赶往火星 - 书评

小书虫

　　这是一个宛如科幻小说的大胆计划，可能正是因此，已故科幻大师阿瑟克拉克为该书第一版（1996）作序。而跟科幻不同的是，祖布林书写的是科学事实。15年来，祖布林已成为无数耽于幻想的科学家与外太空探索者的民间 ...

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太空人

　　火星在召唤
　　
　　文/赵洋
　　
　　这本书是载人火星飞行任务的辩护书和宣言书。“为了科学、为了挑战、为了未来，这是我们去往火星的理由。 ”火星任务不但是巨大的航天成就，也为利用其他自然星体的资源开辟道路，甚至，还能再次确认我们社会的先驱特性。卡尔-萨根说：“祖布林几乎单枪匹马地改变了我们在这个问题上的想法。”可以说，如果哥伦布要在出海前写一本书打动潜在的赞助人，也不过如此了。
　　
　　赶往火星，只需决心
　　祖布林认为今日的NASA已经失去了这样一种品质：有能力判断你真正想去实现的目标，致力于这一目标，创建完成它的计划，做一切对执行计划有用的事情。这种品质就是“决心” 。因为丧失了这种品质，21世纪美国的太空计划在月球、火星和小行星三者间犹豫不决，白白浪费了金钱与时光。
　　总有人以为把人送上火星是属于下一代的任务，其实我们已经掌握了开启旅程的所需的全部技术。
　　去往火星的单程旅行需要6个月，看似漫长，但在19世纪，欧洲移民航海去澳大利亚也要花费同样多的时间 。从地球出发再到返回地球需要两年半的时间，与麦哲伦的水手们环游世界所需时间相同。与古人相比，现代的太空远航者还能享受可口饮食、电子娱乐设备、医疗服务及与家人通信的诸多福利。
　　研究了史上众多载人火星任务设想后，祖布林提出了集大成的“火星直击”方案，该方案将宇航员所需补给与物资采取“人货分离”的方式分批发射至火星，入轨时采用大气制动，并最大限度地利用火星本地资源就地补给。目前仅有自旋人工重力、甲烷工厂、闭环维生系统几项技术有待验证。
　　要达成这一目标，只需在20年时间内花费300亿美元，年均花费仅相当于1996年NASA预算的12%。这对一个航天大国来说是完全可以承受的。
　　
　　像火星人那样生活
　　为了挣脱地球脐带束缚，火星探险者需从地球探险活动中汲取经验与智慧，就地取材，像当地人一样顺应自然地生活。纵观历史，成功的探险家与众不同的一点就是不厌其烦地研究、学习、适应当地土著的生活和旅行方式。外来者视为荒野的，当地人视为家园 。阿蒙森的小船在北极冰海中被冻住后，他们采用与爱斯基摩人相同的方式谋生，安然度过两个冬天。六年后，阿蒙森成为第一个到达南极点的人。
　　为了证明地球人很可以在火星上舒适生活，祖布林不厌其烦地计算火星考察组的消耗品需求，并据此调整火箭与飞船的规模。
　　他没有回避该任务的凶险，在《避龙屠妖》一章，祖布林如实列举了辐射、失重、心理隔绝、尘暴等不利之处，并带领读者发现，这些风险要么是可以通过技术手段降低的，要么在健康上是可以接受的。
　　第一代火星人还得依靠一些在地球上尚存争议的技术。比如核动力。其实人类使用核动力的历史，比使用彩色电视机、喷气式客机和按键电话机的历史还长 。因此，我们完全有能力在火星上大规模使用核动力。
　　祖布林预言，经过改造的宜居火星会像19世纪的西部和20世纪的地-月空间一样，成为美国在21世纪的“新边疆”。
　　
　　三种模式
　　载人航天是短期看不到回报而花费巨大的科技工程，所以有人说“没有钞票就没有太空英雄 ”。为实现对火星的载人探测（每次任务需30亿美元），有三种模式的资金来源可供选择。其一是肯尼迪模式，即美国总统站到选民面前，号召整个国家面对来自未来（或敌对阵营）的挑战 。但曾支持过阿波罗计划的民族主义基础在美国可能已不复存在 。第二种模式是卡尔-萨根模式，即提倡国际合作进行火星探索。但该模式对国际局势的稳定性有较高要求，第三种模式是金瑞奇模式，这位国会议员希望依靠自由企业而非国家预算的方式登上火星 。
　　2012年，第一种模式和第三种模式均已出现。4月，俄罗斯发布《2030年航天规划》将载人火星飞行列入其中。同月，导演卡梅隆联合硅谷大亨，准备用民间力量开采小行星资源；5月，成功发射货运飞船与国际空间站对接的SpaceX公司计划推出飞往火星的运载火箭。新一轮深空探测热潮已然来临。在庙堂与江湖的共同推动下，把人送上火星不再是遥不可及的任务。
　　
　　居里夫人说：“把生活变成科学的梦想，再把梦想变成现实”。祖布林的人生已经完成了前半句，让我们拭目以待，看这位火星梦想家如何实现后面的任务吧。
　　
　　新发现青少版2012年10月p30-31

杜布纳

　　       看完此书，你将对探索火星热血沸腾，曾经以为探索太阳系甚至飞出太阳系那么遥不可及，事实上，飞出太阳系或许还是个梦，但是探索火星真的不是梦想，这本书简单而详细的描绘了整个探索火星的计划——火星直击计划，中间没有大型太空站，不需要月面基地的补给，而仅仅是面对我们唯一要去的地方——火星。
　　       书中从理论上和技术上对从地球出发直击火星做了相对细致的描述。从整体计划的构想到理论和技术的实施设想再到相对而产生的各种问题，各种情况的设想与预处理乃至其中的政治和经济的风险和压力都做了细致入微的描绘，首先从设想上，针对原始的火星探索计划提出质疑：针对大型空间站，月面基地开发，大型轨道式宇宙飞船的设计都提出了否定，因为这些计划看似是为火星做准备而事实上却是往火星行进的一个大障碍，因为这些的不足可以找到各种借口来拖延时间，就像《90天计划》中说，整个探索火星需要4500亿美元，这个数字无论是一国还是数国都是不小的数字。这真是着实吓到了所有的探索者的热情，但是书中却对这些计划催之以鼻。书中首先在理论上描绘了去往火星的根本问题——燃料问题，继而指出大型重型运载火箭是首要的问题，围绕航行动力学和星际轨道提出了一系列解决方案和设想，书中给出的数据详实（是否真的可信我无法肯定，但是相比之下，有了参数就更有说服性），远距离的星际航行最重要的就是星际航行的时间，而时间之快慢则取决于动力——火箭发动机及其运载设备。书中相对比较了各种燃料的比冲量，并对其相应的火箭发动机做出相应的评价。无论是热核火箭还是化学火箭，都需要大量的燃料作为其动力，根据现实状况，热核火箭的开发还是有很长路要走，那么要想在最短时间能富有成效的探索火星唯一可选用的就是化学火箭作为运载工具，那么问题出来了，化学火箭往返一次所需要的燃料大的出奇，如何解决这个问题？作者给了我们一个不可思议但是确实理论上有效地可行的办法——就在火星上生产燃料。这个想法着实惊奇。书中只用了几个相对简单的化学反应原理就解释了为什么这么做是有效可行的，并且如何去做才是能使之有效的？这就首先取决于火箭发射次序，单次发射或是多次发射的任务次序是很重要的，因为每次发射中所携带的设备往往是下次发射能否进行的关键，这样确实加了整体计划的实施性风险（稍后我们再说书中计划的一些设想的不成熟性）书中所给出的基本星际动力学数据和轨道数据很具有普及性质，这些参数可以是我们大致算出其理论的可行性，从星际航行的角度看，燃料不可或缺，从目前已知的火星观测资料和火星无人探测器传回的大量科学数据可以肯定火星大气的主要成分和一些相对简单的元素组成和成分比例，火星中缺乏H，而作为最富推力的火箭发动机而言H是不缺少的燃料组分之一，那么怎么办，书中直接告诉我们——带过去就是了！也就是带着单程的燃料和返程所需的单组份燃料在合适的时候抵达火星（要是在尘暴时抵达着陆，那鬼晓得我们的探测器会飘到哪里）采用相应的制动技术登陆火星，通过远程深空遥测系统建立相应的远程小型燃料反应设备，因为是是生产燃料，所以必须要求重型运载火箭运载（阿波罗时代的土星5号是140吨的运载量，包括俄罗斯80年代开发的能源号运载火箭也在120吨上下）这样我们就有了返程的燃料保证，而接下来的载人任务就可以相应的进行实施了，其中书中对载人计划中出现生理心理问题作了大致详细的数据论证，比如针对宇宙辐射，零重力等对人体生理的影响以及长时间航行的心理问题作了简单概况性论述并指出相应的解决办法。
　　        在探索火星中除了载人探索，书中也描述了如何在火星上长期探索的可能性，针对已有的数据，对火星的地质地貌，土壤组分，大气状况和其他的火星特征做出了相应的细致描述。例如针对火星矿产资源，火星地球化改造等设想也做了初步的探讨，这大大突破论了我们探索火星的原始设想，可以说这是太阳系远征的第一步。建立火星的前哨阵地。但是如何建立这个前哨阵地呢？作者又一次把我们用最简单的一些列科学原理做了通俗的解释，针对火星生活舱，地面科学设备，探索设备和返回式飞行器做了相应的理论和技术设想，最惊奇的是这些技术设想都是源于我们现有的可行技术。这大大提高了我们现有可行探索的理论技术要求，我们不必花很长的时间去建造大型空间站，大型宇宙飞船的空间船坞，月面补给基地等等这些只能在科幻片中看到的场景，而仅仅是我们现有的或是未来几年内可以开发的技术，在任何建立火星前哨基地中作者充分运用了一个原则——就地取材。利用有限的能力进行最大规模的就地取材生产一些列我们所需的物质装备和动力供应。同时对其他的探索式推进技术做了概括性论述比如太阳帆推进，电磁帆推进，离子推进技术等甚至对地面探测设备也做了详细的概述。
　　        在最后的部分中，作者指出了探索的火星的三种模式。并对其基础因素——钱，做了说明，总体来讲，根据上面的描述而决定的投资资金大致为500亿美元，大大节约了我们的经费和资金。并且还可以充分利用民间企业的资源（2003年日本主动前往小行星取样的集鸟号探测器就是充分应用了日本民间企业的各种资源）以最大限度的力量去探索火星，技术本身的进步需要强有力的推动，阿波罗时代的美国，在航天领域的技术发展走在路上时代前沿，并带动了大量的就业岗位。整个60年代就有数十万名美国人（这只是工程师，不包括工人和普通技术人员，行政人员等）在为其努力，虽然这是冷战的产物，但是也昭显了美国的技术领导能力。但是在接下来半个世纪里却无所作为，钱果真是借口么？在阿波罗时代，我们用一个人只能运算一次的计算尺把人类送上了月球，然而半个世纪过去了，我们运算能力有了大幅提升，我们现在单单智能手机的运算能力就足以和60年代相比，甚至更高，但是我们在做什么呢？拿着拥有高于上个世纪的运算能力却在屏幕上打着小鸟。这是一种天大的讽刺！抛开意识形态而言，美俄合作探索火星的成功几率是做大的，因为俄罗斯有相对现成的大型运载火箭——能源号。而美国可以和俄罗斯在其基础上稍加改进就可以大幅提升运载能力。而且俄罗斯航天硬件比欧洲便宜，质量也有保证，这样还可以相对刺激了俄罗斯的低迷经济状态，同时也扩展了美国本身的技术实力。可以说美俄合作，是最有前途的可能性，因为探索的火星的巨额费用，精确的理论计算和系统的工程实施都往往不是一个国家可以完成的，即使作为超级大国的美国在现在的低迷经济时期更显得力不从心。而航天计划的大力实施相对而言更可靠的促进了一部分就业和经济技术的发展（或许不是很多，但是至少可以减少相对的就业压力吧）。从这点看探索火星的连锁效应还是很有客观的经济价值和技术潜力。
　　        最后针对本书中的技术性概述做出一些质疑并对其实施的可行性做一些探讨：
　　1   首先是重型运载火箭的设计和火星燃料生产设备的可行性的探讨
　　众所周知，星际航行无论怎么样要想节约大量燃料必然要进行轨道式机动以节约燃料。在轨道转移的过程中，对其变轨推力和速度变量推力提出很高的要求，在大质量运载火箭的变轨过程中，其精确度要求很高。稍有偏差就会导致变轨机动失败，以往的探测器的质量不超过百吨，但是先期前往火星着陆的火星燃料设备和各种设备加在一起总质量必然超过百吨，这对变轨推力提出了一定的要求。
　　2   探测器在完成变轨之后前往火星的过程中，深空通讯是最关键的技术，因为以目前现有技术而言，火星探索可以说是长距离探索，对其深空通讯技术有着很高的要求，因为在系列过程中，所有的任务指令都要通过深空探测网络发送，所以对其通讯的可靠性提出质疑，因为现有的各种深空探测器往往都有联系中断的可能性。（2003年的日本集鸟号探测器也经历了长达64天联系中断）
　　3    在抵达火星轨道时着陆器的着陆系统也需要考虑，因为如此大质量的着落要尽量采用火箭着陆，并配合减速伞，然而在初次接触火星时必须充分利用火星大气进行大气制动（因为着落器内含有返程所需的液氢，如果使用气囊减震稍有不慎很容易对其液氢容器造成损失，导致任务失败，因为当第二批设备抵达时，必须要对火星已经生产的燃料进行运用，这在时间上是不可拖延的）。
　　4    假设上述的问题一一可以解决，最关键的还是燃料的生产，因为在着陆器着陆后，首先要进行展开动作，最基本的动力，通讯，要在第一时间完成，随后要进行返程燃料的生产，生产的化学过程在理论上很简单，但是在遥远的火星上如何开展如此高度自动化的燃料生产？这个问题很关键。因为燃料关系着所火星的探索，是关键的关键。
　　5    第二次发射窗口期的载人设备的发射，也有很多问题需要探讨，比如在长期的星际航行中的生理心理问题，各种病变的可能性，人员人数的生理需求量，对氧气，食物，水分的需求，都需要精确的计算和备份的准备。甚至在为其2~3年内探索所需要的生活必需品的计算。这都需要航天医学进行着手解决。
　　6    假设，仅仅是假设上述过程可以得到解决，那么接下来对火星探索的疑问，首先是火星的农业开发，因为这需要在火星上建立一个很大的封闭的类温室空间，并且要有良好的通风，水分，阳光等物质能量交换，这个项目目前已经有相关的实验在开展。例如为其500天的火星520封闭实验。这仅仅是初步，对于改造火星的关键取决于水。理论上可以通过一系列化学反应成产水，但是这不能保证相当人数的供应。所以，很有必要对其进行钻探式探索，寻找火星的地下水和地热能资源是关键，而如何找到水源这就是难点了，还有书中对于火星地球化改造的设想，目前得知，火星内核的不如地球活跃。星球大气的逃逸速度取决星体的引力束缚，对于火星的引力能否留住大气是很关键的一个因素，因为火星的G值小于地球，留下的只能稍微重的气体组分，这地改造火星的空气很不利。除非你能保证火星氧气的生产量远大于逃逸量，这个具体需要多大的生产量目前不得而知。但是这个问题很值得探讨和研究。
　　7     政策和资金的问题，这个问题不言而喻，探索需要钱，很多的钱。这个问题本身的不是属于我目前所能想象的，因为一个利益集团往往会和多种利益关系瓜葛不清，说白了，经济和政策比较复杂，再次不做过多探讨。
　　针对本书本人目前所能想到的就是这些，很希望能有更多人加入这个问题的探讨，文中不免有很多不成熟的想法很希望能和更多专业的友邻一起分享和探讨。我期望能做探讨的更多是技术层面的，对于政策和经济的探讨尽量不要在此讨论，而且对于技术合作问题尽量避免意识形态的探究，意识形态是个可怕的东西，它足以毁掉我们整个探索火星的可能性。所以希望大家能多多探讨技术层面和理论层面的问题，本文如有重大理论或是技术问题，希望大家能指出，以免引起技术或是理论的误导。
　　
　　
　　
　　
　　
　　                                                                                     赵洋
　　
　　
　　                                                                  作于2012年11月24号零点