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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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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 第三个障碍是活着着陆
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困扰火星之旅的还有一个问题——着陆！目前任何一家航天机构都不知道如何让如此大的重量在火星上安全着陆。（差一点儿就）实现火星着陆的最重的物体是苏联的“火星2号”和“火星3号”探测器，每个重1210千克。“火星2号”在火星表面坠毁，“火星3号”在着陆后几秒钟也出了故障，尽管当时的沙尘暴并没有很大影响。美国“海盗号”着陆器的重量只有它们的一半。此后探测器越做越轻，直到2012年，NASA重达900千克、搭载着“好奇号”（Curiosity）火星车的火星科学实验室（Mars Science Laboratory，MSL）成功在火星着陆，情况才有了改观。火星居住计划需要搭载数吨货物登陆火星。稀薄的火星大气层使进入其中的航天器温度升高，同时又限制了通过降落伞进行空气制动的质量。这两种情况在各自领域里都是最糟糕的。也没有海洋可以让你滑落。NASA研发了所谓的“空中吊车”来降低“好奇号”的高度，其实就是一个让发动机反向点火来减缓下降速度的装置。机器人探测器着陆失败（已经很多次）造成了数十亿美元的损失。如果不能让载着宇航员的栖息地着陆，损失的将是生命——同时也是价值数十亿美元的梦想的破灭。NASA“洞察号”（InSight）探测器于2018年11月完美着陆是个好兆头。该探测器进入火星大气层时重约600千克，其中部分是燃料；而且它降落在一个地势较高的区域，因此可用于刹车的大气更少。
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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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