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世界科技全景百卷书: 未来航天一瞥
末来航天活动的参加者 虽然人类踏入太空已有30多个年头，航天员仍然是一种稀有的职业，能进入太空飞行的人实在是太少太少了。 今天的宇宙飞船和航天站乘员除指令长外，包含飞行工程师、医生和通常精通几门科学与技术的研究工程师。这是由于飞船现今有限条件决定的。随着空间技术的蓬勃兴起，人类终将把生产实践和科学实验的范围扩大到地球外层空间。人类在认识自然和改造自然的历史进程中，将达到一个新的台阶。在地球近地空间会出现庞大、永久性、多舱结构的航天复合体，执行大范围的工作，其中有利用空间特殊环境与资源加工生产某些产品的宇宙或太空工厂、太阳能电站、大气外天文台、空间导航站等。那时，就有必要用能操作这些复杂设备的高素质专家来构成航天乘员组。这样，航天乘员组必须由飞行工程师和上述专家共同组成。他们操纵设备、进行维护修理并在飞行中控制这些设备。 除乘员组外，还有一个研究集体，包括地质学家、海洋学家、气象学家、生态学家、垦荒专家、冰河学家、天文学家。他们是进行空间科学研究的专业人员。 另外，有必要为上述两类人员提供每天的服务。服务人员应包括厨师、装配工、暖房菜园工等，还应有医疗服务人员。因此，看来酷像一艘研究船的载人航天复合体，其人员组成包括三部分：第一是乘务组人员；第二是科学研究集体；第三是后勤服务人员。 在更远一些的未来，人类会进行星际旅行，那时需要人们研究和开发月球、小行星或其他天体，并把它们变成空间科学研究和太空工业中心以及用作燃料加添、维护修理、乘务员换班的中转基地。届时，就会出现一个新的职业，其中有太空导航和领航、空间救援和星际学家。今天还很难说，未来宇宙航行需要什么样的专家。但当宇宙航行成为普通和平常之事的时候，这些就成为从事这些工作的人员每天的职责了。“航天”一词，不再表示一种职业，而仅仅是一种外空活动而已。 未来星际旅行所需生命物质的供应 在地球近地轨道上运行的和平号航天站，通过航天体系的帮助，由进步号货运飞船定期运送食物、水和空气。未来载人星际飞船的乘员飞离地球数百万、数千万公里时，再通过类似的运输系统进行补给，如果不是不可能，也必定是十分的困难。 在空间，一个人每天消耗食物、氧气和水，总计可达10千克。如果乘员组只由3人构成，在空间生活一个月，需要消耗1吨的氧气、食物和水；如果生活一年则需12吨；如果飞往别的行星，例如飞往近邻火星探测，则需二年至三年时间，总共需消耗氧气、食物和水多达24到36吨，如果不用运输线保障供给，要带上二至三年的给养飞往其他星球也显然是不可能的。 此外，当飞行时间增加时，在飞船上创造一个舒适的环境，以接近人的通常需要，这个问题就变得非常的尖锐。航天理论奠基人，康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基在世时想到了这些问题，并认为可以通过在飞船上建立温室来解决供应问题，他当时认为这是完全可以实现的。 在飞船上，他想像飞船把航天使团送到遥远行星，乘务人员会得到新鲜蔬菜、食物和维他命，排除二氧化碳，制造氧气并美化居住舱室。 科学家们认为在空间建立一个类似地球的生物系统是一项真正的挑战性任务。在这样的系统中，高等和低等植物起着关键的作用。很多专家已经推荐小球藻类作为主要的氧源。这种单细胞海藻在失重状态迅速繁殖，有效地产生氧而不产生有毒物质。虽然小球藻类内含蛋白质、脂肪、碳水化合物和维他命，但它们却很难充作人的食物。有一位专家说，咀嚼单细胞藻类，得不到我们所喜欢的感觉，它有着一种讨厌的味道。 科学家们设想用海藻作为动物和家禽的饲料，而它们供给星际飞船的乘员以肉类、牛奶和鸡蛋。人类最好使用高等植物。当初在航天站，航天员曾进行第一批高等植物培育试验，结果令人失望，因为它们在成熟期死亡；但是后来又经过不懈努力，通过一系列试验又产生了希望。最后的结论是，在失重状态下高等植物基本上能通过生长的所有阶段，这对未来的星际旅行有着极为重要和根本的意义。 支持空间生物生命系统的开发工作仍在实验阶段。正在作出的努力是寻找生长植物的最有效方法，例如在人造土壤中植物生长方法。在白俄罗斯共和国，科学家已经发展了一种人造土壤，它看上去像沙，但实际上是由两种类型的专门塑料材料组成的。它充满15种从通常的肥料中提取的营养物。植物生长，要进行光照，土壤也需要浇水。 使用人造土壤的实验表明，它可能有巨大的实际意义。一平方米菜园在70天可生产1千克小萝卜。与此形成对照的是一平方米人造土壤，21天可生产10千克。这些成果不仅在实验室，而且在某破冰船上试验时获得，那里配备了人造实验菜园。 科学家还研究空间失重状态下生长植物的其他方法，如溶液培养和电刺激培养。例如，美国洛克希德宇航公司在加里福尼亚州森尼韦尔实验室培育适合太空生长的蔬菜。研究人员将莴苣、胡萝卜和西红柿放进无土壤的培养基中，并在失重条件下培育起来。结果发现莴苣在含水的培养基中生长比在土壤中快2至3倍，并且发现莴苣很难与西红柿混种，只要有西红柿，莴苣便难于成活。原因可能是西红柿消耗的培养液太多，也可能是它对莴苣有毒，有待进一步试验。使科学研究人员兴奋的是用这种溶液培育的胡萝卜大获成功，长出来的胡萝卜味道鲜美，百尝不厌；但胡萝卜的形状怪异：上半部还算正常，下半部却向上弯曲，根须则像卷发一样卷绕在一起。时间将会证明，哪一种植物培养方法更有效。 航天医学专家说，长时间的星际飞行的生物生命支持系统，只能适应生物特性，别无其他选择。因此，科学家根据自然界的生物链关系，安排这样的周期实验：一组生命或者它们生命活动的产品作为食物，在每一个周期内供给其他的生命。 目前，科学家试图在生物生命支持系统中包括进动物王国的成员。已经考虑，鹌鹑将是第一批空间家禽场的居民，它的肉具有很高的热量。还应指出，它特别能产蛋。现在正在空间飞行中试验生物生命支持系统的不同元素，发展生产动物、植物和整个生物社会的技术。随着时间的推移，将可以回答更多的问题。然而，科学家们相信，在空间建立一个封闭的生态系统是可能的。如果今后能把这个信念变成现实，并建立起这样的生态系统，那末，到遥远的行星或天体进行星际旅行的理想将会变成真正的可能。 建立空间太阳能电站的前景 煤作为主要能源曾在工业革命中起过主要作用；而作为能源的石油是和本世纪的种种产业成就联系在一起的。可是，随着世界经济的发展，电力消耗日益增快，能源不足的矛盾相当突出。另一方面，更进一步和过分使用煤和石油还可能导致地球自然环境的破环；更大规模发展核电站又担心会构成对人类生命安全的威胁。于是很多科学家不约而同地想到了用太阳能。 确实，如能利用太阳能作能源，可以避免上述种种矛盾和担心。太阳能真是取之不尽，用之不竭，亿万年来无私地奉献给了宇宙，也为人类送来了光明和温暖。太阳把辐射到宇宙空间能量的大约二十亿分之一穿过15000万公里的路程投射到地球上。这能量相当于173万亿千瓦的功率，或者说约等于每秒钟把550吨原煤的能量输送给地球。但是，太阳能的散射面很宽，特别是经过地球大气层时，大部分能量被大气层反射、散射或吸收掉了。在宇宙空间，由于太阳光线不会被大气减弱，也不会被大气阻拦，可以直接受到太阳光的照射，因此在那里建造一个太阳能电站，应该是个好主意，好想法。 空间太阳能电站，作为人造天体，在绕地球运行过程中，总有一部分时间被地球挡住阳光，也就是说要进入地球的阴影部份。不过，这时间并不长。如果太阳能电站的轨道选择得好，可以使时间变得很短。例如，太阳能电站若处在赤道上空35860公里的同步轨道上，它绕地球一周的时间为23小时56分4秒，与地球自转周期相同，则太阳能电站对地来说是静止的，一年中仅在春分和秋分前后45天，而且每天至多只有72分钟有被地球挡住的时候，在其余时间内，电站的大面积电池帆板可以受到太阳光的连续照射而把光转变为电。和地面相比，用同样面积的太阳能电池帆板，在同步轨道可多获6到11倍的太阳能。如果把空间太阳能电站建设在圆形日心轨道上，那就不再怕地球挡住阳光，并可获更多的太阳能。 怎样把太阳能电站的电能传送给空间工业用户和地球，是建设空间太阳能电站的关键问题。早在1968年，科学家就设想，在宇宙空间的太阳能电站，聚集大量阳光，利用光电转换产生直流电，并通过相应的装置将直流电变换成微波，以微波波束的形式传输到太空用户或者传输到地球上，用户接收站又将微波能量再转换成相应的电能，联人用户供电网络。由于微波能顺利通过云雾和烟等，每天向地球输电时间不受任何限制。而在空间没有重力并且真空，太阳电池帆板可以做得很大，微波器件无需严格密封，而微波电能的定向发射和接收，对环境危害较小。虽然微波的放射性也是一种污染，但和煤与石油对大气的污染，以及和核电站可能产生的放射性等类污染相比，几乎可以说是微不足道的。空间太阳能电站的优势还在于它不必使用煤、石油等不可更新的自然资源。 1987年，加拿大科学家在渥太华进行了第一次利用微波作飞行动力的微波束传送电能试验。他们用碟型天线传输微波波束。在试验中，发现在波束的聚焦、目标的跟踪方面存在一定的困难。 前不久，日本京都大学的科学家们又进行了类似的试验。不过，他们对加拿大的微波波束传输技术作了改进，采用相控阵天线技术。利用相控阵天线传送微波波束，聚焦精确，跟踪目标快速，利于实现计算机控制。 日本人试验的是一种无机载动力源，长度为1.6米的模型飞机。飞机上既无机载汽油，也无电池，而是靠接收地面的微波能量作为动力，收到的微波能量被转换成电力，驱动飞机螺浆转动，获得飞行动力。这一试验的目的，不是想研究开发一种不带燃料箱的飞机，而是试验微波传能技术，用于未来空间太阳能电站的电力传送。如果这种模型飞机传能试验进展顺利，日本的科学家在1993年把试验搬到高度为220公里的人造卫星上进行，利用相控阵天线及发射机给同时发射升空的另一颗人造卫星传送微波能量。 科学家们预测，不要很久，能产生动力的空间太阳能电站作为实用能源工厂，将为空间工厂提供电力，或者为轨道上的载人飞船和航天站提供能源。再进一步的发展，将会把电力送往地球。 据科学家分析，空间太阳能电站的最佳容量是5到10兆瓦，悬挂于地球赤道上空36000公里高度的对地静止电站的质量为5万吨至10万吨。 最初步的估算表明，空间太阳能电站每产生1千瓦电量的造价会比核电站同样功率的造价高出50％至100％。比水电站高出100％至150％，比热电站高300％至500％。但是，由于使用甚高频微波辐射传输到地球，微波能量实际上不会被大气所吸收，地面接收站接收到的微波能量转变为电能供给用户，其转换效率可高达90％；更由于空间太阳能电站不消耗地球资源，因此工作约5至7年后，其利润将比热电站和核电站高。 建造空间太阳能电站的另一个关键问题是运输。计算表明，在5年内回收这样一个电站的费用，它每千克重量的成本不应超过 150至 200美元。此外，运载火箭应有非常大的推力，一次能将500吨的有效载荷送入轨道。在这样的情况下，总计只需100至200次的发射就可以了，所有货物在3至5年内运输到位。 到目前为止，还没有这种大推力运载火箭能一次将500吨的有效载荷直接送入同步轨道。现有最大推力的运载火箭也只能将 100多吨的有效载荷送至地球近地空间。因此，要在3至5年内将空间太阳能电站的建设材料运送到位，还必须研制这种大推力火箭。 所以，怎样大规模开发与利用空间太阳能，还处在设想阶段，还需要若干年才能实现。 科学家们相信，现在动手建立一个具有发电容量为15万千瓦的空间太阳能原型电站的计划是可行的。在这之后，就可能建造巨大的电站。随着时间推移，太空太阳能电站还应能帮助解决行星的电力供应。 建造月球基地 建造月球基地的可能性 自从美国阿波罗登月计划完成之后，经过20多年的沉寂，人们又在热烈谈论开发月球的事情了，很多科学家还提出建立月球基地的建议。1989年7月美国总统布什还曾宣布要把月球作为人类飞往火星的基地，并打算于2005年正式破土动工。看来，在未来几十年内，开发月球，建立月球基地是势在必行和一定要做的事了。 空间技术的迅速发展，导致人类外空活动的日益扩大，已经把建造大型航天站、太阳能电站、太空工厂和空间居民点的任务放到了科学家的面前。但是，要实现这些目标，需要大批原材料，如果从地球向宇宙空间运送，费用非常昂贵，终非长久之计。因此，寻找地球外的材料来源，例如从月球和小行星获取材料，以及降低它们的运输费用，就成为发展空间工业生产，建造航天站和太空居民点的关键。 远在阿波罗飞船登月的历次航行中，航天员曾从月球带回许多月球岩石样品和尘土。经过分析表明，它们主要由百分之四十的氧，百分之三十的硅和百分之二十到三十的各种金属元素如铝、钛、锰、铁等组成。金属元素经加工后的基本构件可用于制造各大型航天站；硅是玻璃、陶瓷与半导体的基本材料，可用于制造光学和电子元件；氧则供给居民需要。因此，月球确实是地球之外的资源宝库与材料来源。月球的低重力环境又为便宜运送月球材料到空间提供了保证。月球上的重力，仅仅是地球重力的六分之一。把材料运往空间所需的脱离速度很小，只有每秒2.31公里。再加上月球上无空气，不存在空气阻力，所以从月球射离物体比在地球射离容易许多。这就是科学家们提出开发月球，建立月球基地的主要需求背景。 人类要开发月球并从它获取丰富的资源，还得先建造月球基地；作为先导，很可能不是直接建造为开发资源的月球基地，而是建造月球宇航基地，用以向宇宙空间射离物体以及为人类飞往火星作准备。建设这些基地的材料何处来？如果是从地球运来，其代价是非常高的。 科学家提出，在月球上建造一个宇航循环基地需1000吨水泥，330吨水和3600吨钢筋，若将这些材料从地面运往月球，每吨需耗资5000万美元，显然太昂贵了。材料学家对月球岩样进行分析和试验后认为，只要把氢带上月球就可把月球上的岩石变为最理想的建筑材料。月球表面钛铁含量极为丰富，这些矿物被加热800℃后与氢结合会产生铁、钛、氧气和蒸汽。在此过程中产生人类生存所必需的水和氧气。月球岩石可精炼成轻型和坚固的水泥，剩下的铁矿可用来冶炼钢筋。这种月球岩石同其他小行星的组成物质相似，已经在茫茫宇宙中存在了许多亿年，不但能抵挡太阳射线对其粒子的辐射，还能经受极大的温差考验。材料科学家利用航天员带回地面的月球岩石样品制成了一块目前世界上无法同它相比的最强硬、最坚固、最富弹性的混凝土。这种混凝土是唯一能在气候异常的月球屹立的建筑材料。在月球上生产每千克这种品质的混凝土只需氢3克，而且只要具有总重量约200吨的机械钻探设备就可投入月球物质的挖掘。化学科学家设计了许多从月球岩土中提取纯净元素的方案，包括利用太阳能加热月球物质的物质分离法以及利用氢氟酸之类的试剂从氧化物中取得氧、硅和金属的化学分离法，每个加工厂设计成能循环使用试剂和废料的齐全生产单位。一个只有1吨重的小小的试验性化工厂，每年可将十几吨月球物质加工成氧、金属和玻璃。因此，科学家认为，建设月球基地的基本材料不必从地球运去，可以就地取材。待月球基地建成后，可以大规模开发月球，建造月球工厂，并把大批材料通过宇航基地射离月球，输往地球轨道和太阳系空间，用以建造各种大规模航天站，并为太空工业提供原料，为太空居民城镇建设供应建材。 月球上的尘土确实非常有用，用它还可烧制房屋的砖、瓦和管道；利用尘土覆盖航天员居住点和月球实验室，可使他们免受宇宙射线、太阳耀斑的侵害，近2米厚的月球尘土可使航天员获得与地球相同的对宇宙射线的防护机制。开发月球，建设月球基地不仅是可能的，而且是人类在地球外开拓疆域必然要做的一项工作。 开发月球还能使它成为人类未来从事科学研究的前哨阵地。在那里，科学家不仅能够直接研究月球的种种特性及其演化过程，而且也可能是唯一揭开地球早期历史奥秘的地方。例如，研究它的矿物构造过程，可以和地球比较。利用月球无空气、低重力、自转速度慢和环境幽静的特点，有可能在物理学、化学、生物学和其他科学方面进行唯一性实验；在月球上进行天文学与天体物理的研究比在地球上更具优越性。对人类社会来说，开发月球会使它显得日益重要起来。 发展月球基地的关键 月球基地能否迅速地发展取决于是不是有可能将开采的材料大量射离月面。这里需要一种称为物质驱动器的月球物质高效率发射装置。物质驱动器在不到160米长的轨道上将有效载荷加速到可摆脱月球引力的速度，即每秒2.31公里，连续不断将有效载荷射高月面，然后使脱离轨道的载荷朝着一定的方向准确地飞往空间某一位置，也就是月面上空60820公里，称为地月体系中的拉格朗日平衡点的地方。在那里再由一直径约9米的圆柱形接收器将其截获。停留平衡点的物质接收器可以耗能最少地进行工作。被截获的月球物质然后被缓缓送入地球轨道的各用户。普林斯顿实验室曾做了这种物质驱动器的模型，利用它，运载工具被加速到1100个重力加速度，是航飞机能达到的最高加速度的100倍。除了轨道长度和运载工具的质量外，模型和实物同样大小。导轨仅用一段，只有半米之长，是由20个驱动器圈组成的。启动后，运载工具从静止状态开始运行，以400公里/小时的速度飞出半米长的导轨。 已有设想要用一种类似汽车装配中的机器人那样的自动复制机，经过两年左右时间生产100多台月球物质驱动器，每年能把10万多吨的材料运输到空间工厂和各大型航天站。这样，在未来太空，将会出现一个全新的产业，人类将逐渐摆脱地球的羁绊。 建立月球基地还要求研制一种能将人员和物资送往近地轨道以外太空去的轨道间运输飞船，它将在近地轨道和地球同步轨道间往返运送有效载荷，并将有效载荷运送到通向月球、小行星和行星的特定轨道上。 1986年 3月至 月期间，前苏联的联盟7 T—15号飞船曾在和平号和礼炮7号两座航天站之间进行过往返穿梭飞行，进行人员和仪器设备的运输。但是，这仅是低轨道之间的空间运输。美国的航天飞机所能到达的高度也只限于近地轨道。所以，建造轨道间的运输飞船是将人员和货物送往空间站以外的先决条件。 人类建立月球基地的计划 虽然月球物质驱动器和空间轨道间运输飞船两项关键技术还在努力解决之中，科学家们却已经在拟定月球基地的发展计划了。 早在 1979年，为了对各国在月球和其他天体上的活动进行组织和管理， 12月 18日联合国通过了月球条约。 1987年10月在国际宇航科学院的会议上，来自50多个国家的近1000名科学家和工程帅联名提议建造国际月球基地。提议中的建造计划大致分四个阶段。 第一阶段的目标：在2001年前建造一个载人月球轨道航天站。到目前为止，人类已经先后建立过若干地球轨道上的航天站，例如和平号航天站。 第二阶段目标：在2010年前在月球建立研究实验室，其中在2003年至2005年期间，由6名航天员首批登月，组成基地站；从2006年至2011年，基地人员增至30人，建成研究实验室。 第三阶段目标：发展主要生产设备，并且每年向地球同步轨道和其他地方输出10万吨产品而继续扩大有关设施。这可能要相当一段历史时期。 第四阶段目标：到21世纪末建成具有高度生产能力的月球基地。 此外，科学家的联名提议，还要求建立相应的国际月球基地开发机构。它的主要作用应包括诸如召开规划会议，讨论建造月球基地的政策和法律等等有关问题。当这样的国际月球基地开始建造并变成现实时，可能会出现一些全新的问题。例如国家的意义，国家的边界和人类的相互关系，有可能需要重新探索和认识，或者说，至少会赋以新的含义和内容。 科学家们建议的国际月球基地，其最终目标是拥有高度生产能力，显然是一座月球城镇，离我们还相当远。而第二阶段目标已经就在眼前，规模不会很大，科学家们也研究得比较具体。他们认为，早期的月球基地应包括一个检测月球物质、监测基地成员健康状况和生活食品的试验舱，一个生活舱，一个不加压的储藏舱，一个加工月球物质的小小化工厂，一个带观测室和气闸门的连接舱，以便出入月球表面，两辆月球运输车。这种基地的成员可包括：指令长、机械师、机械技师、医生、地质学家、化学家和生物学家。基地成员，每两个月轮换一次。每次通过在低月球轨道上会合的轨道间运输飞船和月球游览车交换3至4个基地工作人员。 在这之后，人类将可利用小小化工厂生产的产品和建筑材料，在月球上建造固定的、坚固的宇航基地，为今后把开发出来的月球物质送往空间各用户和为人类飞往火星做出发地。 建造太空居民城镇的构想 伴随着空间工厂的生产，太阳能电站的建造，月球和小行星的开发以及其他形形色色的大规模空间活动的发展，必然有越来越多的人到宇宙空间去工作、生活。因此，需要建造一种适于人类在宇宙居住的场所，即太空中居民的定居区或城镇。 为了使未来的太空居民能够像地球上那样长期工作和生活，太空城镇一方面应具有防护外部宇宙射线以及微流星袭击的设施；另一方面与要创造类似于地球上的重力、大气、日照与昼夜变化等环境，必须有充足的水、食物和能源，必须设置住宅、街道、公园、学校、农场等区域，用以保证居民的生活需要。 经过多年的设想和构思、讨论，科学家们提出了五花八门，各具一格的空间城镇建设方案。美国科学家格拉尔得·凯·奥耐尔（Gerard·k·Q’neill）提出的，在今后一些年代内营建巨型太空殖民地方案，具有代表性。听起来，既有科学幻想的成分，更具有现实性的味道。太空居民点的建设是绝对必要和可能的，然而，是否就是这位科学家设想的这种样子，今后太空实践会给出正确回答。 他提出的这个太空殖民地将是一个巨大的圆柱形地球轨道站，其长度为3到30公里，直径达1至6公里。设想，这样一个空间结构能够容纳20万到2000万人。这个圆柱体不断旋转着并且在外壳内壁产生人造重力。在圆柱体内不仅有供人居住和办公的房子，而且还有山丘、森林、湖泊及河流。美国科学家相信，这种计划方案是可行的。前苏联的科学家对这个巨大的空间殖民地构造方案发表评论说，他们没有询问美国科学家的计算技术，但是相信美国人的技术和力量，相信这种计划是可行的，可以看作是太空居民城镇的一种可能的解决方案。 不论太空城镇将会按何种方案、布局建造，一定会伴随太空工业的兴起同时建设；开始规模也许较小，随着空间工业规模不断扩大，居民区也同时会发展。 由于外层空间存在大量的资源，随着月球和小行星的开发，空间会出现大批工业产业，人类依赖地球资源的程度下降，建设大规模太空城镇将不是现在人们想象的那么玄乎。 考察火星 考察火星的原因 火星是一颗最富传奇色彩的行星，也是多少年来人们思想上经常联想到地球以外可能具有生命的行星。火星上是否有过生命形态存在，科学家们争论了好多年。考虑到火星上有生命存在的可能性也有一些理由。火星上有稀薄的大气，少量的水，它的温度时常升到冰点以上。 为了拨开人们对火星认识上的迷雾，美国和前苏联都多次发射火星探测飞船，拍了很多照片，分析了大气，化验了火星土壤。可是迷雾层层，拨开一层又出一层，并没有足够的证据回答火星上到底有没有生命存在过。 例如，除陨石坑、火山环形山和裂隙外，水手9号飞船还观测到类似于干枯河床、峡谷和沙丘的外表特征，有坚持说某些河床和峡谷仅仅由流动的水才可能形成。虽然目前火星上不可能存在液态水，但可以有大量的冰潜藏在火星表面下，或许几百万年以前的条件与今十分不同。有人提出说类似地球上的冰河和间冰河期的长期气候变化可能使极冠冰周期性地全部蒸发。这将提高大气中水气和二氧化碳的压强。这样的大气会更像地球大气，液态水能够存在甚至还能形成雨，以至产生了所观察到的河床。水手9号也发现火星极冠区有时是明带有时又是暗带，这就增强了周期性气候变化的假设的可信性。这些带被解释为处于交替的冰河和间冰河期内的不同表面层。按照这样解释，火星现在处于冰河期，这时大部分二氧化碳和水仍然冻结在极冠处。但在间冰河期火星较暖，大气较密，表面也湿润。这些设想提高了对火星上存在生物可能性的关注。 由过去的资料看，火星具有太阳系内，除地球外，最少有害于生物生活的条件。有些预言已由海盗号探测飞船的探测所证实。轨道飞行器拍的照片，分辨率从100米到1000米，照片上确有很多类似河床的外形，表示火星早期历史上有几次洪水。但也可作另一种解释，过去曾有巨大的冰川覆盖着火星大部分地区。冰川流过障碍物也能产生类似河床的外形特征。 但是，海盗号飞船的轨道飞行器和着陆舱进行过12次试验，每次都直接或间接与生命研究有关。在分子分析实验中，把火星土壤的两个标本加热到摄氏500度，烧掉了任何含碳的有机分子。然后对气化后的物质作化学分析，证明火星上存在任何由碳构成的生物是极不可能的。这个结果曾使很多人失望。前苏联的科学家对此也有不同看法，认为火星土壤取的是两个火星偶然点，而且试验方法不完善，要下结论否认火星上有生命存在的可能性为时过早。 人类对火星的探测，取得很多资料信息和成果，包括它的地形、地貌、土壤成份、大气构成和确实存在水等；然而火星上到底是否存在或存在生命形态，还处在迷雾之中，而这正是人们最关注的事情。它继续吸引着科学家并激起人们的幻想。如果人类能亲临火星登陆考察，可以直接解开火星是否有生命形态存在的奥秘，那时科学家之间有关此事的争论才会结束。 科学家估计，到21世纪30年代，可望实现航天员在火星登陆，这将把航天科学推上新的高度，是一个重大里程碑。这是一个多么美丽和光彩夺目的事业，正等待着青少年朋友们去创造。 为什么不现在就飞往火星 美国和前苏联早在十多年前就用深空探测飞船对火星表面实现了软着陆。按理，下一步应是人类登陆火星考察。可是为什么至今不去登陆呢？ 专家们认为，按照人类目前掌握的航天技术，已完全可以飞往火星。现在不进行这种飞行的原因有两个。 首先，失重对人体的生理影响是主要障碍。由于引力减少，人体内的心血管系统、肌肉组织和骨骼中化学成分都会受到影响。在地球上，人类的心脏习惯于克服重力把血液输送到全身各处，而在失重状态下，心脏不必费力地工作；同样道理，肌肉在太空工作时所付出的代价也大大低于地球上从事同样的劳动；另外一些研究表明，人在太空飞行时，组成骨骼的主要矿物质——钙会逐渐减少。研究报告指出，在太空飞行一个月，人体骨骼中钙质要减少0.5％。飞行时间短，航天员上述生理障碍还比较容易克服，如在飞行中多吃些含钙的丰富食品，加大肌肉锻炼量等，回到地球后再辅以多种仪器和药物治疗，生理机能就可能逐渐恢复。然而，要在太空进行几年的长期飞行就困难了。航天医学界人士认为，到目前为止，还未找到很适当的途径来阻止或减少失重对人体的影响。当然，经过20多年的航天飞行经验积累，前苏联和美国，特别是前苏联，已经制定了在长期飞行中预防失重对人体生理影响的措施，取得了重大进展。航天员季托夫、马纳罗夫甚至已经创造了在太空一次漫游一年的记录。但是，为了人能飞往火星，科学家还得作出更大努力来对付失重对人体的影响。 第二，人类飞往火星，往反一次需2到3年的时间。一个航天员在太空生活和工作，每天要消耗氧气、食物和水约10千克。目前在近地轨道上的航天站，航天员的给养由航天供应线的进步号货运飞船定期输送。当人类飞向火星时，要飞出地球9000万公里，按照现在的补给供应线的供应周期，载人飞船在到达火星前的途中就需要补充给养若干次，而这是不可能的。因此，不再可能利用天地供应线的货运飞船输送补给。同样不大可能的是，航天乘员启程飞往火星时带足乘务组人员2至3年的给养。这里不仅要有氧气和水的循环再生使用系统以供应航天员氧气和水，而且需要成熟的生物生命支持系统来帮助飞行期间他们的食品供应问题。 上述两个问题获得解决后，人类飞往火星的时机就成熟了。科学家们相信再经过二三十年科学摸索，人类将会解决这些问题。由此看来，21世纪人类有可能成为火星的外星人； 俄罗斯拟定的飞往火星的计划 前苏联的科学家一直在准备着下世纪初人类飞往火星。除了航天技术的发展外，在空间生命科学、航天医学，特别是在对抗失重对人体生理影响方面都取得了卓越成绩，这些都是为了飞往火星这一目标做准备。不仅如此，前苏联科学家已经制定出人类飞往火星的三阶段研究计划。苏联解体后，俄罗斯可能会继承这个计划并付诸实施，但在进度上有作出某些修改的可能。 第一阶段，1991年至1996年：试验登上火星表面的技术；试验获取火星土壤样品的方法和装置；获取火星土壤化学成分的全球数据和火星表面详细图片、温度和湿度分布、沉积构造厚度、岩床和冰晶层的深度；进行火星磁场和重力调查，为科学选择未来人类飞往火星登陆点和保证安全获得全部需要的信息。 为完成上述任务，要发射一个火星轨道器，它装备有大量的光学设备、光谱仪、质谱仪、雷达和等离子设备及仪器。 在所选的火星表面位置，下降舱带着小型火星表面车从卫星中分离出来，下降时又从中分离出一个气球，同时释放出着陆器。气球将在火星大气中离火星表面高度2至6公里飞行约6到10天（晚上它着陆火星表面），飞行路线将长达几千公里。火星表面车装备土壤取样装置、土壤分析仪以及电视摄像机。电视摄像机摄取全景图并用于检查采集火星岩样以提供最佳火星位置的信息是否正确。 第二阶段，1996至2005年：火星岩样返回地球，以便对它们进行详细的地质化学和生物学分析。 为此，同时向火星发射轨道器和下降装置。下降装置带有大型火星表面车，它对火星土壤样品初步分析后，将样品藏在容器内，后又自动传送到起飞舱，起飞舱起飞并进入火星轨道，然后和轨道站宇宙飞船对接，容器被送到再入大气层火箭带回地球。火星表面车服务寿命达5年，它拥有电视综合体，能用不同方法取样，也就是钻取火星表面以下若干米深，从大量岩片中获取样品，用返回振动着陆器采样。 第三阶段，2005年至2015年。现在，人飞往火星最可接受的方案，是带有能使航天乘员组直接动态再入大气层的轨道着陆方案。飞行复合体包括：一个火星轨道飞船，为4到6名乘务员提供生活和工作条件18至24个月；一个登陆飞船，输送2至3名航天乘员和设备到火星，能为他们提供生活和工作条件1个月；一个再入舱，它具有第二宇宙速度，能从低空轨道再入地球大气层；能保证全部星际和轨道的动态运行所必需的电源和推进系统。 美国飞往火星的计划 美国前总统布什在1989年7月20日举行的阿波罗飞船登月20周年纪念大会上宣布，要把月球作为人类飞往火星的基地，在21世纪初叶把人送上火星。因此，美国也有一个人登上火星的三阶段计划。 第一阶段：1992年9月16日至10月6日期间，用大力神3号运载火箭，发射名为观察者的火星飞行器，它以每天13圈的运行速度在火星太阳同步轨道上运行，带有8种仪器设备，确定火星地形、火星引力场、表面元素和矿物特征、磁场以及大气环流结构；绘制火星的四季气候图，为未来载人和不载人飞行选择着陆区。 第二阶段：要解决火星上是否存在危害人类的有毒物质和敌对生物的问题，确定何处是人类安全着陆地方。计划从2001年起发射名为漫游者火星机器人取样返回飞行器。在2001至 2011年期间，要发射几批机器人，每批 1至 2个。漫游者机器人将在2000年投入运行的自由国际航天站上发射。 第三阶段：发射载人飞船到火星登陆，有几种实施方案。其中之一，2002年在月球上建立永久性居住基地作为前哨基地。2015年发射载5名航天员的宇宙飞船到火星，在那里停留 30天； 2018年再发射一次载人飞船，在火星工作更长时间。 在人类实现载人宇宙飞船登陆火星的目标中，美俄两国的具体实施计划各有特色，在互相竞争的同时，必定会进行一些合作。既竞争又合作，是双方的需要。不仅如此，日本和欧共体凭借经济实力也一定会在某种程度上参与登陆火星的国际合作。我们中国也是一个有相当实力的航天国家，如果在本世纪末或下世经初能把自己的航天员送上太空，就完全有可能参与登陆火星的行动。 人类飞往火星采用的运载工具 根据美俄两国计划，人类登上火星之前还有二三十年时间，在这段不算短的时间里，科学家们估计，运载技术还会有突破性的进步，这将非常有利于登陆火星计划的顺利实施。 科学家们说，未来的星际火星航行载人复合体的电源和推进系统的类型及其技术特性，将决定整个登陆火星计划的费用以及所需复合体的总重量。这里有几种不同的可能选择。虽然液体推进火箭发动机在美俄两国的空间技术活动中已经得到最充分的试验。但使用它们会使在地球轨道上的载人复合体具有太大的总质量，可能达2000吨，同时还遗留下严重的科学技术问题，包括发射和空间装配以及要在起始轨道长期储存低温燃料。 发展核能推进系统将使得有可能大量减少在起始轨道载人火星飞行复合体的总质量。用核推进系统，复合体重量约1000吨，同时火箭速度会得到极大提高。 1992年1月 13日开幕的国际核能会议上，俄罗斯科学家说，他们研究核动力推进系统火箭已有几十年历史，取得重大进展，可望将人类未来飞往火星的星际旅行时间缩短一半。目前已经进行了这种火箭的地面点火试验。同一天，美国政府也公布了为实现载人宇宙飞船火星探测飞行而研制的核动力太空火箭的一些情况，人类飞往火星所需来回星际旅行时间，在用液态氢的情况下大约需500天，如采用核动力火箭，则可以缩短到300天左右。 发展核电推进系统，火星复合体总质量只有500吨，因此，发展核电推进系统是最可取的，而且其未来应用能显著地简化星际运输系统的开发，以帮助扩大在空间活动的范围。 太空核电源在人类未来飞向火星的过程中，可能也会扮演重要角色。1987年发射的前苏联两颗专用宇宙号卫星上试验了一种新型太空核反应堆。这种核反应堆采用热离子技术，以铀作燃料，重约5至10吨，可产生10千瓦电力。其中一个在轨道上工作了3年半，另一个工作了一年，结束使用后被推入更高的安全轨道。 |
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