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1989年7月，阿波罗11号登月20周年纪念日，美国总统乔治·H. W.布什站在位于华盛顿特区的国家航空航天博物馆的台阶上发表了讲话，为人类探索太空提出了一个全面计划，包括建造一个在轨空间站［后来被称作“自由号”（Freedom）空间站］，永久重返月球，以及在30年内实现载人火星任务。载人火星任务的目标是2019年，即人类踏上月球半个世纪后。该计划被称为太空探索计划（Space Exploration Initiative，SEI）。NASA欣然接受了这一想法，并委托进行了现已声名狼藉的“90天研究”（90-Day Study）。90天后，人们计算出这项计划将花费5000亿美元，相当于现在的1万亿美元以上。
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可悲的是，这与其说是太空政策，不如说是太空娱乐，一个几乎没有现实基础的美妙计划。SEI的部分问题在于，它依赖于当时尚未建成的“自由号”空间站，而这一ISS的最初方案很快就超出了预算，于是后来用“国际”代替了“自由”一词，为的是获得其他国家的资金资助。这一计划似乎囊括了每个人心仪的项目，包括为空间站添加燃料的燃料库，放到月球上的基地，以及在月球上建造的飞往火星的巨大飞船——只是为了让一部分乘组人员在火星上停留几天插上美国国旗。1989年，布什成立了国家太空委员会（National Space Council）来指导该项计划，委员会由他的副总统丹·奎尔（Dan Quayle）领导。这又是另一个重大错误。太空委员会的成员们与NASA的意见相左，认为NASA在为昂贵技术问题寻找创新解决方案方面缺乏主动性，而奎尔从不具备调解能力。NASA自己则错误地认为布什的宣言会转化为一笔意外的资金。白宫和NASA都没有与美国国会就该计划进行过讨论。当国会看到这个自“二战”以来最昂贵项目的花费时，惊呆了。
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巨额的价格标签，与许多美国人认为NASA不再有“恰当的东西”来完成如此伟大的事业的信念结合在了一起。航天飞机没有达到政客们的承诺。1986年“挑战者号”航天飞机发射时发生爆炸，包括一名教师在内的7名乘组人员全部遇难。而距布什发表太空探索计划演说不到1年，发射上天的价值数十亿美元的哈勃太空望远镜竟包含一个有缺陷的镜片——一个愚蠢的错误。这时也是后里根时代的美国：财政赤字不断上升，经济举步维艰，当时的政治与财政现实在3年内 就扼杀了太空探索计划。[12] NASA历史学家托尔·霍根（Thor Hogan）这样总结太空探索计划：“说到底，太空探索计划的消亡是决策失误的一个典型案例——缺乏足够的顶层政策指导，未能解决关键的财政约束，备用方案制定得不充分，没有得到国会的支持。”[13] 对于很多人来说，这听起来就跟某人在2019年呼吁人类在2024年登月一样。
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那个时代迈出的积极一步，是1992年太空探索计划失败后任命的NASA局长丹尼尔·戈尔丁（Dan Goldin）提出，NASA在对太阳系的探索过程中，要把通过机器人技术研究火星作为其主要目标。该目标不会受到总统愿景以及取消项目的影响。脾气暴躁的罗伯特·祖布林也在那个时代崭露头角。他发现了一种方法，可以利用现有技术，以太空探索计划价格的1/20到达火星。他的计划被称为“火星直击”，但是NASA最终以安全为由拒绝了该计划——不愿承担风险的NASA认为这一计划有太多的不确定性。1995年前后提出的这个计划与NASA今天的想法惊人相似，后者可能最终会把人类送上火星。
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祖布林设想通过精简计划和靠土地为生，为火星任务节省大量资金，这与NASA在太空探索计划中的做法大相径庭。NASA的太空探索计划要打包带上往返旅程所需的一切：燃料、空气和水。而这三种资源火星上都有。在“火星直击”计划中，我们首先发送一部返地航天器（Earth Return Vehicle，ERV）和一船氢气，大约6个月后到达。着陆后，一辆火星车将携带一台机器开出来，该机器可利用氢气（H2 ）将火星大气中的二氧化碳（CO2 ）转化为甲烷燃料（CH4 ）和水（H2 O）。[14] 然后水可以分解成氧和氢。经过一年的时间，两个反应产生的燃料和氧化剂足够推动ERV返回地球，同时还有额外的燃料来驱动地面车辆，以及额外的水供饮用，这些水分解成氢和氧可供“呼吸”。用来自地球的6吨氢气，我们可以在火星上制造出108吨的甲烷和氧气。[15] 这个化学过程相当简单。事实上，为了证明其可行性，祖布林用NASA提供的少量资金建造了一个制造甲烷的装置。困难之处在于让航天器安全着陆，并让它在寒冷、低重力、低气压的环境下工作。
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注意，地球和火星大约每26个月有一个距离最近的时刻。因此，大约在ERV发射两年后，我们再向火星发射两枚火箭，将另一部ERV和一个4人栖息地模块发射到火星。第二部ERV是为了启动另一个燃料循环和水的生成过程。因为不用携带大量燃料、空气和水前往火星，乘组人员可以轻松着陆；第一部ERV在那里可供他们返航，只需装上已经在火星制造好的燃料。第二部ERV用作应急返航飞船，以防第一艘飞船因某种原因受损。宇航员在火星上大约待1.5年后返航，此时火星与地球再次靠近。与此同时，又有4个人带着ERV和另一个栖息地模块抵达火星。这种循环不断重复，每两年就会有另一拨乘员、ERV和栖息地到达火星。当栖息地通过地下通道连接在一起的时候，火星村落就慢慢发展起来了。
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在“火星直击”计划中，每两年还可以带去新的设备，比如一个小型核反应堆和太阳能电池板。多年以后，宇航员将有足够的工具开始建造火星上的基础设施，包括生产塑料、玻璃和陶瓷的小工厂。
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“火星直击”计划的主要问题是，NASA不相信祖布林的数字，觉得他提出的燃料需求和质量需求太乐观。NASA调整了计划，采用一次发射三艘飞船的新方案，祖布林将其称为“半火星直击”（Mars Semi-Direct），并非完全蔑视。据计算，新方案10年的费用为550亿美元。这符合NASA的预算，同时允许它从事其他活动，如空间和地球科学。
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“火星直击”计划还有其他问题，比如要为ERV提供两年的防护，使其免受强烈的紫外线和持续的灰尘的损害。像这样的小事情都会增加任务成本。到最后，NASA也没批准“火星直击”或“半火星直击”计划。火星任务的某些倡导者怀疑，该机构是不是不希望外人告诉它该做什么或怎么做。罗伯特·祖布林和大卫·贝克（帮他一起开发该计划的同事）毕竟只是两个普通人，甚至不是NASA的一分子。NASA转而专注于建造ISS这项花费巨大的任务。
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 第二个障碍是在旅行时保持健康
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好吧，让我们假装有钱，有火箭，有登上火星的意愿。胜利组合可能会来自某些政府，可能是中国及其合作伙伴，也可能是美国及其合作伙伴。这些合作伙伴可能是21世纪30年代的任何国家。然而，如果价格足够便宜，一些亿万富翁很可能会出钱去一趟。不管资金和动机如何，问题是：我们如何实现这一旅程？因为去火星比在火星生活更困难。
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正如第2章所指出的，火星之旅带来的健康风险非常大。我认为低重力是任务成功的最大风险，所以在此我要详细说明这个问题。
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到火星的旅行时间是6～9个月。如果这段时间是在微重力环境中度过的，骨骼和肌肉就会变得脆弱。在ISS待了6个月的宇航员，即使他们在轨道上每天进行两小时的锻炼，回到地球后还是无法正常工作。他们通常至少一天不能走路，一回来就会感到恶心。这还不算太糟，因为地球上会有一个专门团队把你抬出飞船，再把你抬到轮椅上。而火星上可不会有这样的欢迎团队。宇航员必须完全控制自己的身体……是立即。更重要的是，长期的微重力使他们的肌肉萎缩，骨密度以每月至少1%的速度下降，并且视力也受到损害。在太空中待满9个月后，在火星（不是在地球）着陆的唯一安慰是，火星的重力是0.38G，重力的影响可能没有那么极端。[16]
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回想一下，宇航员斯科特·凯利在ISS待了342天后，NASA对他的能力进行了全面测试。他在着陆时几乎不能走路，但情况一天比一天好。他可以完成许多机械操作，但他的协调性显然很差。这种情况有个名字，叫“航天适应综合征”（Space Adaptation Syndrome，SAS）。当大脑不知道“下”在哪里时，它会感到困惑。当宇航员到达ISS时，SAS会侵扰他们；当宇航员返回地球时，SAS也会侵扰他们。升空没那么糟糕，因为ISS上的那些工作伙伴已经适应了。在飞往火星的任务中，地球上的任务控制人员在头几天可以帮助宇航员。但是在火星上，斯科特·凯利所经历的这些症状可能会使任务陷入危险。
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在旅途中每天进行几小时的阻抗训练会有所帮助。所以，去火星基本上有两种方式：在微重力环境下旅行，在途中锻炼，并希望在火星0.38G的环境下，SAS的严重程度只有38%；或者花钱让飞船旋转起来制造人造重力。我认为重力不是奢侈品。把宇航员送到没有人造重力的火星将使他们无法执行任务，这相当于判了他们死刑。
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在许多科幻电影中，重力问题被忽视了。在《星际迷航》和《星球大战》两部影片里，仿佛都假设存在一个引力场发生器给飞船提供了必要的重力，但这种技术并不存在，它属于曲速引擎领域，超出了已知物理学的认知范围。在火星旅行中，我们需要通过制造离心力来产生人造重力。许多工程师，包括祖布林在其《赶往火星》一书中，都提倡采用一种简单设计，即一种系上配重的太空舱。这两部分都会发射到太空，当两部分分开时，连接它们的缆绳展开，使两部分分离1500米。然后发动机点火，让一端翻转到另一端，去往火星的一路上都这样。每分钟转一圈就会产生类似于火星的重力，每分钟转两圈就会产生类似于地球的重力。也许不优雅，但有效。安迪·威尔（Andy Weir）在他的科幻小说《火星救援》（The Martian ）中描述了一种更优雅的设计。这艘飞船被称为“赫尔墨斯”（Hermes），是一根100米长的管子，中心有一个状似摩天轮的旋转轮毂。在轮子的外缘可以感觉到像火星一样的重力，宇航员大部分时间都在这里度过。
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虚构的“赫尔墨斯”非常大，可以在太空中组装，远远超出了NASA的考虑范围。可悲的是，NASA似乎并未考虑更简单的系绳设计。NASA目前的计划是，用正在研制的“猎户座”（Orion）飞船将4名宇航员送往火星，计划用“太空发射系统”发射。“猎户座”飞船不旋转。NASA想依靠ISS开发的锻炼机制来维持宇航员的健康，不去确定人造重力的可行性及其增加的任务成本。事实上，当你考虑到增加的锻炼器械的重量，以及需要额外的食物来补偿额外消耗的热量时，省钱的想法是愚蠢的，更不用说每天锻炼几小时所浪费的时间。
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NASA还假设宇航员在火星上可以自我恢复，只需要休息一两天。虽然宇航员返回地球后几天内可以部分恢复是事实，但他们是在专业医疗人员的照顾下恢复的。协调问题、肌肉衰弱……也许这些问题在没有医疗护理的情况下是可以控制的。但是当微重力遇上巨重力时，另一个症状是直立性低血压，这是由脱水和心血管功能失调共同引起的一种危险的低血压。心脏向大脑供血有困难，导致返航的宇航员感到晕眩，偶尔还会昏厥。此外，宇航员的骨头很脆，在日常活动中很容易骨折，比如走路或拎重物，但是他们在做这些事情的时候还必须穿上沉重的装备。漫长的微重力航行一结束，他们的任务就开始了。
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人造重力可以起作用——已经测试过，还可以进一步测试。日本科学家在ISS上本国的舱段里放置了一个旋转装置，用来安置家鼠。这些家鼠在ISS上的人造1G环境下生活了35天，与同时期生活在微重力环境下的家鼠相比，它们完全没有在轨生活的不利影响。[17] 多代独立殖民地的外星居住、自治和行为健康计划（Multigenerational Independent Colony for Extraterrestrial Habitation，Autonomy，and Behavior Health，MICEHAB）的野心更大。这项任务计划将啮齿类动物送入太空，由机器人照看，观察它们在设定为1G或0.38G的人造重力环境下如何繁殖。但MICEHAB还处于概念设计阶段，没有得到资金支持。如果想测试人类在火星上妊娠的可行性，MICEHAB是一个理想方法。
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我在第2章还描述了火星之旅的辐射风险。该风险最终归结为可接受的风险，至少在最初的载人任务中是这样。然而，要把这些人送到火星上建立定居点，我们需要弄清楚如何有效地屏蔽辐射。如果在飞往火星的飞船中遭遇太阳风暴，你会受到近40雷姆（40000毫雷姆）的大剂量辐射，相当于40次全身CT扫描。飞船上一处简单的风暴庇护所就可以将这个数值降低到5雷姆，虽然很糟糕，但并不可怕。一个小而防护良好的房间，如水箱后面的食品储藏室就可以达到目的。可以在这个小小的储藏室里躲避几小时，直到风暴过去。
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执行阿波罗计划的宇航员在大约10天的时间里受到了1雷姆的辐射。12名宇航员中，有1人于61岁去世（心脏病发作），一人69岁去世（摩托车事故），一人74岁去世（白血病），其他人都活到了80岁，比美国男性的平均预期寿命还要长。虽然样本量很小，但我们多少可以相信阿波罗计划并没有缩短他们的寿命。斯科特·凯利在ISS工作的一年里受到了8雷姆辐射，比美国工人允许的限度多出了3雷姆。只有时间才能告诉我们凯利是否会得癌症；即使得了，他代表的样本量也只有1。是辐射引起的吗？1/3的人会死于癌症。“天空实验室”的宇航员在短短2个月内接受了17.8雷姆的全身辐射剂量。[18] 艾伦·比恩（Alan Bean）就是其中之一。他还去过月球。他在86岁时死于一场突发的、未公开的疾病。NASA估计，“和平号”空间站上的宇航员在一年内接受的辐射剂量为21.6雷姆。[19] 俄罗斯人对他们的健康守口如瓶。前往火星的旅行增加了赌注。火星之旅的辐射量远高于任何美国“工人”所承受的辐射量，遭遇核事故除外。
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