解决13个问题，带你征服宇宙！

继阿波罗登月计划之后，载人航天领域的发展停滞不前，看上去好像完全是因为政治原因。其实，物理定律才是真正阻碍载人航天的罪魁祸首。火星和地球最近的距离也是地月距离的 140 多倍。无人探测器一般要飞 8 个月才能到达火星。前美国国家航空航天局（NASA）局长查尔斯·博尔登（Charles Bolden）曾说过，他想要生产全新的推进系统，把飞往火星的旅途时间缩减一半。不过，就算是一个短期的火星任务，宇航员们也需要在那片贫瘠而又危险的土地上生活 26个月。这样宇航员们才能等到下一次火星冲日，开始返程。如此险象环生的火星探险是一个为期两年的生存挑战。这还只是去拜访太阳系中最欢迎我们的星球！

经过了 40 年的瓶颈期，国家航天局和私人公司重新开始关注载人航天探索。然而，火星并不是我们的最终目标，而是我们的下一步计划。人类最终将行走于更遥远的行星和卫星上，甚至可能到达其他恒星系统中的星球。但是，想要实现这些梦想，我们就必须研发出一系列新型科技。无论是更新推进系统和导航系统，还是准备太空食物，抑或是建造居住地，都需要科技发展的巨大飞跃作为支持。现在，我们就来看一下到目前为止，太空科技方面的进步。

飞行器在火星着陆和在月球或地球上着陆完全不同。如果直接插入火星轨道，飞行器到达火星的时速将是 21000 千米。火星的大气层密度仅为地球的 1%。然而，这样的航行速度还是能使飞行器外部升温至 1600 摄氏度。这样的温度足以熔化金属钛！当飞行器距离火星表面 12 千米时，仍然将以每小时 1450 千米的速度航行。美国国家航空航天局的好奇号火星车使用了一个降落伞，将航行速度降至每小时595千米。如果要在土星的卫星土卫六或是金星上着陆，这个技术也可能有用，因为这两颗星球都有稠密的大气层。

要想解决这个问题，就要研发一种在面对超声速气流时仍可以成功启动的火箭发动机。太空探索技术公司（SpaceX）为了制造猎鹰 9 号（Falcon 9）可重复使用的第一级火箭，一直在研发这项技术。在研究过程中，猎鹰 9 号收集到的数据将变得至关重要。

猎鹰9号火箭（图片来源：凤凰网）

一旦我们将眼光放得更远，突破太阳系的边界，所谈及的距离就真的会令人望而生畏。就算我们能将一个小型探测仪加速至光速的0.5%，它到达最近的恒星也需要860年。同时，航行所需的燃料就比我们可能获得的所有氢燃料还要多。斯蒂芬·霍金和马克·扎克伯格支持的突破摄星计划可以将这个旅途的时间缩减至20年。想要实现这个目标，需要将一束激光射向一面巨大的光帆，而这也只对重量仅为几克的纳米探测仪有效。

想要在比较现实的时间尺度里发送一个较大的飞行器，我们需要某种曲速引擎技术的支持。理论物理学家米格尔·阿尔库维雷（Miguel Alcubierre）给爱因斯坦的时空等式找到了一个可能的解答。这个答案可以扭曲太空本身，不需要在本地超越光速，就可以迅速抵达很远的距离。

问题是，满足这个时空几何的等式似乎需要具有负能量密度的奇异物质，也就是反重力。从我们现今对物理学的理解来看，没有任何理论能告诉我们这种奇异物质是否真实存在。最终，我们可能只是用一个不可能解决的问题代替了另一个问题。就连阿尔库维雷自己也不相信曲速引擎是可以实现的。

在微重力中生活的宇航员会每个月丢失多达2%的骨骼质量，心脏也会慢慢适应环境，不需要像地球上这么用力就可以将血液输送至全身。当宇航员返回地球后，如果过于迅速地站起来，可能会晕倒。平衡能力和方向感也会受到影响。在经历18个月的旅途并抵达火星后，宇航员的身体处于最虚弱的阶段。然而，这刚好是他们最需要强健体魄的时候，因为他们要完成在火星表面建立基地的重要工作。

在国际空间站（International Space Station，简称ISS），宇航员每天要花两个小时在跑步机上运动，或者拉伸松紧带，起到模拟举重的效果。但是，这样的运动量仍然不够。宇航员回到地球的时候永远比他们离开时要虚弱。旋转飞船能够产生离心力，这也是可以用来代替重力的一种方法。但是，这样做需要很大的空间。如果飞船每15秒旋转一次，就需要长达112米的旋转直径才能模拟地球引力。这个直径比加上太阳能电池板在内的整个国际空间站都要长！节省空间的一种方法是采用一种设计成哑铃状的飞船，使宇航员隔间在杠铃的一端，而发动机在另一端。在旅程的滑行阶段，整个飞船会从一端到另一端来回翻转。

太空早已不再是一个一尘不染的荒野了。自1957年起，我们就一直在近地轨道丢弃各种各样的垃圾。最大的垃圾其实是很多早期火箭的上面级 1 ，太阳会加热其油箱中余下的燃料，引起爆炸。美国国家航空航天局现在要求火箭把未经使用的推进剂全部清空，避免这个问题。但是，成百上千的老旧上面级的残骸仍然在地球周围横冲直撞。在地面上追踪这些垃圾起码还比较容易。但是，地球周围还有很多更小的碎片，包括固体火箭发动机废气中的微小颗粒，或者残酷的烈日夺走的油漆斑点。这些小碎片只有在撞击到什么东西时，我们才能看见。然而，如果它们撞击到了在另一个轨道上运行的人造卫星，它们的相对速度形成的能量相当于一把狙击步枪的破坏力。

如果太空碎片没有清理干净，它们将在时空中形成一系列串联式撞击，这样的现象被称为凯斯勒现象（Kessler Syndrome）。一旦出现这一现象，这些碎片将会把人造卫星撞得粉碎，而被撞的人造卫星的碎片又会撞击到其他的人造卫星。1996年以来，这种与太空碎片产生的碰撞已经毁坏了至少3颗人造卫星。飞船可以利用多层惠普尔防护罩（“Whipple” shielding）来避免小型碎片的碰撞，例如用防护罩保护国际空间站的控制板。但是，我们仍然需要一个一个地追踪那些大型垃圾，并把它们从轨道中移除。

建立新家园可是一个辛苦活儿，仅靠人类来完成所有工作并不现实。机器人不需要在前往另一个星球的漫长旅途中吃饭、喝水或呼吸，这些条件足以说服我们使用机器人来建立新家园。机器人也很有可能先于我们到达任何我们想去的星球。想要在地球以外开发一个新家园，其早期准备涉及很多挖掘工作。这项工作很困难，人类很难安全地完成。美国国家航空航天局设计了一种表土层先进表面系统操作机器人（Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot，简称RASSOR），来处理在低重力环境下的挖掘工作。这种机器人的前后两端有两个向着相反方向旋转的铲子，所以它不需要靠自身重量来俯身。完成了基础建设之后，这些机器人仍然可以起到重要作用。它们可以从底土层开采饮用水，或者将水分解成氧气和氢气。

狭窄的生活环境、稀少的休闲时间、单调乏味的食物和危机四伏的外太空环境，组成了一个充满压力的工作场所。美国国家航空航天局在夏威夷的“太空仿真探险模拟”（HI-SEAS）项目中心模拟了一个火星基地，开展了几次长期居住研究。迄今为止，研究主要发现我们无法避免与同组宇航员之间发生矛盾。无论我们如何精挑细选宇航员团队，都一定会出现争吵和情绪崩溃的情况。有几个研究发现，任务中期最容易发生宇航员情绪爆发的情况，因为那是宇航员士气最低、最无所事事的时候。

在深层宇宙冬眠技术得到完善之前，虚拟现实技术是可以避免在宇宙中发生精神错乱的一个方法。数码艺术领导和创新实验室（Digital Arts Leadership and Innovation，简称DALI）在研究有效使用虚拟现实技术的方法，用来减少宇航员的思乡之情，并让他们可以逃离飞船上充满压力的生活环境。

喂饱在宇宙深处执行任务的宇航员们不仅仅是要在飞船上带上种子和花盆那么简单。就算是在火星执行任务，也是巨大的生存挑战。如果你用自然光来进行光合作用，那么火星上的农民们需要穿上太空服才能避免受到辐射，才能照料庄稼。尽管火星的大气层主要由二氧化碳构成，但想要在一个封闭的穹顶之外种植农作物，火星的气压远远不够。农业发展需要一个符合农作物生长要求的环境。因此，在火星人口总数能以百计之前，与其发展能自给自足的食物生产线，还不如直接从地球上运来所有需要的食物。如果要航行去更遥远的外行星，食物问题就会变得更严峻。在一个封闭的飞船里，水可以无限次循环利用，但是食物不行。就算我们可以用呼出的二氧化碳和人类排泄物来种植出营养丰富的藻类，也没有一个宇航员可以忍受长时间吃这样的食物。小型的溶液培养温室可以种一些沙拉中常见的绿叶蔬菜，这样的“大餐”可以鼓舞士气。但是，要花更长的时间才能种出土豆和大豆。为了执行猎户座飞船（Orion）的任务，美国国家航空航天局一直在研发有营养的块状食物，保证每一份块状食物都可以提供一餐所需的热量。

制造能够直接对抗引力的牵引并不是那么难。让一个1吨重的装备升上太空，需要1000亿焦耳的能量。仅仅靠飞船的主发动机，就可以每秒钟发射约330亿焦耳的能量！但是，凡是直接抬上天空的东西都会无法避免地直接坠落到地面上。想要进入轨道，就需要增加足够的侧向速度，使之达到每秒钟7.8千米。这比把装备抬上天空所需的能量要多得多。除了装备以外，还需要把火箭也送入空中。这样运送所需的能量就会迅速飙升，除非在上升过程中抛弃一些重物。

然而，如果把用过的火箭级全都丢弃，每一个火箭就只能使用一次，代价十分高昂。但是翻新固体火箭推进器和轨道飞行器仍然非常昂贵，每次启动需要4500万美金，相当于两枚土星5号运载火箭（Saturn V）的造价。不过，猎鹰9号的发射改变了这一切。2015年12月，太空探索技术公司使猎鹰9号的第一级火箭飞回了卡纳维拉尔角（Cape Canaveral），最终在发射点不远处降落。从那以后，该公司的其他6枚火箭也陆续着陆。太空探索技术公司主席格温·肖特韦尔（Gwynne Shotwell）说，重复使用这些第一级火箭可以让每一次发射的开销减至区区500万美元。

想要到达宇宙中更遥远的地方，就需要航行得更快。这不仅是为了让你快点到达那里，而是决定了你能否到达那里。如果没有足够的速度推送飞船进入你的轨道，飞船的航行路线就不够弯曲，导致无法和目标轨道相交。齐奥尔科夫斯基（Tsiolkovsky）的火箭等式指出，一艘飞船的速度是由两个因素决定的：一个是飞船携带的燃料量，另一个是它的排废速度，或是燃料燃烧时产生的“比冲”。现今的火箭使用的燃料是一种高级煤油和液态氧的混合物。这种燃料较为便宜，也更容易处理。但是，它的排废速度仅为每秒3千米。

当燃料质量占火箭的 95% 时，你可以将其加速至排废速度的3倍，也就是每秒钟9千米。飞往冥王星的新视野号（New Horizons）需要达到超过每秒 16 千米的速度。它是由宇宙神 5 号运载火箭（Atlas V）发射的。为了达到这个速度，新视野号的重量必须小于宇宙神5号的0.15%。从理论计算来看，最有效率的火箭燃料是液态氢。尽管一些火箭已经在使用液态氢燃料，但是就连液态氢也不足以让我们把装备运到外星球以及更远的地方。我们解决这个问题的唯一办法就是设计更奇异的发动机。

宇宙神 5 号运载火箭（图片来源：新浪网）

在星球表面生存必须有一个基地。除了居住空间以外，探索者们还需要温室、实验室和用来保护探测车和设备的飞机库。我们不可能带上组建这些设施需要的所有建筑材料，所以我们必须用我们能找到的材料来建造。美国国家航空航天局正在同云建筑办公室（Clouds AO）合作，研发可充气的基地模块。从火星土壤中开采的冰将用来填充这些模块，因为水可以吸收辐射，却不会挡住可见光。我们可以从加热土壤中提取水，然后将液态水泵入有双隔层的腔体。在那里，水会重新结冰。但是，欧洲空间局（ESA）更进一步，研发了一个三维立体打印机器人。它可以利用月球的表层土来创造特有的水泥，一边筑墙一边围着墙行驶，最后建造出一幢幢完整的楼房。

探险家到达美洲大陆时，看到了一片富饶的土地，土地上有新鲜的水和野生动物。但是，探索太空却没有这么美好。火星很冷，也没有足够的大气层。相反，金星很热，但是大气层过厚。木星和土星的卫星都有致命的辐射。冥王星太冷，而水星太热。离开我们的太阳系后，情况甚至更糟。最近的系外行星是比邻星B（Proxima Centauri b）。严格说来，它是一颗类地行星。不过，这都是相对的。它藏在一颗暗淡红矮星的微小轨道中，收到的可见光是我们在地球上收到的2%。然而，它的可见光中包含的X射线辐射是我们在地球上收到的400倍。比邻星B上的温度比地球要低20摄氏度，而引力比地球高三倍。如果我们有朝一日，要去拜访这样的星球，需要擅长建造防护性高且能自给自足的居住地。最好的办法是循序渐进，先在我们的月球上建立一个永久基地，然后在火星上建一个。通过这些建设获得的外星工程经验将非常宝贵。

对于在近地轨道航行的飞船来说，全球定位系统（GPS）导航的效果有限。如果想去宇宙中更遥远的地方，全球定位系统根本没有用。美国国家航空航天局在考虑一项计划：在火星上建立一个类似的系统来导航。可是，我们不可能在太阳系中的每个行星周围都装上一个由24颗人造卫星组成的网络。我们越是想要航行得远，就越需要造价低、准确度高，且标准化的导航系统。美国国家航空航天局的喷气推进实验室（JPL）研发出了深空定位系统（Deep-space Positioning System，简称DPS）。这个系统可以通过扫描天空来识别星座，不需要使用飞船自带的高度控制推进器进行船体旋转。深空定位系统不仅能扫描可见光谱，也可以扫描到X射线波长，从而覆盖更多的星体。另外，它还有自带的无线电天线，可以计算与地球的相对位置。

对任务策划者来说如果只是在一星期内往返月球，或是在国际空间站待6个月，行程中的患癌风险可能没什么大不了的。但是，如果要去更遥远的地方星际旅行，那就不可同日而语了。木星磁场里包裹的辐射无比强大，足以摧毁无人探测仪。朱诺号（Juno）飞船防护罩能够让它全副武装，好像一辆会飞的坦克。它的集成电路都是由加大号的零件构成，使它在面对高能量粒子时有较高的容错性。

朱诺号飞向木星（图片来源：环球网）

对于深空航行来说，载人飞船可以将沉重的发动机朝向太阳，或者用储存的饮用水来当作盾牌，以保护宇航员免受太阳辐射。但是，银河宇宙辐射（Galactic Cosmic Radiation，简称GCR）会同时从四面八方射来。这些粒子的穿梭速度无比之快，当它们击中飞船的铝壁时，会产生一系列的二级辐射，而这些二级辐射对飞船里的宇航员来说更加危险。有一些塑料可以和银河宇宙辐射粒子相互作用，产生危害度较低的二级辐射。在飞船生命支持系统里的人类排泄物也可以用来防辐射。我们可能还是需要创造一个自带防护磁场的宇宙飞船。SR2S项目组在与欧洲核子研究组织合作，研究是否可以使用超导磁铁来创造一个辐射防护罩。

（注：本文图片除特别标注之外，均为原书插图）

来源：科学大院