向火星挺进，人类２１世纪的航天壮歌:美国航天火星

　　火星干燥贫瘠的表面下不深的地方，可能埋藏着大批以冰冻状态存在的水。这是美国和俄罗斯研究人员通过分析“奥德赛”火星探测器一个多月来的观测数据所得出的结论。５月２８日科学家宣布的这一发现，对未来人类登陆火星具有重大意义。
　　科学家们认为，金星是地球的过去，火星是地球的未来。不管这个预言是否能够变成现实，人类对火星的关注却从来就没有停止过。到火星上寻找生命，成为２０世纪世界航天的愿望，在经历了一次次的失败后仍义无反顾。
　　在人类走进新千年的时候，火星不仅将成为人类登陆地外行星的第二站，而且还将在那里建立基地，实施工业、农业化，向火星移民将成为不泯的梦想。
　　
　　火星概貌
　　
　　火星由于其鲜红外表，得到了罗马战神的命名，有时候也被称为红色行星。它由密集的岩石材料构成，和水星、金星、地球一起成为太阳系内的四个类地行星，或者说像地球的行星。在这四个类地行星中，火星与地球最近，距地球最近距离只有４３００万公里，与太阳之间的距离在九大行星中排在第四位，地球排行第３位。火星的大小大约是地球的一半，赤道直径是地球的５３％，质量是地球的１０．８％，密度为水的３．９倍，自转周期为２４小时３７分１２秒，公转周期约为６８７天，有稀薄的大气，大气成分中９５．３％是二氧化碳、２．７％是氮、１．６％是氩和少量的氧和水分，有四季交替的气候，表面温度在赤道上白天最高为摄氏２８度，夜间降至摄氏零下１３２度，表面大气压相当于地球３０～４０公里高空的大气压。火星土壤中二氧化硅占４４％，氧化铁占１９％。火星与地球有着许多相似之处，是太阳系各大行星中，人类最为关心、研究得最多的一颗行星。
　　尽管火星与地球相似，却远没有地球“温柔”。火星的气候非常恶劣，发起“脾气”来，常常搞得连续几个月天昏地暗。其中最厉害的要数火星尘暴了。
　　１９９６年９月８日，“哈勃”太空望远镜观测发现，在火星北极的冰冠附近，出现了直径近１０００公里的浅橙色斑点。到１０月１５日，其形状稍有散开，在北极冰冠留下了一个逗点形状的痕迹，这就是大名鼎鼎的火星尘暴。
　　火星尘暴是一种重要的大气现象，发生的时候呈现在人们面前的是一个“大风起兮云飞扬”的景象。现在人类已经逐步搞清楚了，火星尘暴其实是火星低层大气中卷着尘埃微粒的强劲风暴。
　　据统计，在６８７个地球日的一个火星年里，要发生约１００次局部尘暴，其中有１～２次尘暴可以演变成持续数月的火星全球性特大尘暴。
　　目前发现，火星尘暴一般多发生于南半球。它是一种灾害性大气现象，不仅给探索火星设下了道道障碍，而且严重地威胁着人类火星登陆和火星资源开发。在探索火星的活动日益增多的时候，人们正在研究预报火星尘暴发生的规律，探讨战胜火星尘暴的方法。
　　
　　从地球到火星的漫长历程
　　
　　人类进行火星探测已经４０个年头。据不完全统计，美国和前苏联（今俄罗斯）曾向火星发射过２３个行星探测器，其中１０个探测器彻底失败，７个探测器到达火星后没有传回数据，只有６个探测器传回了数据。
　　按照科学家的设想，人类的火星探测分６个阶段，也就是说要分６步走。
　　火星探测的第一步是派出探测器掠过火星。１９６２年１１月１日，前苏联发射的“火星１号”探测器，被普遍认为是人类火星之旅的开端。
　　１９６５年７月１５日，美国的“水手４号”探测器接近火星，从距离火星１００００公里处拍摄了２１幅照片，发现火星上存在着大量环形山，大气密度只有地球的百分之一，没有融化的铁核也没有磁场。
　　１９６９年，美国“水手５号”和“水手６号”探测器再次掠过火星。拍摄的２００多幅照片表明，火星最低温度比预想的要低，火星大气中二氧化碳的含量高达９５％，水蒸气几乎难以寻觅到。
　　火星探测的第二步，是使探测器被火星的引力俘获，成为火星的卫星，以便环绕火星轨道对火星进行长期考察。１９７１年１１月，美国发射的“水手９号”飞船进入了火星轨道，成为火星的第一颗人造卫星，从而完成了火星探测的第二步。这颗卫星不负众望，拍摄了火星全貌，确认火星上并没有“运河”；它的一半有许多环形山，外貌很像月球，而另一半则比较平坦。
　　火星探测的第三步是派遣探测器在火星着陆。１９７１年５月１９日和２８日，前苏联的“火星２号”和“火星３号”探测器相继发射升空。同年１１月，“火星２号”投下的探测器在火星表面摔毁；１２月，“火星３号”的登陆舱在火星表面着陆，送回２２秒钟的信号后失去了联系。
　　１９７６年７月和８月，美国“海盗１号”、“海盗２号”探测器的着陆器分别在火星成功着陆。它们携带的高级仪器分析了火星的土壤，测量了风速、气压和温度等，并确定了火星的大气成分。令人鼓舞的是，它确认了火星上曾有过液态水存在的迹象。
　　１９９６年底，以美国“火星探路者”探测器为代表，标志着火星探测进入第四阶段。在这个阶段，主要是发射机器人登陆火星。这些机器人像伞兵一样降落在火星表面，让有轮子的火星车在地面指挥中心的控制下，在火星上行驶，从而实现了对火星的大范围无人考察；部分机器人还将带着探测结果返回地球，为实现载人火星飞行提供方法和依据。
　　美国正在抓紧研制新一代火星车。这种火星车是一个完全独立的装置，与探测器本身完全没有关系，它配备了挖掘装置，可以在火星表面打洞和在火星表层以下安装监测设备。这两台火星车将在火星不同的地区着陆，采集火星大气数据和标本，为机器人光临火星作准备。这一步估计将持续１０多年。
　　火星探测的第五步是派遣一个自动取样飞船前往火星，把火星上的多种样品送回地球供科学家研究。在这个阶段，将有多艘飞船在火星着陆。俄罗斯研制的火星车早在１９９２年５月就在美国加利福尼亚州的国家公园“死亡谷”进行了试验，这个公园类似于火星的地貌。此外，日本的火星车蓝图也已经完成。
　　火星考察最终也是最困难的是它的第六步，即载人火星飞行。当上述计划顺利实现后，人类将前后派遣６名航天员飞往火星，将在火星上的“康多尔恰斯玛”２号地区降落。
　　目前，人类仅仅完成了火星探测的第四步，即探测器登陆火星。１９９７年美国独立日那一天，美国“火星探路者”号探测器历经７个月的艰苦跋涉踏上了火星这片红色的土地。
　　名为“索杰纳”的火星车在火星山谷中开进，传回了人们期待的信息（见题图）。这些图像数据表明，火星与地球有着极其相似的环境，有一层稀薄的大气，有山脉、丘陵，甚至还有陨石坑。更为令人惊奇的是，通过对火星岩石的分析，科学家们发现，火星上有些岩石成分与地球上的非常相似。从“火星探路者”发回的照片看，阿瑞斯平原几十亿年前曾发生过特大洪水，“火星探路者”着陆的阿瑞斯峡谷是由数十亿年前一场汹涌无比的波涛冲击而成。在那里有洪流冲击堆积起来的鹅卵石，岩石上还有清晰的水痕。科学家认为，如果类似的洪水发生在地球上，就好比北美洲中部五大湖泊的水在两周内全部涌入墨西哥湾，留下一条宽约９６公里、深约２公里的沟。既然火星上发生过洪水，就说明火星曾经比现在温暖湿润，有着适合生物生存的环境。
　　
　　人类航天的又一次攀登
　　
　　如果把走出地球看作人类航天的第一次攀登，踏上月球是第二次攀登的话，那么航天员登陆火星则是人类航天的第三次攀登。完成了这一壮举，人类才跨出了地月系，进入了太阳系。
　　４０多年来，人类发射了几十个探测器前往火星，但是完成任务的却寥寥无几，这说明登上火星远比登上月球要困难和危险得多。
　　首先，火星登陆需要庞大的资金支持。１９９７年，当科学家宣布发现了火星上生命存在的迹象后，美国航空航天局曾经列出了一系列火星计划，曾经提出在２００５年把探测器收集到的火星土壤和岩石样品运回地球，供科学家们进行研究。
　　但是这个计划启动时间却一推再推，主要原因是这项计划的经费已经远远超出预算范围。
　　据科学家们设想，火星登陆的整个计划将由９次载人飞行来实现，其中前三次是技术飞行，其使命是搜集信息、验证技术，为长距离载人飞行做方案及技术上的准备。据初步估算，一艘载人火星飞船的研制和发射至少需要２００亿美元。完成９次火星载人飞行，所需要的资金是一个天文数字。显然，在没有明显的经济效益的情况下，仅靠一个或几个国家很难拿出这样一笔庞大的资金来资助这样一个大胆的科学研究计划。
　　其次是技术上的问题。完成火星载人飞行，是人类航天的一大壮举，是人类前所未有的巨大系统工程，需要解决许多关键技术，例如高性能的推进技术、空气制动技术和环境控制技术以及如何制造星际航行的飞船等。根据计算，星际飞船的重量将达６００吨，比国际空间站还重１００多吨。如此庞然大物，目前还没有这样的运载火箭能将其发射到太空。因此有的科学家提出，可以使用低成本、可多次使用的运载火箭，将飞船的组件运到近地轨道，在那里进行组装。
　　还有一个重要的问题是，从什么地方获取飞船所需要的燃料。解决的办法有两个，一个是使用化学燃料火箭发动机，只为飞船准备前往火星的燃料，而返回的燃料则利用火星上的氧就地生产；另一个是使用核动力火箭发动机和核电火箭推进。分析表明，使用化学火箭发动机能使飞船飞到火星，如果需要携带如此多的化学燃料，将使飞船的重量增加到１２００吨。因此，核动力火箭发动机和核电火箭发动机是比较理想的推进装置。自上个世纪６０年代，核动力火箭的研制有了较大的进展，距投入使用尚需完善，目前仍在研究试验中。
　　在推进系统方面，化学火箭推进系统较为成熟，但性能不理想，尤其是把几百吨重的推进剂送上近地轨道和在地球低轨道上装配火星飞船难度较大。因此，加快非化学推进系统的研制和使用，是火星登陆必须解决的问题。
　　当载人火星飞船进入火星和地球大气层时，为了减慢速度，必须使用空气制动技术，飞船上要装配两套空气制动装置，一套在飞船进入火星大气时使用，另一套是进入地球大气层时使用，这必然给飞船的设计带来不小的问题。
　　与其他载人航天器不同，对火星飞船上的生命保障系统和环境控制系统要求更高。它需要提供从地球飞往火星和从火星飞往地球的生命保障，还要提供航天员在火星工作及为将来建火星基地做准备所需的生命保障。
　　载人火星飞行需要一年半至三年的时间。据估计，一个人在太空生活一年所需要的全部生活消费品重约５吨，如果火星飞船上有６名航天员，则飞船上需要携带约４５～９０吨的生活用品。受航天运载器推力的限制，火星飞船要带如此重的物品是不可能的，必须采用再生或生命保障系统。也就是说只携带少量的生活用品，其它所需生活用品在飞船里再生。比如，对人体代谢物进行处理，可以再生出氧气、水和食物；同时飞船里还可以生产出粮食、蔬菜等，这些都有待于解决。
　　如何解决航天员的防护，也是把人送上火星所面临的问题。生物学家长期以来一直认为，人类登上火星的最大的障碍是在前往火星的旅途中，如何使航天员免遭高强度宇宙射线的辐射。这些辐射包括太阳耀斑和宇宙射线里包含的大量电离辐射。“奥德赛”火星探测器研究小组的研究结果表明，探测器在前往火星的途中所遭受的辐射量，是国际空间站的两倍，其中遭受的重离子辐射量是工业标准的三倍。
　　航天员在星际航行时，遇到的另一个危险就是失重。火星引力仅是地球的三分之一多一些，航天员经过漫长的失重环境飞行后，在火星上这种重力环境中工作，将是一件十分困难的事情。
　　对航天员身体有很大影响的还有星际空间的弱磁场，科学家至今还不甚了解其特点。此外，在漫长的旅途中，航天员还可能遇到突发性的健康及仪器失灵等问题。（未完待续）
　　责任编辑：兆 然 ■