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《火星救援》中9项真实的NASA科技

航空知识 2019-03-14 15:53:48

  数千年以来,火星都是人类想象力与文化的中心。古人惊奇于它火红的色彩以及亮度多年的消长周期。早期的望远镜观测让某些人猜测,这颗行星的表面覆盖着运河,其上的居民用它们来从事交通和贸易。在《世界大战》中,作家H·G·威尔斯(H.G.Wells)假想出了一个试图征服地球的火星文明。1938,奥尔森·韦尔斯(Orson Welles)让听众以为他们听到的是新闻广播,而非威尔斯小说的电台改编,从而引发了恐慌。

  人类和火星的真实故事有些更加平淡,但吸引力丝毫不逊色。望远镜将天空中的红色亮点变作模糊的斑驳圆面,引发了火星运河的白日梦。仅仅50年前,由飞掠探测器拍摄的第一张火星照片看上去展示了多霾的大气。现在对火星几十年的空间探测说明,这是一个曾经拥有开放水体的星球,而水是生命必要的组分之一。

  哪怕在互联网时代,火星的吸引力也并未退去。前计算机程序员安迪·韦尔(Andy Weir)乐于写作,并将虚构作品发布在他的博客上。他开始撰写一部系列作品,讲述一名受困于火星的NASA宇航员的故事。由于作品广受欢迎,他最终将其写成了一部成功的小说《火星救援》,随后它被改编为电影,并将于201510月上映(译注:本片将于201511月在中国上映)

  《火星救援》结合了关于火星的幻想和事实,NASA以及其他机构业已进行过的火星探测为基础,并将时间后推到了21世纪30年代。那时NASA的宇航员将定期前往火星,并生活在火星表面上进行探索。虽然片中的故事发生在未来20年之后,NASA已经在开发片中出现的很多技术了。

1. 居住区

  在火星表面上,瓦特尼(Watney)在居住区模块(简称Hab)中停留了很多时间。这里是他远离家园的家园。未来在火星着陆的宇航员将需要这样的家园,这样才不致于在火星上每天裹着宇航服躺在尘土中度日。

  在NASA的约翰逊航天中心,宇航员正在载人探测研究模拟设施(HERA)中接受长期深空探测任务的训练。



:在《火星救援》影片中,载人火星探测的实施离不开人工居住区(Hab)。下:NASA约翰逊航天中心的载人探测研究模拟设施(HERA)(图片提供:Twentieth Century Fox/NASA)


  HERA是模拟深空居住区的自控环境。这座两层楼高的居住区包括起居间、工作间、卫生模块和模拟气密舱。在模块中,待测试者要执行操作任务、完成载荷目标,并在一起生活14(根据计划,这一时间很快将延长到最多60),模拟未来在与世隔绝的环境下进行的任务。宇航员最近使用这一设施模拟了国际空间站的任务。这些模拟研究提供了人体参数、行为健康及其对策的宝贵数据,帮助NASA增进对执行深空任务的了解。


2. 植物农场

  今天,国际空间站上的宇航员拥有大量经由货运补给飞船(其中包括一些来自商业企业的飞船)带来的食物。在火星上,宇航员就不能依赖地球的补给飞船了——最快的货运航线至少也要花费9个月的时间。为了在火星上生存下去,他们需要持续的食物来源。他们需要自己种植作物。



:在《火星救援》中,宇航员马克·瓦特尼(MarkWatney)借助一些灵巧的手段,在火星上种植作物。下:真正的NASA宇航员谢尔·林格伦(KjellLindgren)在国际空间站上收获蔬菜(Veggie)实验生长出的莴苣。(图片提供:Peter Mountain/NASA)


  在《火星救援》中,瓦特尼将居住区变成了自持的农场,将土豆变成了火星上的主食。今天在地球低轨道上,莴苣是太空中最充足的作物。在国际空间站上,蔬菜实验是一种可部署的新鲜食物生产系统。蔬菜实验使用红、蓝、绿三色光线,帮助在枕头包(有着毛细表面的小包,内里含有种植介质以及肥料)上种植植物,宇航员可以将这些植物收获。2014,宇航员使用这一系统种出了红叶莴苣“Outredgeous”,并且最近刚刚为这些在太空种植的作物采了样。这是航天农业的一大步,NASA期待着扩充作物的数量和种类,帮助满足未来火星宇航员的营养需求。


3. 水分提取

  火星表面不存在湖泊、河流或海洋,从地球上运输水分需要花费9个月以上。因此火星宇航员必须要自行解决供水问题。在火星上,阿瑞斯3(Ares 3)机组成员借助水分回收装置,没有浪费一滴水分,而瓦特尼需要凭借自己的聪明才智想出一些古怪的方法,保证自己不脱水,并在红色行星上生存下去。

在国际空间站上,没有一滴汗水、泪液甚至是尿液会被浪费掉。环境控制与生命保障系统从各处回收利用着水分:洗手池、口腔卫生,还有其他水源。通过水分再生系统(WRS),水分得到了回收和过滤,可以用于饮用。一名宇航员如是指出:“昨天喝下的咖啡变成了明天要喝的咖啡。

  在太空中,液体会带来一些微妙的问题。WRS与相关系统必须要考虑这样一个事实:在微重力环境下,液体的行为存在很大差异。WRS用于处理尿液的部分必须使用离心机来进行净化工作,原因是在太空中,气体也液体并不会像地球上那样分离开来。

  NASA在继续开发水分提取的新技术。正在进行中的研究旨在将可抛弃式多重过滤层(也就是移除无机物以及非挥发性有机物污染物的过滤装置)变成系统中更持久的部分。咸水的回收可以收集尿液净化过程剩下的底层产品中每一滴水分。对于未来的载人航天任务来说,机组成员可以不那么依赖来自地球的富余零件和额外的水分了。

这套系统背后的科技已经被带到了地球上,为偏僻地区以及遭遇自然灾害的地方提供干净的饮用水。


4. 制造氧气

  食物、水分、庇护所,这是在地球上生存的三大必需条件。但是还有第4个我们没有考虑太多的必需因素,原因是它可以自由获取——氧气。在火星上,瓦特尼无法外出呼吸新鲜空气。为了生存下去,他走到哪里都要携带自己的氧气供应。但是首先他需要制造出氧气来。在居住区中,他使用的是制氧机”,这套系统可以使用MAC(火星上升舱)燃料发电机产生的二氧化碳来生成氧气。

  在国际空间站上,美俄宇航员使用的是氧气生成系统,它可以重新处理空间站中的空气,长期持续有效地提供可供呼吸的空气。这套系统经由电解过程生成氧气,在这一过程中,水分子被瓦解为氢氧原子。氧被释放到大气中,氢要么被抛弃到太空中,要么被充入萨巴蒂埃(Sabatier)系统,后者可以利用空间站大气残存的副产品生成水分。

  通过改进水分和氧气使用效率的半闭环系统,氧气的生成速率更为充裕。NASA正在致力于从大气副产品中回收更多的氧气,以为前往火星的旅途做准备。


5. 火星宇航服

  火星表面并不太适宜人类居住。这里的大气温度很低,几乎没有任何可供呼吸的空气。探索火星表面的宇航员必须要穿上宇航服,才能在居住区之外采集样本或维护系统时生存下来。



:演员马特·达蒙(MattDamon)在《火星救援》中扮演NASA的宇航员马克·瓦特尼。下:NASA邀请公众为Z-2原型宇航服的三种外观设计投票,这是NASA先进宇航服研发项目的下一步。(图片提供:Giles Keyte/NASA)


  在相当一部分火星日中,马克·瓦特尼都是穿着宇航服工作的。最后他不得不在火星表面上进行一些长途跋涉,因此他的宇航服必须要灵活、舒适且可靠。

NASA当前正在开发火星宇航服所需的技术。火星地表漫步到采集岩石样本,工程师考虑了所有的因素。

  Z-2计划以及原型探测服是NASA新的原型宇航服,它们帮助解决了促进新技术发展所面临的独特问题,这些技术有朝一日会被第一批登陆火星的人类穿在身上。这两种宇航服的目的是要辨认完成任务所需的技术空白点,也就是宇航服可能会遗漏的因素。宇航服工程师探索了硬质合成材料以及布料之间的妥协,以图寻找耐久性和灵活性之间的平衡点。

  在火星上行走的一大挑战是应付尘埃。在火星行走过后,如果红色的土壤被带入了航天器内,它们可能会影响宇航员与系统。为了克服这一点,新式宇航服设计在背部设有一个开口,这样宇航员可以迅速从航天器内部跳入宇航服中,而宇航服仍旧放在舱外,这样就保证了舱内的清洁


6. 火星车

  当人类登陆火星之后,他们必须要在那里停留超过一年的时间,才能等到火星运行到合适的位置,让返回地球的航程缩到最短。这为宇航员留下了大量的时间进行实验并探索周边地区,但是他们并不希望局限在步行可及的范围内。宇航员将使用强劲可靠的多功能火星车,行动到更远的地方。



:火星上升舱(MAV)是《火星救援》影片中在红色行星上漫步的关键方式。下:NASA当前正在研制一种火星车,可以籍由多任务航天探测车(MMSEV)在崎岖地表行驶。(图片提供:GilesKeyte/NASA)


  在《火星救援》影片中,瓦特尼开着他的火星车兜了好几圈,最终要凭借一些非正统的改造来改装火星车,帮助他生存下来。

  今天,在地球上,NASA正在使用多任务航天探测车(MMSEV)准备每一次遭遇。MMSEV曾被用于NASA的模拟任务计划,帮助解决该机构业已认识到的问题,并揭露可能隐藏的其他一些问题。这项技术的开发目标是要足以应付各种情况,可以在未来支援在小行星、火星及其卫星上执行的任务以及其他计划。NASAMMSEV已经帮助解决了行驶范围、快速进出和辐射防护问题。这种车辆的一些版本拥有6只万向轮,以保证机动性。在一只车胎漏气的情况下,车辆只需抬起损坏的车轮,就可以继续行驶。


7. 离子推进技术

  缓慢而持续的力量可以赢得赛跑,离子推进技术就证实了这一点。

在《火星救援》中,在前往红色星球并返回期间,阿瑞斯3号机组在赫尔墨斯飞船中生活了几个月。这艘飞船使用离子推进技术作为一种有效的手段,在太空中驶过了超过2.8亿英里。离子推进是通过向气体(如氩气或氙气)通电,并将离子高速(时速约为20万英里)排出而发挥作用的。航天器体验到的作用力与轻柔的微风相近,但会连续数年持续加速,最终可以获得显著的速度。离子推进技术还可以让航天器多次变轨,随后离开一个星球,前往另一个遥远的世界。



黎明号探测器正在造访灶神星和谷神星这两颗小行星,NASA的格伦中心正在为未来的任务开发新一代离子推进引擎。NASA的演进氙离子推进器(NEXT)计划研制了一台7千瓦功率的粒子推进器,可以提供未来所需的推力。(图片提供:NASA)


  这项技术让NASA的黎明号探测器等当代航天器将燃料消耗减至最小,并实现了一些疯狂的机动。黎明号完成了超过5年的持续加速,总的速度变化约为每小时25000英里,这一数字比任何其他航天器依赖自身推进系统所完成的更高。它沿途第一次造访了矮行星谷神星与小行星灶神星。


8. 太阳能电池板

  火星上可没有加油站,也没有发电站,实际上也不存在风力。当进行载人火星探测时,太阳能可以让宇航员行进很远。小说中的赫尔墨斯飞船使用太阳能电池板作为能源,而马克·瓦特尼也通过一些有悖常规的方式使用太阳能电池板,以在火星上存活下来。



国际空间站的太阳能电池板。(图片提供:NASA)


  在国际空间站上,4组太阳能电池板可以产生84120瓦特的电力,足以供应40户家庭使用。空间站并不需要所有这些电力,不过富余的电力可以帮助减轻电池板失灵带来的风险。空间站上的太阳能发电系统非常可靠,2000年空间站迎来首批居民之后,它一直安全地提供着电力。

NASA将使用猎户座飞船让人类前往更远的深空。它将使用太阳能电池板来为未来的任务供电。这些电池板在受到日照时,将为飞船上的锂离子电池充电。在不具备日照时(举例来说,如果猎户座飞到了月球背面),飞船上还将保留大量的电力供其运转。


9. RTG

  40多年来,NASA一直在安全地使用着放射性同位素热电发生机(RTG),24个航天任务提供电力,这其中包括前往月球的阿波罗计划。好奇号火星车以及即将发射的火星2020火星车等航天器使用改进后的新一代RTG供电。

RTG太空电池”,可以将钚-238放射性自然衰变产生的热量转化为可靠的电力。好奇号的RTG系统可以产生110瓦特以下的电力,这一数字比一只普通灯泡的功率略高。

  在《火星救援》中,机组将火星上升舱的钚基RTG电源埋在了远离居住区的地方,以防辐射泄漏。如影片所述,为了避免泄漏,-238包裹着数层强劲的先进材料,在发生严重事故时都不会让放射性元素释放出去。RTG主要会发出α辐射,而在空气中辐射只能传播数英寸,也不会穿透服装或人体的皮肤。只有当放射性元素瓦解为细密的颗粒或发生蒸发,并被人体吸收或摄入之后,它才会影响人体健康。这种同位素是以陶瓷形式生产的,因此不太可能被偶然吸入或摄入,尤其是在没有溶解在液体中的时候。

  在实际中,火星上的天然辐射环境要比RTG所能产生的辐射更加极端。从太空落到火星地表的电离辐射对人体健康的损害要大得多。当前的火星探测器正在分析火星辐射环境,这样任务规划者可以为未来的宇航员设计出防护系统。

未来的探险家在抵达目标之前,需要确保可靠且持久的能源以供生存。供电系统的选择可能是更有效的放射性同位素发电系统、太阳能电池板、燃料电池以及核裂变的混合体。

前往火星的旅程

  载人航天是危险的事业。NASA正在致力于在21世纪30年代让人类登上火星,但是为了保证宇航员能够平安返回地球,还有很多里程碑要完成。当前在国际空间站上执行一年任务的宇航员斯科特·凯利(Scott Kelly)绝对正确地指出:太空很艰苦。对于航天的每个方面来说,错误的余地实际上都是零。然而我们在前往火星的旅程中可以了解太多东西,让我们更好地认识宇宙,而期间我们所做所学的一切都会在地球上造福人类。


原文标题:Nine Real NASA Technologies in 'The Martian'

作者:Joshua Buck

原文来自:NASA

编译:Melipal

审校:数星星的猫

转自中国天文科普网

 本文转自微信: 中科院物理所

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