飞向火星及其卫星
飞往火星及其卫星是人类在不远的将来进行太空旅行的最高目标。
正如我们所了解的,到达火星附近的第一步是从地球进入绕地轨道。从绕地轨道直接飞到火星是最经济划算的。就像电影《2001太空漫游》(2001: A Space Odyssey)和《火星救援》(The Martian),我们可以在飞往火星的航天器内制造人工重力。这需要在航天器内安装一部超大型离心机。它缓慢地转动,令乘员向其外边缘相对运动[9]。在合适的转动速度下,你相对于航天器外壳的加速度可以正好是1g。这样,你站在外边缘上,就能感受到自己的正常体重。但是,这么做非常昂贵,所以未来头几批火星旅行者可能还是会在失重状态下飘浮着。
你的飞船可能需要借助霍曼转移轨道到达火星。或者,你可以采用效益更高的弹道捕捉方式,也就是让火星的引力把你的飞船拽上轨道。
这么做的优点在于,不需要在进入霍曼转移轨道时使用火箭让飞船减速,但缺点是耗时更长。
在进入绕地轨道之后和减速靠近火星之前,你会处于失重状态。在大型离心机变得经济可行之前,情况一直会是这样。正如前文所说,地球和火星公转周期的差别对往返两者所需的时间产生极大的影响。在我们发往火星的轻型航天器里,“水手7号”(Mariner 7)大约需要4个月,“海盗2号”(Viking 2)差不多需要1年。预计火星之旅的去程需要6个月至1年的时间,返程用时基本相同。
让我们先看看火星的两颗卫星。与地球的卫星(即月球)不同,它们跟火星比起来非常小,形状也不规则(见图2.4)。月球的质量是地球的1.2×10–2倍,火卫一(Phobos)的质量是火星的1.7×10–7倍,火卫二(Deimos)的质量就更小了。事实上,火卫一和火卫二可能是被火星捕获的小行星。火卫一距离火星表面6 000千米,其表面任意两点之间的距离都小于27千米。火卫二距离火星表面20 000千米,它的长度大约是16千米。它们的运行轨道距离火星如此之近,以至于火卫一每 7⅔小时就会绕火星一周,稍微远一些的火卫二绕火星运动一周大约需要 30⅓小时。相比之下,月球每27天才绕地球一圈。我们还没有向火卫一或火卫二发送任何航天器。尽管如此,火星轨道器拍摄下的图像显示,这两颗卫星的表面都有陨坑和粉状表土。登陆和飞离它们所需的能量微不足道。
图片来源:美国国家航空航天局、加州理工大学喷气推进实验室(JPL-Caltech)、亚利桑那大学(University of Arizona)
读到这里,你多半会产生疑问:为什么大老远飞到火星,却只登上它的卫星呢?我不会跟你说些激动人心的推销口号,比如“它们的成分主要是黄金,你可以带一些回来”。我们不知道那里有没有黄金,但这并不意味着我们在今后的探索中不会发现吸引人的东西。只到卫星上去的原因平淡无奇——我们确实能够到达那里并安全返回。相比之下,飞到火星上再飞离,会遇到目前为止最大的技术挑战(尤其是飞离阶段)。因此,在可预见的将来,这也将是最昂贵的太空飞行。
再来看看登陆和离开这颗红色星球需要解决的问题。火星的直径大约是地球的一半,月球的两倍。火星表面的重力(你在那儿的体重)大约是地球的0.4倍,月球的2.3倍。那又怎样呢?答案是,登陆火星要困难得多,因为与月球和其他任何目标天体相比,火星会对登陆器产生更大的拉力。同样道理,离开火星也比离开月球要难得多。
让我们先看看登陆。一个天体对登陆器的拉力越大,火箭和其他登陆设备就需要越大的动力来减速,以便实现软着陆。与月球不同,火星有大气层。这让登陆火星变得更加复杂。火星表面的气压大约是地球表面的0.006倍[10]。换句话说,火星上的空气比我们日常呼吸的空气稀薄60倍。即便火星空气的化学组成适合人类呼吸(事实上并不适合),如此稀薄的空气也无法提供我们生存所需的氧气量。
火星大气的低密度和低气压会影响登陆过程,几乎每次登陆火星都要用到降落伞。位置越低,空气密度就越高,所以我们通常在峡谷里登陆。在那里,密度较高的空气可以有效降低降落伞的速度。但是,就算预定降落地点是火星上空气密度最高的地方,想要软着陆,只用降落伞也是做不到的。我们还需要其他设备,比如等降落伞初步减速之后再启动的火箭。
正因为有这些挑战,所以在可预见的将来,不大可能出现登陆之后还能再次起飞的登陆器。但是,正如《火星救援》这些科幻电影所展现的,我们可以让一套单独的返回火箭在火星上安稳着陆,即便需要靠它们返航的人还没登陆火星。这是为了保证返回火箭能够正常工作,以便后来的人想回家的时候就可以用上。
返回火箭着陆火星遇到的第一个问题是大气层。空气阻力会使火箭升温,破坏其机械和电力设备。空气的反复冲击还会使火箭弯曲,造成电线或者金属部件断裂。返回火箭如果做不到极为轻缓的着陆,那着陆产生的撞击力可能会严重损坏火箭。仅一处故障就能导致火箭发射失败,或在升空过程中严重偏离航线,造成箭毁人亡。
离开火星则没有那么困难,因为这完全是一个工程问题,不需要克服任何纯粹的科学障碍。只要投入足够多的钱,我们就能开发出这样的上升火箭:它能够安全登陆火星,进行燃料补给,然后载着人们离开这颗红色星球。这就是为什么在太空旅行这个行当里,有些人关注的是单程旅行,这也解释了为什么只去火卫一和火卫二会便宜很多。尽管已经说了这么多,但我还会在第10章讨论游客和移民在火星上的各种机遇。
科学与科幻作品
想象你拿着一个瘪气球,橡胶柔软又有弹性。现在开始吹气。
你需要颇费些力气才能把足够的空气吹进去,好让气球鼓起来。终于,你手里的气球充够了气,变成一个相对硬挺的橡胶物体。这意味着,在足够的气压下,如果你松开气球,它会满屋子乱飞,同时里面的空气也会窜出来。
在这个情境里,你是在正常大气压下进行呼吸,也就是100千帕(千帕是1 000帕斯卡的简写形式),这个压力差不多就是航天器内的气压。事实上,这也是国际空气站内的气压,并且很可能成为大多数地外航天器和居住地的标准气压。但是,在电影《火星任务》(Mission to Mars)里,登陆火星的救援人员发现卢克·格雷厄姆(Luke Graham)生活在一个温室里(那里适合培养植物,用它们吸收二氧化碳,释放氧气,也可以作为食物),温室的布面墙在风中摇晃着。问题在于,正如前面所说,地球和温室内的气压大约是火星气压的160倍。所以,温室的布面墙本应该像气球一样向外膨胀,而不是在风中摇晃。布面要是不够结实的话还会胀破。
- 下落物体的下落速度每秒会增加9.8米/秒。例如,一个物体正在以9.8米/秒的速度下落,那么下一秒,它的速度会变成19.6米/秒。
- 詹姆斯·范·艾伦(James Van Allen,1914—2006),美国物理学家。以他名字命名的范艾伦辐射带是人类1957年进入太空时代之后的第一个重要天文发现,为美国进入太空时代奠定了基础,范·艾伦本人也被称为带领美国跑进太空时代的先驱之一。
- 此处说法不准确。实际上,装有盖革计数器并发现辐射带存在的是1958年美国发射的两颗人造卫星:“探险者1号”(美国发射的第一颗人造地球卫星)和“探险者2号”。
- 原文为“190”,有误,应为200。
- 其实更普遍的说法是三部分,即指挥舱、服务舱和登月舱。作者可能把登月舱下降级和上升级看作两个部分。
- 从地球出发时共有三名宇航员,另外一名宇航员留在绕月轨道上。
- 即留在绕月轨道上的指挥舱和服务舱。
- 在最早的一款电脑游戏《月球登陆器》(Lunar Lander)里,玩家使用键盘控制一艘月球登陆器的下降过程。如果登陆成功,会有一名宇航员爬出登陆器,到月球上的麦当劳餐厅吃午饭。你或许会有这样的机会,但太空饮食的特殊性要求麦当劳餐厅调整菜单。
- 原文无“相对”字样,表述不准确。离心机中的乘员并不受到向外的推力,而是因惯性相对于离心机外壳运动,显得有一个加速度。
- 原文为“0.007”,有误,因为作者在后面会提到,火星表面的大气压为0.6千帕,地球表面正常大气压为100千帕,所以这里应该是0.006或0.6%(见第7章和第9章)。
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