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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 火星高速公路
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解决辐射和微重力问题的好办法是什么？那就是尽可能快地到达火星。从理论上来说，我们可以用现代技术（核爆炸）在6～9天内到达那里。然而实际上，这趟旅行需要6～9个月。下面将解释为什么。
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月球与地球的距离相对稳定，平均约为38.4万千米。在近地点，即月球距离地球最近的点，为36.3万千米；远地点，即距离地球最远的点，是40.5万千米。所以，无论我们选择什么时候去月球，近地点还是远地点，都没有关系，因为火箭飞行时间只差几小时。然而，到火星的距离变化很大。有时这颗红色星球在太阳的另一侧。火星到地球的距离近可至5500万千米，远可至4亿千米。时间就是一切。你想要在最恰当的时间点离开地球，在火星这个移动目标离我们较近的时候在上面登陆。发射窗口大约每26个月出现一次。
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但是，决定我们旅行速度的其他三个主要因素是：重力、燃料效率和减速的必要性。减速与Δv 有关。改变速度，从一种轨道变为另一种轨道，需要向相反的方向点燃发动机。如果你没有精确减至所需速度，就会跑到目标前面，从而要消耗更多的燃料（如果你有的话）才能回到目标。阿波罗登月计划花了大约3天时间抵达月球。这种有点悠闲的步调让宇航员可以轻松减速进入月球轨道。走得越慢，就越容易减速。NASA的“新视野号”（New Horizons）冥王星探测器不需要在月球停留，它以5.8万千米/小时的速度用了8小时35分钟就快速掠过了月球。如果以这个速度，在火星离我们最近的时候出发，“新视野号”探测器只需要大约41天就可以掠过火星。所以，从理论上来说，使用现代火箭和化学燃料，在合适的发射窗口，携带着补给的火箭只用41天就可以到达火星表面。草率性和破坏性兼具，但很快。
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然而，燃料效率让我们无法选择最短路径。“新视野号”探测器以到达太阳系边缘所需要的逃逸速度飞行。从理论上说，你能够以这个速度从地球上以直线的方式直接发射到火星，然后在半路上点燃发动机全速减速，在60～80天内到达火星。但这种方法将消耗非常多的燃料，不切实际。让我们回到第3章讨论的火箭方程中令人不快的必需品：你不能带着所有的燃料从地球起飞。如果我们在近地轨道补充燃料，那么这个方案就变得可行了，但仍然需要大量的化学燃料。因此，火箭工程师转而通过霍曼转移轨道（Hohmann transfer orbit）将航天器送到火星。这是一种绕太阳旋转的椭圆形轨道。航天器一离开地球轨道，就会沿霍曼转移轨道逐渐绕太阳半周，向火星轨道靠近。这是截至目前到达火星最节省燃料的方式之一。燃料效率决定一切。以这种方式到火星大约需要9个月。还有更直接的方法，但这些方法都类似于逆水行舟。自20世纪60年代末以来，霍曼转移轨道基本上就是我们通往火星的高速公路，大多数探测器都走这条路。
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祖布林在他的“火星直击”计划中提出了一条类似于霍曼转移轨道的路径。该轨道略有不同，需要更多燃料，但抵达火星的速度要快一些，需要8个月。到达火星的另一条更快的路径是地球—火星循环车。这是一种以非常特殊的轨道运行的航天器，它永远不会着陆，而是绕着太阳轨道运行。这种轨道可以使航天器接近火星，再接近地球，一圈又一圈，每一圈都这样。你可以把它想象成一列太空火车。这条路径被称为自由返回式轨道（free-return trajectory），因为来自一个大型天体（比如火星）的引力会将航天器永久地甩向另一个天体（比如地球），而几乎不需要燃料。航天器停留在轨道上，由引力弹弓推动。当它经过地球或火星时，需要用航天飞机接近它。在可供选择的众多自由返回式轨道中，有一种被称作S1L1轨道，使用这种轨道到达火星需要大约150天，也就是5个月的时间。[20]
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祖布林的“火星直击”路径在目前技术下是可行的，但是地球—火星循环车面临两个挑战。到达这一轨道然后与循环车对接所需的精度从未实现过。当然，我们需要在轨道上建造一部大型航天器作为循环车。一旦我们开始定期前往火星，地球—火星循环车就会是一个非常好的系统。只需要一点燃料，非常少，就能让循环车保持在正确的轨道上，并弥补在对接和分离期间损失的速度。布兹·奥尔德林也设计过一枚火星探测器，叫作“奥尔德林火星循环车”（Aldrin Mars Cycler）。他说他的火星之旅可以在6个月内完成。“地球—火星循环车”的另一个魅力在于，部分货物可以被送到火星的卫星火卫一（Phobos）上。火卫一将是一个重要基地，详见下文。
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想要更快地到达火星吗？弗里曼·戴森的“猎户座计划”（Project Orio），为核动力推进火箭系统，其威力足以在一周内到达火星。不要把它和“猎户座”飞船搞混了。“猎户座”飞船是NASA目前提出的用于近地轨道以外太空旅行的航天器，一个只能搭载4人的小东西。“猎户座计划”是美国政府在1957～1965年搞的一个机密项目，旨在建造一部4000吨大小的由数千枚核弹提供动力的航天器。核燃料的效率要比化学燃料高得多，因此航天器可以携带所需燃料并将之加速到很高 的速度，然后在中途翻转减速。当然，“猎户座计划”从未实现，其设计充满了安全问题（你知道的，原子弹），但概念仍然可行。另外，人类不能加速得太快，否则会遭遇致命的加速力，这种力在加速过程中会将你牢牢固定在座位上动弹不得。
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人类最快的旅行是1969年5月的阿波罗10号绕月任务。这次任务是为几个月后的登月进行的彩排。3名乘员在返航时的最高时速为39897千米/小时。速度本身并不是危险所在。从生物学的角度来看，如果技术允许，人类可以在一个受保护的容器中以接近光速的速度旅行。问题是加速度。我们需要慢慢达到这样的速度。这就像在高速公路上开车一样：在匝道上，当在几秒钟内就从大约30千米/小时加速到90千米/小时，你会感到大约0.5G的压力。[21] 一旦达到巡航速度，加速力就会减小。看一看快速刹车造成的创伤就会明白：当你快速减速，身体在几秒钟内从90千米/小时减速到0千米/小时，即使系上安全带也无法避免身体受伤。在太空中的飞行速度是汽车的1000倍，加速到最高速度需要几天的时间，然后在减速时间到来时反向重复这一过程。
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在起飞过程中，宇航员有几分钟会体验到3～8G的力。但是因为他们被绑在座椅上，而且是仰卧，所以加速力作用的方向是从胸部到背部，不会导致昏迷——也就是说，不会把血液从大脑里挤出来，流到双脚。然后当他们达到巡航速度时，一切又都归于平静。按照戴森设计的方式进行火星之旅，加速到如此快的速度会把你紧紧钉在座位上，如果没有任何减震器，会把你弄成一摊烂泥。一颗原子弹的加速力在10000G的范围内。戴森认为，从理论上来说，可以把加速力减缓到4G左右。旅行时间的效率会随着旅行长度的增加而提高，比如去半人马座α星，其间你就有慢慢加速的空间。根据戴森的计算，一台核动力发动机可以在大约60天内将一艘载有8名宇航员、重达100吨的宇宙飞船以舒适的加速力水平送到火星，而且有效载荷可以占到总重量的1/2。[22]
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速度过快的另一个问题是宇宙碎片对飞船的撞击。当我们的速度超过光速的1/10时，星际旅行就会面临此类问题。想想汽车挡风玻璃上的虫子就明白了。或者鹅卵石。速度越快，小石子就越容易砸破挡风玻璃。在1/10光速下，太空中的微小尘埃颗粒会像子弹穿透纸张一样穿透航天器。这个问题没有真正的解决办法，不过这个问题太遥远了，不值得现在就去解决。
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 火星计划：奇特型、实用型，及介于两者之间的类型
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关于在火星这颗红色星球上定居，在一干奇特想法中，有一个是由一家荷兰小公司运营的“火星1号”私人项目。下面是该项目的细节。在尚不确定的日期，将尚未确定数量的普通人单程送往火星，生活在一个尚未指明的栖息地，所有资金来源尚未明确，有可能来自众筹和销售该项目纪录片的相关版权，以及拍摄发射、着陆、生活和接下来的死亡（据推测）的电视真人秀。甚至该公司自己的书《火星1号：人类下一次伟大冒险》（Mars One：Humanity’s Next Great Adventure ）也缺乏细节，一些技术问题也没有加以讨论，如怎样在太空安全飞行几个月，怎样让航天器在火星上安全着陆，而且该航天器比NASA曾经造过的任何航天器都要大，然后怎样以自给自足的方式生活，等等。[23]
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“火星1号”于2012年提出，它要么是一个精心设计的骗局，要么是一个注定要失败的严肃项目。其背后公司——火星1号创投公司（Mars One Ventures），只是在协调将人类送上火星的工作。该公司本身没有航天工程经验，而是将火箭、飞船、着陆器、栖息地、生活保障系统……所有的东西，都外包出去。已经有成千上万人通过该项目注册成为第一批火星宇航员。该公司将这个数字缩减到100，目标是找到24名候选人。有些人已经结婚，而且有了孩子，却要丢下家庭不管（亲爱的，你能明白我的意思吗）。“火星1号”的所有努力都体现在筛选候选人上。目标一是到2016年发射一颗通信卫星并向火星运送补给，可是到了2020年还没有实现。所以，所有其他的目标——2018年的火星车，2020年的生命保障装置，2023年的第一批宇航员——也曾经或将被错过。航天业内人士和专家在很大程度上一致认为，“火星1号”是一场闹剧，它的任何一部分最终都不会飞上天。该公司于2019年破产。不过关于“火星1号”，我想说的是，它证明了公众对火星有着极大的兴趣。
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说实话，埃隆·马斯克用一艘大型飞船将100人送往火星的计划只比这个稍微实际一点。该计划的主要卖点是冠上了埃隆·马斯克的名字。与“火星1号”不同的是，马斯克和他的SpaceX已经成功发射了火箭。此外，SpaceX还制订了详细的火星运输基础设施建设计划，其中包括一枚目前正在研发的可将150吨重的物体送入轨道的可重复使用火箭，运载能力至少比将人类送上月球的“土星5号” 运载火箭高出10吨。实际上，目前还没有能把2人送上火星的火箭，更不用说100人了。SpaceX计划实现这种能力，首先是通过近地轨道火箭，然后是通过发往火星的火箭。运载乘客的火星火箭发射重量是300吨，其中包括一艘名为“星舰”的飞船。它有40个舱室和大面积的公共区域。该计划打算将100万人送往火星，每批100人。不过让我们做一下计算吧：这需要10000次飞行才能完成。大量火箭，大量燃料，大量噪声。以每天飞行1班的速度计算，需要27年以上才能完成。
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SpaceX的这一计划很大胆，但在几个因素到位之前并不是特别可行。要建造一个比“土星5号”（已经是人类有史以来造过的最大火箭）大得多的火箭系统，需要数百亿美元的巨额投资，而SpaceX必须获得这笔资金。考虑到这项投资的高风险和低回报，这将不是一件简单的事。据推测，SpaceX将从副产品技术中获利，即更加高效的小型火箭。这种小型火箭可以在30分钟内把人类送到近地轨道，或者将货物运送到全世界。接下来，火箭需要在轨道上加注燃料。这是一个聪明的想法，但还没有经过实际测试。着陆器需要在火星上补充燃料，这就需要一个火星燃料供给系统，其规模比“火星直击”计划设想的要大得多——也就是说，要在火星上用机器人制造出大量的甲烷和氧气。SpaceX还需要让这个庞然大物在火星上着陆。在此之前，还没有任何类似大小的物体登陆过火星。如果这是SpaceX的真正目标，那么投资一辆或两辆地球—火星循环车，通过它们把东西送到火星，则更为谨慎可行。此外，100万人太过雄心勃勃，带有一种P. T. 巴纳姆（P. T. Barnum）[24] 风格。
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因为去火星最困难的部分是从火星返回，许多大思想家已经呼吁实施单向任务，其中包括布兹·奥尔德林（第二个在月球上行走的人）以及劳伦斯·克劳斯（Lawrence Krauss，一位理论物理学家和宇宙学家）。2009年，克劳斯在《纽约时报》的一篇专栏文章中讨论过这个话题。他在文章中建议将老年人送往火星，让他们在火星上度过余生。奥尔德林并不认为这是一项自杀式任务，而认为其是一项没有即刻承诺返回的任务。如果技术进步，我们就能把宇航员接回来。与此同时，他还说，我们已经在火星上迈出了第一步。在我看来，这种说法很令人困惑。为什么这么着急？地球上并没有十分紧迫的危险。为什么不能等到我们知道如何安全地把宇航员送到火星上再这么做呢？从现在起500年内，第一批人类是在2020年还是2080年到达火星，并没有多大区别。
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从某些方面说，考虑火星计划是没有意义的。因为自1952年以来，政府和科学团体考虑的此类计划超过70个，但我们还是没有到达火星。尽管如此，我们现在比历史上任何时候都更接近于登陆火星，无论这些早期计划当时实施得有多么认真。为了给未来的月球或火星生活做准备，以前从来没有这么多的政府、公司和私人基金会如此一致地研发基础设施——栖息地、宇航服、温室、车辆，等等。
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NASA正在寻找一条长期、低风险、循序渐进的火星之路。自20世纪90年代中期以来，该计划已经改变了好几次。2009年随着奥巴马总统的上台而重生，之后又进行了几次调整。因此，NASA的计划在这里很难下定义，而且由于要同时考虑几种情况而变得更加复杂。有些是以不同的方式涉及月球，有些是直接前往火星，还有一些是以4人或6人乘组的方式前往火星。[25] 这里的要点是，在部署宇航员之前需要一个初级阶段，向火星发送一部下降/上升着陆器、火星电力系统、可能独立的货运着陆器以及一个火星 表面栖息地（Surface habitat）。在NASA的术语中，这种火星表面栖息地被称为SHAB。与ISS一样，这些东西可能会在地球上分段制造，并在近地轨道上组装。一旦通过测试，就送往火星。着陆器和电力系统将在火星着陆，而SHAB将留在火星轨道上。NASA已经取得了一系列成功，包括在火星上着陆耐用机器人设备，在火星周围部署卫星。因此说所有这些都是可行的。一旦NASA确定着陆器和SHAB工作正常，他们将用一种尚待设计的火星运输工具，通过所谓的快速转移轨道，花费大约200天时间把宇航员送到火星轨道。宇航员将在火星轨道上与SHAB交会对接，并乘坐SHAB到达火星。宇航员将在这颗红色星球上探索40天、60天或18个月，具体时间仍未确定。然后，他们再乘坐下降/上升着陆器返回原来的火星运输工具。宇航员在火星停留期间，火星运输工具一直停留在火星轨道上。[26] 然后它返回地球，接受人们用彩带举行的欢迎仪式，假如2040年前后彩带还存在的话。
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你可能已经注意到，目标能否完成取决于需要完成的几个步骤，任何一个步骤出现延迟都可能影响目标的实现，比如航天飞机研发的延迟注定了天空实验室的失败，以及其他许多任务的推迟，同时也导致ISS的成本超支。而且，这只是到火星的一锤子买卖。NASA可以重复这个计划，但是计划本身除了可能会留下一些东西供重复使用，并没有固有的周期。在我看来，祖布林“火星直击”计划的美妙之处在于，它通过每两年着陆火星一次，建立了一个可扩展的火星基地系统。宇航员来了又走，但基地变得越来越大，以适应人类在火星的永久存在。NASA正在考虑像祖布林那样用甲烷/氧气作为返回火箭的推进剂，而不是像多年来的计划那样用核热推进。也正是在这一方面，使NASA的火星2040计划看起来越来越像祖布林的火星2000计划。
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中国也有类似的人类登陆火星的计划。中国的举措包括一个大胆计划，即在21世纪20年代初几乎同时发射一部带有7枚探测器的轨道航天器和一辆带有6枚探测器的火星车；21世纪20年代中期发射近地轨道和地月轨道空间站；21世纪20年代末完成火星采样返回任务；以及在21世纪二三十年代实施多次月球任务，为2040年的人类火星之旅做准备。与此同时，日本已经明确表示，将在2024年向火星的卫星发射机器人，以支持后续的人类火星基地。
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