在去火星種土豆之前，我們該做些什么[7P]

看完《火星救援》的時(shí)候，我們開玩笑說：“還說什么真實(shí)，這個(gè)片子簡直假得不能再假了！NASA怎么可能搞到那么多錢做那么大的項(xiàng)目！”

但有一件事情我沒好意思說出來：今天的NASA拿到的錢并沒有少很多。除了建立初期和太空競賽初期之外，年預(yù)算一直是折合今天200億美元左右。譬如2015年，NASA的預(yù)算為180.1億美元。

五十年前，人類花了八年時(shí)間抵達(dá)了月球，NASA最有錢的時(shí)候（1966年）預(yù)算折合今天435億美元?？墒俏迨旰蟮慕裉?，就算預(yù)算減少了一半，但技術(shù)進(jìn)步了這么大，計(jì)算能力翻了這么多倍，材料有了這么多提高，五個(gè)八年過去了，為什么還是沒有邁出前往火星的步伐？

去火星真的這么難嗎？還是在別的地方出了什么問題？

答案也許就在一個(gè)意想不到的地方——馬克·沃特尼，《火星救援》主角的身上。

龐大計(jì)劃，望而卻步

“我們選擇去月球，不是因?yàn)樗苋菀?，而是因?yàn)樗茈y?！?961年5月，美國總統(tǒng)肯尼迪下定決心后，整個(gè)國家變成了一臺(tái)“登月機(jī)器”，在十年內(nèi)完成了把人類送上月球的壯舉。當(dāng)這一切塵埃落定后，志得意滿的美國顯然認(rèn)為不再有繼續(xù)努力的必要。與此同時(shí)，在登月競賽中輸?shù)靡凰康奶K聯(lián)也一蹶不振，人類前往地外天體的步伐就此止步于月球，直至今日。

人類登月20年之后，1989年，新任美國總統(tǒng)老布什首次提出了登火星的“路線圖”。它有著名為“太空探索計(jì)劃”（Space Exploration Initiative，SEI）的高端大氣的名字。計(jì)劃的第一步，是在20世紀(jì)末建成“自由號(hào)空間站”作為裝配巨型飛船的基地；第二步，在21世紀(jì)初重返月球并建立月球基地；最后，用一艘“太空堡壘”般的巨型飛船將人類送往火星，途中展開為期一個(gè)月的登陸考察。
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SEI構(gòu)想的自由號(hào)空間站。圖片來源：Wikimedia

熟悉嗎？沒錯(cuò)，它看起來就像是《火星救援》中的世界觀。龐大的狀如空間站一般的“赫爾墨斯”號(hào)巨型飛船，還有碩大的輪狀人工重力艙，無一不是在向火星計(jì)劃SEI致敬。片中火星表面的任務(wù)時(shí)長為31天，這也與SEI的設(shè)計(jì)不謀而合。
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電影中龐大的“赫爾墨斯”飛船就是SEI的遺產(chǎn)。圖片來源：http://blog./

而這個(gè)計(jì)劃的下場呢？SEI提出三個(gè)月后，NASA組成的評判小組很快做出了一份被后世稱為“90天報(bào)告”的文書。該文書稱，把人類送上火星的底價(jià)是4500億美元。這是二戰(zhàn)以來規(guī)模最大，耗資最巨的政府計(jì)劃。很自然地，SEI在廣泛的質(zhì)疑聲中流產(chǎn)了。

嚴(yán)格說，它并沒有徹底死掉。本該由美國單槍匹馬獨(dú)立打造的“自由號(hào)空間站”現(xiàn)在拉上了俄羅斯和其他國家一起，改名成了“國際空間站”——然后，工期一拖就是近20年。2005年，老布什的兒子小布什父志子酬般提出了“星座計(jì)劃”（Constellation Program），打算在淘汰航天飛機(jī)后改用新一代的“戰(zhàn)神I號(hào)”火箭和“戰(zhàn)神V號(hào)”火箭組成客-貨聯(lián)合運(yùn)輸體系，推送2.0版的阿波羅飛船——“獵戶座”飛船重返月球，并在月球表面建立基地，以期支援未來的載人火星任務(wù)。這項(xiàng)計(jì)劃幾乎可視為SEI的復(fù)興，結(jié)局也近似——于五年后被新上任的總統(tǒng)奧巴馬廢止，代之以“太空發(fā)射系統(tǒng)”（Space Launch System，SLS）這樣一個(gè)前景并不明確的火箭項(xiàng)目。
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“星座計(jì)劃”中，與“獵戶座”飛船對接中的，使用核熱火箭推進(jìn)的地球-火星轉(zhuǎn)移飛船。圖片來源：i.ytimg.com

難道遠(yuǎn)大理想有什么不對嗎？當(dāng)然沒有什么不對。問題是，人類歷史上的偉大探索者，幾乎沒有一個(gè)遵循過如此事無巨細(xì)的龐大計(jì)劃。

把地球帶去火星，還是把火星變成地球

如果沒有那場火星風(fēng)暴，那么《火星救援》的故事就不會(huì)展開，戰(zhàn)神計(jì)劃也就會(huì)一帆風(fēng)順地進(jìn)行下去，用巨額的成本來換取一個(gè)又一個(gè)三十天短途逗留。這樣的計(jì)劃，恐怕注定只能停留在好萊塢電影中。

然而，因?yàn)橐粓霈F(xiàn)實(shí)中不會(huì)發(fā)生的災(zāi)難，一切都變了——不是變得更虛構(gòu)，而是更真實(shí)了。當(dāng)馬克·沃特尼孤身一人困在火星上時(shí)，他比赫爾墨斯號(hào)的所有船員、比NASA的全部員工、比地球上全部的70億人，都更加接近真正的火星之路。

那就是，像火星人一樣在火星上生存。

就在NASA論證SEI計(jì)劃的近乎同時(shí)， NASA空天工程師羅伯特·祖布林提出了“火星直擊”計(jì)劃（Mars Direct）。該方案只需要兩次發(fā)射即可完成一次火星探索任務(wù)。SEI試圖從地球出發(fā)時(shí)就帶上全部物資，而“火星直擊”則立足于火星表面，利用當(dāng)?shù)刭Y源就地生產(chǎn)火箭推進(jìn)劑，從而節(jié)省了大量物流成本，而這一切只需要19世紀(jì)的化工技術(shù)。與鄭和船隊(duì)般壯觀浩蕩的SEI相比，“火星直擊”就像是哥倫布簡陋的三桅小帆船。然而，我們都知道是后者發(fā)現(xiàn)了新世界。

SEI在相當(dāng)多人的腦海里樹立了一道不可逾越的高墻——去火星需要建造龐大復(fù)雜的飛船，需要月球基地，需要比化學(xué)燃料更先進(jìn)的推進(jìn)技術(shù)。然而“火星直擊”告訴我們，這一切完全是多余的。每次“火星直擊”任務(wù)只需要每兩年發(fā)射兩枚重型火箭就可以完成整個(gè)任務(wù)。只需要當(dāng)下的技術(shù)和決心，我們就可以出發(fā)。

“火星直擊”的硬件亦可用于月球基地建設(shè)。圖片來源：http://www./

電影中的“赫爾墨斯”號(hào)飛船采用核裂變離子發(fā)動(dòng)機(jī)，這項(xiàng)技術(shù)可以有效提升載荷容量，降低火星的貨運(yùn)成本，但實(shí)際上并不能壓縮太多旅途時(shí)間。在未來的地球-火星運(yùn)輸體系中，核裂變火箭和太陽能火箭將主要用在大宗貨物的運(yùn)輸上。在此之前，我們完全可以用現(xiàn)有的化學(xué)火箭來承擔(dān)初期的載人和貨運(yùn)任務(wù)。每次探測任務(wù)需要兩枚火箭，其中一枚火箭提前26個(gè)月出發(fā)，向火星運(yùn)送返地飛行器ERV。與影片中的MAV稍有不同，ERV是一枚兩級(jí)載人火箭，宇航員們將直接乘坐它返回地球，而不再需要和火星軌道上逗留的“赫爾墨斯”號(hào)飛船對接。

出發(fā)時(shí)的ERV幾乎是空載的，燃料罐中只攜帶了充當(dāng)制造返程燃料的原料的一小部分液態(tài)氫。到達(dá)火星后，ERV會(huì)利用自帶核反應(yīng)堆的電力驅(qū)動(dòng)小型化工廠，從火星大氣中源源不斷地抽取二氧化碳與氫化合，通過化工生產(chǎn)中相當(dāng)成熟的薩巴蒂爾甲烷化反應(yīng)制成甲烷和氧氣，只需花8個(gè)月就能充滿燃料艙。事實(shí)上，制造的燃料不僅可供ERV返程使用，還可用于驅(qū)動(dòng)載人火星車進(jìn)行火星表面探測，這樣一來就可大大擴(kuò)展人類在火星表面的機(jī)動(dòng)能力。對于在火星上流浪的沃特尼來說，燃料驅(qū)動(dòng)的火星車絕對是個(gè)好東西，因?yàn)樗僖膊挥脛?dòng)不動(dòng)就停下來充電了，大可以一口氣開到夏帕雷利環(huán)形山去，路上也不用擔(dān)心塵暴導(dǎo)致的太陽能電池功率衰減，比電影中的太陽能動(dòng)力火星車靠譜多了。

第二枚火箭將火星降落飛行器MDV連同四名宇航員送往火星，他們將降落在先前ERV的著陸點(diǎn)附近。著陸后，MDV自動(dòng)變?yōu)榛鹦蔷幼∨摗Ｅc此同時(shí)，另一枚運(yùn)送ERV的火箭同時(shí)出發(fā)，如果之前的ERV因故不能發(fā)射，宇航員還可依靠新的ERV返回地球。整個(gè)任務(wù)為期兩年半，地球和火星間的往返共需花費(fèi)一年時(shí)間，剩余的一年半時(shí)間里，所有宇航員都呆在火星地面上進(jìn)行考察任務(wù)，受到火星大氣的保護(hù)，而不需要逗留在飛船里經(jīng)受太陽輻射和宇宙射線的洗禮。任務(wù)完成后，當(dāng)他們從火星啟程之前，還可以對將要乘坐的ERV進(jìn)行充分的維護(hù)和檢修，做好發(fā)射前的一切準(zhǔn)備工作。

當(dāng)然，還是有相當(dāng)一部分人對極簡主義風(fēng)格的“火星直擊”心有疑懼。為此祖布林也提出了一個(gè)妥協(xié)方案：增加了一個(gè)留軌的返地飛船ERV，原先的ERV改為火星上升飛行器MAV，只需要飛到環(huán)繞火星軌道與ERV對接即可，不再需要直飛地球。這一方案被稱為“火星半直擊”（Mars Semi-Direct）。1997年，NASA也提出了名為“設(shè)計(jì)參考任務(wù)”（Design Reference Mission，簡稱DRM）3.0版的載人火星任務(wù)方案，基本沿襲了祖布林“火星半直擊”的構(gòu)想。
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“火星半直擊”（DRM 3.0）中，相互連接的MDV/火星居住艙。圖片來源：Wikimedia

“火星半直擊” （DRM 3.0）中，留軌待命的ERV與MAV會(huì)合。圖片來源：sites.google.com, spaceodysseytwo

不幸的是，在后來與“星座計(jì)劃”相匹配的DRM 5.0版本中，一切又回到了原點(diǎn)——需要依靠核裂變火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)射七枚重型火箭和一枚載人火箭，并完成四次近地軌道組裝才能實(shí)現(xiàn)一次火星任務(wù)，這與“火星直擊”的思路背道而馳。隨著“星座計(jì)劃”的廢棄和SLS項(xiàng)目的上馬，各路載人火星任務(wù)方案也在NASA的一堆堆紙面文件上你方唱罷我登場，卻改變不了它們耗資巨大，周期漫長的實(shí)質(zhì)。火星之旅，依然前途渺茫。
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DRM 5.0的任務(wù)架構(gòu)示意圖。圖片來源：NASA

為什么要送人，而不是機(jī)器

把人類送上火星真的如此必要么？相當(dāng)多的研究者應(yīng)該都有類似的困惑甚至質(zhì)疑。把人類送上火星意味著要花費(fèi)比向火星發(fā)射探測器多得多的資金，既然我們已經(jīng)發(fā)射了如此眾多的火星人造衛(wèi)星、火星著陸器和火星車，它們難道不可以替代人類完成探索火星的任務(wù)嗎？把節(jié)省下來的資金用于支持更多的無人太空探測任務(wù)豈不是更好？

蘇聯(lián)當(dāng)年也做過類似的宣傳。在當(dāng)年阿波羅登月如火如荼之際，蘇聯(lián)向月球發(fā)射了數(shù)枚自動(dòng)采樣返回裝置和兩輛自動(dòng)月球車，并且通過官方媒介大力宣傳自動(dòng)探測器的好處：比阿波羅飛船便宜得多，并且不會(huì)讓宇航員置于危險(xiǎn)環(huán)境中。蘇聯(lián)的自動(dòng)探月裝置當(dāng)然是了不起的成就，但和阿波羅飛船帶回的382千克月球樣品相比，蘇聯(lián)的三枚采樣飛船帶回的326克樣品似乎略顯寒酸（請注意一個(gè)是“千克”另一個(gè)是“克”）。并且，蘇聯(lián)的采樣飛船只能在登陸點(diǎn)附近隨機(jī)挖一勺子土樣，或者估摸著鉆個(gè)孔取得巖芯。和阿波羅任務(wù)由經(jīng)受訓(xùn)練的宇航員有計(jì)劃有選擇地取樣相比，兩種樣品的科學(xué)價(jià)值顯然相差甚遠(yuǎn)。

月球是如此，火星也是如此。太空探索離不開人類即時(shí)的判斷力和行動(dòng)力。盡管我們已經(jīng)向火星送去了眾多無人探測器——“海盜”“探路者”“勇氣”“機(jī)遇”“好奇”號(hào)等等，盡管它們已經(jīng)幫助我們越來越深入地認(rèn)識(shí)這顆紅色星球，我們?nèi)匀粦?yīng)該親自去那里看一看，而不應(yīng)該被某種“無人探測器朋克”情結(jié)所束縛。好奇號(hào)火星車是如此先進(jìn)，然而它與人類操縱者的聯(lián)絡(luò)仍然受限于火星中繼衛(wèi)星飛過頭頂?shù)臅r(shí)間，以及火星著陸點(diǎn)朝向地球的時(shí)間。科學(xué)家需要幫它事先制定好詳細(xì)而周密的行動(dòng)計(jì)劃，再苦苦等待它將考察獲得的數(shù)據(jù)傳回，作為下一次行動(dòng)的依據(jù)。每一輪行動(dòng)都要花去數(shù)天時(shí)間。并且，它們的機(jī)動(dòng)范圍和應(yīng)變能力也極其有限。當(dāng)發(fā)生任何突發(fā)情況時(shí)，遠(yuǎn)在地球控制室里的人幾乎幫不上任何忙。正如祖布林所說的那樣，“把勇氣號(hào)或好奇號(hào)這樣的火星車投放到落基山里，恐怕下一個(gè)冰河期都來了，它們還沒找到一塊恐龍化石?！睋Q做是人類，就能在機(jī)遇或挑戰(zhàn)來臨時(shí)瞬間做出應(yīng)有的抉擇，并進(jìn)一步將火星建造成人類文明的第二個(gè)家園。

當(dāng)人類親臨那里時(shí)，一切都將不同。

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•  2015-12-19 20:34