土壤成分相似。


冰岛的内陆是偏僻、贫瘠而又杳无人迹的，它和火星的
表面比较相似(由Andrew Salmon拍摄)



火星学会正加紧在这些地区建立火星模拟研究站(MARS)。第一个火星模拟研究站是加拿大北极高地的突起线火星模拟研究站，它位于德文岛的陨石撞击点(陨石坑)，2000年7月开始运行。第二个是犹他州的火星沙漠研究站（MDRS），2002年2月开始启动。第三个将是欧洲火星模拟研究站的设备，它将在2004年测试，并于2004年5月在冰岛东北部的卡拉夫拉玛花顿地区运行。第四个火星模拟研究站是澳大利亚火星模拟研究站，将于2005年在南澳大利亚的阿卡罗拉地区运行。1997年8月，美国国家航空航天局（NASA）的艾姆斯研究中心在德文岛建立了霍顿火星计划，首次开展相关科学实验和人类因素研究的工作，并将其应用于火星探险者。目前，NASA的霍顿火星计划已经在突起线火星模拟研究站的设备中开展，而且还有一些联合工作正在进行。NASA也在使用犹他州的火星沙漠研究站。


冰岛东北部的火山地区靠近玛花顿湖，它的地形接近火星表面，
火星学会的欧洲火星模拟研究站将设在此地(由Andrew Salmon拍摄)



对于火星学会的探险活动，任务实施前的准备资料将汇总到美国科罗拉多州博尔德市总部，而且每天会通过通信链路发送给每个居住舱的宇航员。宇航员将对从“地球”传来的信息进行解译探讨，并且对每天将要进行的任务进行讨论。每天任务结束后，宇航员会比对记录的笔记，将任务完成情况传回“地球”。
火星学会还设置了从博尔德太空旅行地面指挥中心将数据传输到各个火星模拟研究站的时延。单程时延为5~20min，从而相对真实地模拟从地球到火星的距离。也就是说，从询问一个问题到收到回答的往返时间为10~40min，这个时延可以通过电子邮件在“发送”时建立时延来实现。时延对于语音通信和遥测(工程或者科学数据)也是非常适用的，并且由于存在较长的时延，在火星模拟研究站的重点就是人类在火星的独立性研究。研究站的工作由站内居住者主导，他们很少向“地球”寻求帮助。这种询问工作每天仅仅进行一次，也可能会在每次舱外活动结束之后进行，而且他们已经习惯了不会立刻收到答复的通信环境。
在火星模拟研究站模块中的宇航员也会得到永久虚拟中心的支持。当火星模拟研究站的居住者发现问题或者需要建议和帮助时，这些问题就会被转发到一个虚拟的任务指挥中心，而不是发往博尔德。它们会被发到一个电子邮件地址，而且会被美国任何城市值班的任何人在任何时间接收到。人们寻求帮助回答这个问题，并将回复发送到火星模拟研究站模块［1］。对于真正的火星任务，进行舱外活动的宇航员不可能立即与地球任务控制中心取得联系，这可以简单地用无线电信号时延来解释。然而，他们可以与登陆舱或者火星轨道上的母船(他们当地的“虚拟任务控制中心”)宇航员取得近距离的联系。

设备与程序
除了用外景训练来模拟火星表面，第一次载人火星任务的宇航员和保障人员也必须对任务所用到的设备和程序进行训练，并对宇航员和保障人员进行在火星上工作和来回旅途中适应环境条件和心理状态的训练。这可能包括抛物线飞行、火星重力模拟、封闭环境居住和隔离测试的全过程。
在某种程度上，隔离测试对美国的宇航员来说是相当熟悉的，因为他们在20世纪90年代中后期作为俄罗斯空间站——“和平号”的宇航员在空间站上度过了几个月。在那时与NASA以及家庭成员之间建立可靠、定期联系是很困难的，而且美国与俄罗斯宇航员之间的文化隔离也进一步加剧隔离程度。在20世纪60年代后期，俄罗斯对此也进行了长期研究(与此同时，作为一个紧跟阿波罗计划的项目，美国航天任务小组也开始研究火星任务)，包括在莫斯科和西伯利亚的设备(如Bios2)中进行的长期隔离研究。
但是宇航员并不需要在完全隔离的情况下适应这些设备。在一个封闭环境的生命支持系统(CELSS)中，会容纳所有食物和排泄物。在某种程度上，它在“和平号”空间站和国际空间站中实现了，例如，尿液可以被循环转化成理论上可饮用的水。但是他们没有尝试过固态废物的循环利用，虽然在温室中可以利用。目前，固态废物被弃置，并在地球大气层中烧毁。

去火星的中转站
对于往返火星的旅程来说，国际空间站也是一个潜在的训练场。它具有高辐射环境，但由于处于地球磁场之内，所以没有在月球上那么危险。从太阳喷射爆发出来的物质及宇宙射线也必须加以考虑，所以在选择和培训宇航员、制造运送他们去火星的飞船时，宇宙射线及太阳爆发物质的研究就显得极其重要。在国际空间站中停留3~6个月就可以获得“和平号”宇航员的经验。在20世纪70年代到80年代，苏联将空间站由“礼炮号”发展为“和平号”的同时，也考虑了火星任务。宇航员Valeri Polyakov在“和平号”空间站上生活14个月的记录相当于在火星上停留一个月又返回地球所用的时间。这可能不会是一个很有效率的任务，路程长，停留时间短，不过这种计划在俄罗斯很常见，Polyakov在结束“和平号”空间站上的任务之后状态迅速恢复，证明了如此长的旅程对于人类是可行的。使用国际空间站的问题是，训练是在地球轨道上进行的，这对于深空旅行是可以的，但对于模拟火星条件是不太合适的，除非通过旋转训练模块或者它的内部结构来使飞船重力减小。
如果考虑未来的火星任务而建立合适的设备，零重力的问题就可以通过在月球上训练来解决。月球上的低重力(虽然月球上的1/6地球重力比火星上的1/3地球重力低)、高太阳辐射环境可能对解决火星上的相似问题有帮助，其中包括通过“躲避和遮掩”程序来度过太阳事件，例如耀斑。同样，在离地球较近的不利环境下，穿着宇航服并进行表层野外地质工作对火星任务是一个较好的练习，特别是舱外任务结束后对宇航服的清扫和保养工作。在火星任务或者在月球模拟任务中，数次必要的出入舱可能导致宇航服的磨损和宇航员的受伤。在进行火星表面勘探计划中，磨损率可能是一个主要影响因素。
低重力下的生活
与无重力下的人体研究一样，关于低重力的研究也很多。这里指的是在1/3地球重力(火星上)或者1/6地球重力(月球上)下的研究工作。火星学会将首先开展这一测试，通过将小卫星定位在地球的近地轨道来模拟1/3地球重力。在美国宇航局的KC135“呕吐彗星”、欧洲空中客车的类似试验以及俄罗斯的伊尔76中，都进行了微重力(零重力)模拟，但是没有做过低重力(重力不为0)模拟，所以也没有人知道长时间处在火星的1/3地球重力下将会产生何种影响(不论是一个月还是一到两年时间)。我们都知道失重环境对人体有害(例如使肌肉和骨骼退化)，但是我们并不知道在1/3地球重力下的影响。少量的重力可以减缓骨骼和肌肉的退化吗？这个可以通过在抛物线轨道上长达30s的飞行来模拟，由于这种飞行不能持续模拟低重力环境，所以它只是一种有限的模拟实验。通过使用大的水箱来进行实验，例如美国国家航空航天局桑尼卡特中性浮力实验室进行的失重训练，再配上精心计算的水量也可能产生一个1/3地球重力的重力模拟，但它的缺点与零重力模拟实验相同： 水具有黏性。通过这样的训练，只能在有限额度或者有限时间下进行模拟。唯一能真正了解在火星重力条件下对人体影响的方法就是去那里亲自感受。 
然而，低重力并不是唯一需要考虑的火星条件。火星有它自身的大气、环境和气候条件，这些都可能对人类任务产生潜在的威胁。火星的夜晚很冷，而且也具有四季的变化。不论是约翰逊航天中心还是艾姆斯研究中心都进行了火星等效试验，但都是在实验室条件下进行。它可能是一个户外的沙坑，但是在“友好的环境”中。火星通常会遭受宇宙射线及太阳耀斑的辐射，表面可能会产生沙尘。在这样的环境下，设备的全面测试必须在地球上的极端条件下，或在空间站(例如国际空间站)、月球上进行。
这就产生了一个问题，这样的训练到底需要有多逼真。考虑到去火星的任务需要面临恶劣的环境，答案就是“尽可能的逼真”，但是这可能会有一定的风险。在火星上的每一分钟都是很危险的(例如一系列的环境问题)，而且虽然地球上相似环境的模拟可能会产生相同的效果，但是道德方面的因素也应该考虑。这种训练可能对火星潜在环境的应对更有效，但如果训练是如此的真实，那么危险因素就会很高。这就如同军队的实弹训练，它是非常真实的，但是必须平衡受训人员的意外受伤或者死亡的潜在可能性。这样高风险的训练——例如在俄罗斯进行的“太空旅游”培训——已经在太空任务中进行了。如果不清楚他们是否能处理在相似环境下的训练任务，而将其送上国际空间站，这样的候选者穿着太空服在真空室进行测试实验是毫无意义的。在非常真实的测试环境中，就算是在最严格的控制和管理秩序下，死亡或受伤的风险显然也是非常高的。
工作的工具
任务的一个重要方面是火星宇航员组必须使用的装备和他们必须遵循的规程。由于来自地球任务控制中心的帮助具有很大的延迟，所以火星宇航员必须依靠自己，他们必须对设备非常了解，并可以处理意外的或者未知的突发事件。这些被运往火星的仪器设备会在地球重力下进行测试，也可能会在抛物线飞行或地球轨道飞行器上进行测试，以模拟失重状态或者火星重力(1/3地球重力)，这些设备必须能承受在发射和中止过程中产生的超重、火星上的低重力和宇宙旅途中的无重力状态。这样的测试可能会在月球上进行，但在月球环境下，测试的步骤可能会很复杂，因为它是低重力、高辐射水平、没有大气层、没有天气变化。
在地球上使用的设备可能在火星上也能工作，这是美国人尤其要注意的。设计美国太空任务所用设备的人，倾向于从零开始，而不是设计一些地球上使用的设备，并确定它是否能在太空任务中使用。结果就是开发设备花了一大笔钱，但只能在太空中应用。获得合同的公司会投资训练、测试新技术，进而生产出很有用的终端产品，但它是一种非常昂贵且有局限的产品。例如，地球上使用的扳手在太空上表现得很好，然而一个仅用于太空的专用扳手将会被稍稍调整，也许确实能被改进，但是成本很高。另外，带往火星模拟研究站的一个扳手既可以用来拧开螺母也可以作为铁锤使用［1］。
相反地，带往火星的设备数量必须与有限的可用空间和可用质量相匹配，所以设计较小而更有效的多功能设备就是最好的选择。有趣的是，我们可以发现，在“和平号”及国际空间站中那些动手能力强的人(例如在家里自己修理汽车)，往往都喜欢从来访的供给飞船中获得所有的备用零件和修好的零件，并为空间站建立一个维修工作台。例如，Don Pettit为了避免照片模糊，自己搭建了一个“地球观测”摄像跟踪系统，所以这可能仅仅是一个在宇航员中合理分配人员并为其提供一套工具的问题。
无论什么设备都需要制定一个进度时间表，包括设备的测试台。在实地部署实验需要多久？对带回实验室舱的样品进行分析需要多久？在挑选出最好的样品带回地球之前，多少样品需要进行处理？在必须开展更多舱外活动之前，高压区中的多少任务可以实现？穿上宇航服或者从地面返回后掸去灰尘需要多久？用配给的口粮和饮用品准备一顿饭需要多久？收到来自地球的信息、进行信息分析、准备舱外活动的规划周期有多长时间？一天中有多少休息时间？在地球重力环境下，俄罗斯人为太空实验室进行的SMEAT测试中对这类问题进行了分析，而且宇航员对地球重力环境下以及阿波罗月球任务环境下进行的同样的任务进行了口头比较。第一次火星任务将收集在地球重力环境下与火星环境下执行相同任务的差异，并根据第一批宇航员的经历对今后的任务进行修正。
一些步骤的测试已经在火星模拟研究站的设备中开始进行，或者将在新的研究站中进行。对于居住舱和实验室舱返航的感染控制将会在新的欧洲火星模拟研究站进行，包括对舱外活动后的完成量的检查步骤，以及在实验室舱中处理样品。样品上的灰尘必须清除，进行舱外活动的宇航服必须进行清扫，将灰尘全部移除(目前采用手持吸尘器进行该工作)［1］。对于火星任务，样品的分析工作也必须在下次舱外活动之前完成，这样分析结果才能合并，并可以对舱外活动时间表及位置进行修订。如果已经得到了足够数量的特殊地质标本，那么在下次的舱外活动中就可以去其他地方寻找新的标本。
无菌条件下的样品分析可以在小规模的月球样品实验室(像在约翰逊航天中心)中进行有效模拟。当在火星上无法采取那些在地球上既必要又有效的技术时，确保无菌就变得异常艰难。这就好像在野外条件下开展手术，不能保证无菌环境。
最后，就是在火星模拟研究站设备上进行操作研究，例如，野外地质生活与工作在居住模块的封闭环境中进行。在污染破坏、气压泄漏的情况下，也有模拟的紧急程序测试，例如，在沙尘暴或者太阳耀斑活动的情况下，有“躲避和掩护”程序。这不仅与设备测试有关，也与群体互动及心理状况有关，而且也存在对人和设备同时测试的地方。火星上的宇航员怎样应对地球上出现的一些事件，如丧亲或重大灾难？他们会被训练处理这些可能事件或者在宇航员中设置一个辅导员？这让我们必须考虑人性方面的因素，并需要宇航员具有应对这次任务并确保成功的素质。

飞船宇航员
俄罗斯人过去是心理学研究的高手，尤其是对飞船宇航员。他们热衷于研究宇航员之间是怎样相互影响，指挥官是怎样受其他人员的影响，宇航员作为一个实体是怎么相互作用的。至关重要的是，火星任务的飞船宇航员必须处于良好的状态，而且长时间作为一个团队一起工作。这对于几天或者一周的地球轨道任务来说是非常容易的，但是在火星任务中情况完全不同。这是人类第一次离开地球长达两年之久，所以需要一种能适应长时间离开地球并能保持健康状态的心理素质。这就是心理研究及宇航员之间相容性研究如此重要的原因，因为他们根本看不到地球。相对而言，在“和平号”或者国际空间站上的任务只需要一天的时间，整个过程中百叶窗都是开着的，而且可以看到下面的地球。大多数的地球轨道宇航员通过凝视窗外来打发他们的空闲时间，而且在吃饭或者锻炼的时候也做着同样的动作，但这在火星任务中是不可能的。
从以往的经验，诸如Ernest Shackleton尝试到达南极点的经历中，我们可以学到，一个强有力的领导是多么重要，这将是火星任务所必需的。Shackleton的任务成功了，并不是因为他们起初的目标，而是因为他们全都安全地活着回来了。这很可能缘于Shackleton的个人性格。
人的技能
毫无疑问，仅从任务之间进行比较，载人任务比机器人任务要昂贵得多，但这是一种不全面的比较。为完成火星上的科学工作所进行的训练可同样用于以后宇航员的训练，在完成火星任务中采用的技术可以被以后的宇航员使用。这是一种连同其他技能习得及知识转化的重要过程，所以载人登陆火星比纯粹的机器人探测任务更有可能成功。
机器人可以用来调查火星的构成、监测天气和采集样本并带回地球。这是“勇气号”和“机遇号”所从事的火星样品采集计划，火星样品返回计划将在2010年之后进行。人类探险家仍然需要进行野外地质研究及火星固有生命或生命化石的探索，因为人类可以从经验中获得大量的知识，而且具有将一系列的意外观察联系起来的能力。他们可以识别细微的线索，并能评估和分析相应情况； 他们能整合来自多个传感器的输入数据，并分析它们之间的联系； 他们会对新形势进行回应，并相应调整策略。另外，他们出现的情况会比机器人更难预料。他们会遭受病痛、乡愁、封闭导致的压力、饥饿及口渴。相比之下，机器人对于重复性任务表现得非常好。就像计算机程序一样，它们善于收集大量的数据并进行简单的基本分析，所以它们具有卓越的勘测能力。它们也具有非常好的预见性，并能根据收集的数据对推测结果进行检验。但是它们很难为新任务重新配置程序，而且容易受到机械和制造错误或者人工操作失误的影响。
人类的能力和移动性也是非常重要的因素。难道载人飞船比地球控制的机器人飞船飞行得更快、更远吗？机器人可以胜任很多任务，而且能持续工作，因为它们不需要吃饭、睡觉及休息。但是如果出现机械错误，怎样修理呢？而具有适当技能的人可以确保一切在良好的状态运行［2］。
人类拥有无限的适应能力。当遇到问题时，他们有能力应付意外事件，而且可以想办法解决问题。另外，机器人则遵循一定的模式来进行任务活动，人类却能改变这种流程。人类还具有直觉，这是一种心理特征和大脑技巧。虽然不能解释为什么或者怎样觉察到的，但是他们能感觉到去做什么。人类对变化环境快速反应的能力对于火星任务来讲是至关重要的。
同样，在选择宇航员之前，还存在某些约束条件。一些宇航员可能是新手，而其他人具有在太空飞行的经验，但是一个复杂情况是关于一生辐射量的问题。飞往火星的最佳人选可能是那些从来没有超越近地球轨道飞行的人或者是某一年龄段的人。有可能全部宇航员的年龄都在60岁以上，这样就不会因辐射暴露增加的癌症风险而大大缩短他们的寿命。也使得训练和经验之间达到了某种平衡。宇航员是由那些能够处理各种情况的人组成吗？他们会由于长期的深空辐射飞行，在完成重新适应后可能不会活很久； 或者是那些没有经验的宇航员他们不会受诸如长途飞行而产生的一生辐射剂量限值的影响，但他们可能会因为经验不足反而成为更大的负担。