“火星計(jì)劃”背后的高科技

邱林

俄羅斯設(shè)想的火星氣象站

7月23日，中國首個(gè)火星探測器“天問一號(hào)”發(fā)射升空，成功進(jìn)入預(yù)定軌道，標(biāo)志著中國正式開啟火星探測之旅。目前，美國、俄羅斯、印度和日本等國都在推進(jìn)“火星計(jì)劃”。人類把目光投向火星，是為未來大規(guī)模開發(fā)這顆星球乃至實(shí)施星際移民作準(zhǔn)備，火星還可以作為人類走向宇宙更深處的前進(jìn)基地。為了實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)，需要在3個(gè)領(lǐng)域推進(jìn)一系列蘊(yùn)含高科技的開發(fā)項(xiàng)目。

火星居住區(qū)

據(jù)美國《航空航天技術(shù)周刊》報(bào)道，火星上首先將建立供機(jī)器人活動(dòng)的區(qū)域，最終目標(biāo)是建成人類居住區(qū)?；鹦巧系难鯕饷芏仁堑厍蛏系亩俜种?，因此人類想在火星上直接呼吸是不可能的。另外，火星上的平均溫度是零下53攝氏度，裸露在外的皮膚會(huì)被凍傷。因此，人類在火星上的居住設(shè)施需要精心設(shè)計(jì)、嚴(yán)密防護(hù)。

美國航空航天局（NASA）設(shè)計(jì)了一種小型火星基地，它將成為美國首批火星探測人員工作和生活的場所。它是一幢兩層樓高的馬蹄形建筑，下層被分割成幾個(gè)區(qū)域，有一個(gè)區(qū)域?qū)ｉT用于保存和測試太空服和頭盔，其他區(qū)域放置食品以及各種測量、冷卻和加熱設(shè)備。上層是起居室，里面配備床、計(jì)算機(jī)等，墻上有火星地圖和工作人員任務(wù)表。

根據(jù)NASA專家的設(shè)想，火星基地中的一切都必須遵循“太空規(guī)則”：每天食用少量食物;時(shí)刻保持與地球控制中心的通信暢通;人員外出必須穿上太空服、戴上頭盔、背上呼吸裝置。

俄羅斯的火星基地計(jì)劃也頗具亮點(diǎn)。俄羅斯、西班牙和芬蘭的研究人員正在聯(lián)合設(shè)計(jì)火星氣象觀測站，該項(xiàng)目的獨(dú)特之處是，從地球上向火星發(fā)射一顆繞火星飛行的衛(wèi)星，以便測量火星表面的溫度、氣壓和風(fēng)速等數(shù)據(jù)，然后傳輸給火星氣象觀測站。氣象站可以對(duì)火星的大氣、磁場和地質(zhì)信息進(jìn)行探測，從而為火星基地的運(yùn)行提供支持。

但是，俄羅斯在火星上建立氣象站面臨一定的困難?；鹦菚円沟臏囟仍诹阆?0攝氏度到零上10攝氏度之間變化。因此，所有設(shè)備都必須經(jīng)受嚴(yán)峻的低溫考驗(yàn)。俄羅斯先進(jìn)的電子設(shè)備所能承受的溫度范圍為零下55攝氏度至零上125攝氏度。目前俄羅斯正在進(jìn)行耐低溫材料的研究開發(fā)工作。

初期工業(yè)開發(fā)方案

據(jù)西班牙《五日?qǐng)?bào)》報(bào)道，開發(fā)火星，資源為先。這并不是說要開發(fā)火星上的資源為地球所用，而是就地取材，供火星居住區(qū)使用。根據(jù)目前各國探測火星所取得的研究成果，已經(jīng)可以明確在火星上生產(chǎn)一些工業(yè)原料的技術(shù)手段。

首先是輸電線。在地球上，輸電線主要采用兩種金屬——銅和鋁。在火星土壤中，氧化鋁的含量達(dá)到10%，因此，用鋁生產(chǎn)輸電線是最佳選擇。在傳輸?shù)攘侩娏鞯那闆r下，所需鋁線的質(zhì)量約為銅線的一半。在火星的初期工業(yè)開發(fā)中，從地球上運(yùn)送銅料到火星上，不如直接從火星土壤中電解鋁來得經(jīng)濟(jì)。

其次是電池。鑒于火星上的大氣環(huán)境，內(nèi)燃機(jī)和燃料電池都無法使用，只能選擇封閉式的蓄電池。地球上主要的蓄電池有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池和鈉硫高溫電池。火星的礦物中目前沒有發(fā)現(xiàn)鋰元素，而火星土壤中含有大量氧化鉀、氧化鈉;火星南北極的冰可以提供氫;另外，火星巖石中鎳的含量約為5%。鎳氫電池所需的電解質(zhì)是氫氧化鉀，用氫和氧化鉀就可以生成。綜合火星上易獲取氧化鉀、鎳和氫來看，未來的主要蓄能裝置應(yīng)該是鎳氫電池。

最后是電機(jī)。地球上使用的電機(jī)主要為銅線電機(jī)和鋁線電機(jī)，雖然銅線電機(jī)具有節(jié)能、高效、壽命長的特點(diǎn)，但火星上缺少銅，而氧化鋁儲(chǔ)量較大，所以工業(yè)上應(yīng)以使用鋁線電機(jī)為主。另外，在缺乏橡膠、塑料等絕緣材料的情況下，在鋁線表面通過化學(xué)作用產(chǎn)生氧化鋁，可以直接充當(dāng)絕緣材料。

另據(jù)日本《神戶新聞》報(bào)道，火星上還有一些資源可以為人類所用?；鹦潜睒O地區(qū)發(fā)現(xiàn)了高氯酸鹽，這是生物進(jìn)行新陳代謝所需要的一種化合物，可用于配制強(qiáng)化人類生命系統(tǒng)的制劑;火星土壤在理論上可以耕種作物，只是需要進(jìn)行一些處理，去除不利于作物生長的成分;火星上的硅酸鹽可用于生產(chǎn)3D打印材料;盡管火星大氣層中的二氧化碳很稀薄，但通過一些技術(shù)手段仍然可以生產(chǎn)甲烷，以作為火星基地的燃料。

火星基地及車輛想象圖

火星基地及飛船想象圖

“地—火”運(yùn)輸動(dòng)力系統(tǒng)

人類建立火星基地后，地球與火星之間如何實(shí)施人員和物資運(yùn)輸是一個(gè)繞不開的問題，需要開發(fā)高效的“地—火”運(yùn)輸動(dòng)力系統(tǒng)。

從20世紀(jì)70年代至今，各國發(fā)射的航天器大都采用肼類燃料（無色油狀液體，用于推進(jìn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)），美國“好奇號(hào)”火星探測器就是靠肼類燃料的推動(dòng)順利抵達(dá)火星的。肼又稱聯(lián)氨，它有一個(gè)可怕的缺點(diǎn)——?jiǎng)《?。人類無論是吸入揮發(fā)的肼類氣體，還是與液態(tài)肼接觸，都會(huì)受傷。肼尤其對(duì)眼睛有刺激作用，還對(duì)人體皮膚和肝臟有強(qiáng)烈腐蝕作用。這一特性導(dǎo)致肼類火箭燃料較難進(jìn)行運(yùn)輸和儲(chǔ)存。未來的載人火星飛船，以及往返地球與火星之間的貨運(yùn)飛船，都要使用大量燃料，這是一個(gè)必須解決的問題。

據(jù)美國《航空航天技術(shù)周刊》報(bào)道，近日，美國空軍科學(xué)實(shí)驗(yàn)室找到了替代肼的新型燃料。它比肼更安全，釋放的能量也更大。這種新的火箭推進(jìn)劑名為“高能量離子液體”（EIL），它以液體形式存在，便于運(yùn)輸和存儲(chǔ)。美國科學(xué)家霍金斯表示：“EIL的主要成分包括經(jīng)過特殊處理的硝酸羥胺等，是頗具潛力的火箭燃料。它非常穩(wěn)定，便于使用。另外，EIL的毒性低于咖啡因，對(duì)人體沒有危害。它還是一種綠色環(huán)保燃料，燃燒后僅排放水蒸氣等無毒氣體?！?/p>

EIL點(diǎn)燃時(shí)，釋放能量產(chǎn)生巨大的推力，這也帶來一個(gè)問題：如何確保使用EIL的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不被高溫?fù)p傷。美國空軍科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目經(jīng)理邁克爾·貝曼表示：“大部分火箭發(fā)動(dòng)機(jī)都經(jīng)受不住EIL產(chǎn)生的高溫。我們委托波爾航天科技公司研制出一種火箭發(fā)動(dòng)機(jī)制造材料，這種新型耐高溫材料能承受EIL產(chǎn)生的高溫?！?/p>

據(jù)俄羅斯《紅星報(bào)》報(bào)道，“電磁推進(jìn)航天發(fā)動(dòng)機(jī)”是未來“地—火”運(yùn)輸?shù)睦硐雱?dòng)力系統(tǒng)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)由可產(chǎn)生微波的磁控管以及積累微波能量的共振器構(gòu)成。它能產(chǎn)生一種“有別于燃料燃燒的推力”。這種發(fā)動(dòng)機(jī)具有推力大、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，可為深空探測等航天工程服務(wù)。以這種發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)制造的動(dòng)力裝置，能讓從地球出發(fā)的飛船在幾個(gè)月內(nèi)抵達(dá)太陽系邊緣。成熟的“電磁推進(jìn)航天發(fā)動(dòng)機(jī)”，可以在70天內(nèi)把飛船送到火星，而目前采用傳統(tǒng)燃料的無人探測器，需要約210天才能從地球抵達(dá)火星。

據(jù)介紹，“電磁推進(jìn)航天發(fā)動(dòng)機(jī)”的工作原理是：通過磁場產(chǎn)生的電場對(duì)帶電離子進(jìn)行加速，形成等離子射流，推動(dòng)飛行器前進(jìn)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)讓航天器擺脫了化學(xué)燃料推進(jìn)劑的束縛，為人類在宇宙中走得更遠(yuǎn)提供了可能。該動(dòng)力系統(tǒng)可以為長期的航天任務(wù)提供更高效、更安全的動(dòng)力。配備這種發(fā)動(dòng)機(jī)的新型航天器可以遠(yuǎn)距離運(yùn)輸大量物資，以便在火星等星球上建立基地。

《紅星報(bào)》指出，“電磁推進(jìn)航天發(fā)動(dòng)機(jī)”是各國競相研究的重點(diǎn)，中國、美國、俄羅斯和歐洲國家目前都在該領(lǐng)域進(jìn)行科研攻關(guān)。

編輯：姚志剛 winter-yao@163.com