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登陸火星前先在太空種辣椒? 解決溫飽后還需邁過“三座大山”

2019年08月30日 11:37來源:科技日報

日前,國家航天局對外發布我國首次火星探測任務科學目標先期研究團隊招募公告。據悉,此次計劃將于2020年實現火星環繞、著陸和巡視,對火星開展全球性、綜合性的環繞探測。

相較于我國穩扎穩打的火星探測計劃,美國人似乎很著急,已經開始研究在太空中種辣椒,以保障宇航員在飛向火星路途中的營養。畢竟,美國國家航空航天局(NASA)的原定計劃,是在本世紀30年代將宇航員送上火星,而這是一段長達半年之久的漫長旅途。

然而,在太空種辣椒并非火星探險者們面臨的最大問題。全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩向科技日報記者介紹,登陸火星任務分為發射、巡航、下降和著陸、表面操作幾個階段。即使是無人探測器,想要登陸火星也是困難重重,再帶上宇航員,難度將倍增。

畢竟,人類連30萬公里遠的月球都遲遲未能重返,登陸火星的難度可想而知。

飛向火星超遠距離帶來大困擾

火星距離地球最近時超過5000萬公里,最遠約4億公里,是地月距離的上千倍。這樣的距離帶來了一系列麻煩。

第一個問題是通信。龐之浩介紹,無線電信號在火星與地球間往返一次,延時最長可達40分鐘。信號衰減也很嚴重,其強度僅為從月球發回信號的百萬分之一。

因此,對于飛船變軌、近火制動等精度要求極高的操作來說,等待地面指令無疑是行不通的。而要由飛行器獨立完成這些操作,就要求它具有很強的自主能力。

由距離造成的另一個問題是飛行時間。基于現有技術,飛行器從地球飛到火星需要8個月。種植蔬菜可以滿足宇航員的口味和營養需求,但長期失重環境以及空間輻射對人體健康造成的影響,科學家們還在苦苦尋找對策。

除了健康問題,宇航員還將面臨心理上的挑戰。試想,6個人在狹小的艙內關8個月,每天漂在一起面面相覷,還要不時經歷難以預知的風險,那滋味簡直比坐牢還難受。雖然許多國家開展過各種試驗,模擬火星飛行、登陸過程,但地面演習畢竟無法跟太空實踐相提并論。

最直接有效的解決辦法是縮短這段旅程,但這需要宇航運載工具迎來變革。龐之浩介紹,美國與俄羅斯正在聯合研制核動力火箭,能將火星旅行時間縮短到2個月。但該方案不僅存在眾多技術難題,還有一個嚴重的副作用——核動力產生的輻射,相當于讓宇航員每天拍8次X光片。與核動力相匹配的防輻射措施問題,目前尚待攻克。

另外,擁有四分之一華人血統的美國前宇航員張福林,其成立的公司正在設計一款“可變比沖磁等離子體火箭”。這種核電火箭據說僅需1個月就能飛到火星,但相關技術還處于研究階段,距離工程應用遙遙無期。

降落著陸“恐怖7分鐘”考驗科技力量

所以目前看來,宇航員還需先熬過8個月的“磨煉”,才能看到火星。當飛船精準完成近火制動后,他們將迎來火星旅程中最兇險的階段——降落著陸。

龐之浩說,進入火星大氣時,探測器能接收到的遙測信號十分微弱;當它運行到火星背面時,地球上又無法準確獲取其軌道參數。再加上通信延時的影響,火星著陸過程完全需要探測器自主完成。這一階段,探測器的防熱措施是否可靠,各種著陸相關設備能否按程序工作都至關重要。整個過程被稱為“恐怖7分鐘”,許多探測器都在此功虧一簣。

除了上述風險,載人飛船在火星著陸的方式也需要研究。由于火星大氣密度僅為地球的1%,降落傘作用有限,只能作為輔助手段之一。截至目前,人類火星探測器的著陸方式主要有三種:包括“勇氣號”“機遇號”采用的氣囊彈跳式、“洞察號”采用的反推發動機+著陸腿式以及“好奇號”所用的“空中起重機”式。

但是,以上方式都屬于無人探測器。即使是最重的“好奇號”,也不過960公斤,就已將現有方案用到了極致。而未來載人火星著陸器的重量可能超過20噸,上述方法均不適用。

為此,NASA從2011年就開始進行“低密度超聲速減速器”技術驗證,并在隨后幾年間開展了數次試驗。

龐之浩介紹,該技術由“超聲速充氣式氣動減速器”和“巨型超聲速環帆降落傘”組成。其中,氣囊式的減速器部署在碟形著陸器外緣,當著陸器落向火星時,減速器會充氣增大阻力面積,把下降速度從3.5倍音速降至2倍音速左右,達到降落傘安全展開條件。隨后,直徑33米的巨型降落傘展開,把降落速度減至亞音速。

這項技術被譽為“能夠顛覆規則的技術”。龐之浩表示,隨著該技術的發展,配合由四五個降落傘組成的多傘系統,有望使火星表面軟著陸方式所能承受的重量提高到15噸。

但該技術發展并不順利,高空試驗連續遭遇失敗,以至于項目資金被NASA削減了大半。直到2017年,該技術高空試驗才終于取得成功。

不過,現在談論載人火星著陸器還為時過早,NASA目前還在為載人登月著陸器招標。

地表生存輻射與風暴的死亡威脅

假設宇航員踏上了火星的土地,也不意味著從此就能過上平靜安逸的生活,火星上惡劣的環境早已恭候多時。

由于大氣密度低,火星上的輻射很強。中國科學院國家天文臺研究員鄭永春介紹,宇宙中危害健康的輻射粒子主要有兩類:一是太陽耀斑和日冕物質拋射時產生的太陽高能粒子;二是劑量較低但長期存在的銀河宇宙射線。尤其是后者能量高、穿透性強,即使是30厘米厚的鋁板,防護效果也很有限。

對此,只能寄希望于科學家盡早研制出既能有效阻隔輻射,又能穿上走得動的宇航服。

此外,火星上的風暴也讓人“聞風色變”。龐之浩說,火星風暴能達到地球12級臺風的6倍,掀起的沙塵遮天蔽日,有時能持續幾個月。2018年,美國“機遇號”火星車就是遭遇沙塵暴而“陣亡”。

有著這么多“限定條件”,美國能在21世紀30年代實現載人登陸火星的計劃嗎?

截至目前,NASA并未確定載人登火方案,科學家們倒是提出過各種設想:包括以月球基地為中轉站;以月球軌道空間站或地月拉格朗日L2點空間站為跳板;甚至“抓”一顆小行星當跳板等。不過現在人類尚未實現重返月球,這些“跳板”更不知何時才能搭起來。

龐之浩表示,按照當前航天技術的發展,月球中轉站等設想并非不能實現。包括洛馬公司此前披露的“火星大本營”計劃,雖然需要進行多次發射入軌,以及復雜的在軌交會對接和在軌加注,但都是基于目前已經掌握的技術,只需十年左右就能實施。

他認為,未來十多年時間內,載人登火涉及的技術問題有望得到解決,但關鍵在于任務方案能否堅持如一,資金是否能持續投入。如果隨著政府更迭,航天計劃也不斷變更,那將會給推動計劃進程帶來困擾。(記者 付毅飛)

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