美国太空总署(NASA)于今年6月中发布一项火星探测的重要发现：在火星地表曾有液态水存在的证据。在此之前，亿万富翁伊隆·马斯克和他创立的 SpaceX 公司也把下一次配送跑车的地址定在了火星。
之后呢？在 2024 年前实现一次载人任务……虽然时间紧迫，但不妨一试！
好吧，假设我们已没有其他选择，例如一颗巨型陨石逼近大气层，或是不友好的外星人造访了地球……大祸临头之际，人类不得不前往火星。如此挑战就好比在沙滩上随意找一只蚂蚁放在树枝上，随后将树枝扔进海里并嘱咐蚂蚁：“去吧，自己想办法找出新大陆！”
火星离地球很远，与地球间的距离至少是地月距离的150 倍。而一路上除了真空还是真空，所以操纵宇宙飞船与飞行员操纵喷气式飞机毫无可比性。
飞机在大气层中飞行：它可以在飞行中获取燃烧航空煤油所需的氧气，并无机载的必要。借助空气，飞机可以轻松地转弯、加速或减速。而前往火星，更像是在投篮：在出发时提供一次性推进力，随后任由抛射物（即飞船）在引力作用下做曲线运动。
接下来只能祈祷飞船顺利到达预定地点，以我们的例子来说就是火星附近。此外，飞机可以通过喷射更多气体来提高飞行速度，从而提早到达目的地。但如果发射宇宙飞船时寄望于飞得更快而加大推进力，飞船将会与目的地失之交臂，就像投篮时用力过猛一样。
何时才是出发的好时机？
因此，对于既定的运动轨迹，只有一种可行的速度，换句话说无法缩短旅程时间。计划是直接在近地轨道上建造一艘飞船，类似国际空间站（ISS）的建造过程。当时机成熟时，再通过精心计算的推进力，将飞船发射出去。
那什么时候才是发射的好时机呢？每 26 个月——就近来 说 涉 及 2018 年，2020 年，2022 年和 2024 年——地球与火星会处在最节省飞船燃料的相对位置（后文将会提及，燃料量有多么至关重要）。
这种路径便是所谓的霍曼转移轨道。如此飞向火星仅需大约250 天，不过接下来得在火星待上将近 500 天，才能再次沿着霍曼转移轨道返航。
总之，不管用什么方式推进，化学燃料火箭、还未面世的核动力火箭或是暂时只存在于科幻小说中的反物质飞船，完成一次这样的任务需要大约1000 天，将近 3 年！那如果我们不考虑节省燃料，优先缩短任务时间呢？
理论上，只需等到火星与地球相对距离最短时，便可通过一次超高速发射使飞船从一头跳至另一头——更像是一次传球，而非投篮。
前往火星可不轻松
问题是，如果想提高飞行速度，火箭就需要消耗更多燃料，这意味着要携带的也更多，其总质量便会提升。而火箭质量提升，达到相同速度便需要消耗更多燃料，这些燃料又会增加额外质量，如此循环往复……
依现有的火箭推进系统，同时也将是 2024 年人类仅有的推进系统来看，飞船显然会变得十分庞大：速度提升为“经济模式”的 10 倍将导致飞船需要携带数千倍的燃料！
我们可以用一个碗来代表太阳系，太阳处在碗
好在还有一个意大利太空科学家加埃塔诺·克罗科（Gaetano A. Crocco）提出的策略可供考虑。他的思路可以将逗留在火星上的时间缩至 1 个月，但得多消耗 3 倍燃料，而整个旅程中对机组人员来说最危险的太空巡航与先前方案的一样漫长，仍需 500 天左右。还不如选择更理性的“经济模式”，并将飞船保持在可实现的尺寸。
出发前带足物资
即使是这样的飞船，其质量已然很可观，因为需要携带充足的水、食物和氧气以供宇航员（假定是 4 名）生活 1000天。
我们憧憬着有朝一日可以从火星冻土中提取水资源。遗憾的是火星土壤饱含高氯酸盐，从中提取的水会和漂白剂一样具有强烈的刺激性！将这种水净化为饮用水的技术还未面世，而且无论如何我们也没法在 2024 年前抵达火星进行实地测试。
注：据法新社报道，《Science》杂志研究表明，首次在火星上发现液态水湖的存在。报道称，科学家们在火星上发现了巨大的地下蓄水层，这是目前为止在火星上发现的最大液态水体，大约有20千米宽，深约1米，位于火星表面下1.5公里处一个巨大的极地冰川下。
所以水必须在地球就带上：按每人每天 10 升计算，完成一次长期任务就是 40吨。如果我们使用国际空间站中现有的废水回收系统，并确保该系统可以不出故障、全力运行 1000 天的话，那么只需携带 20 吨水。此外，需要至少 3 吨食物以及同样多的氧气。
那飞船自身呢？太空里充斥着由太阳和其他星体发射出的高能粒子束，而飞船将被这些危险的宇宙线狂轰滥炸数百日。在地球上，这些射线会被大气层阻挡；而对于国际空间站中的宇航员来说，由于其中大部分会被地磁场偏转，也不足为虑。但如果想避免飞船上的人员被这些宇宙线侵袭，飞船就必须有足够厚的船壁。美国航空航天局（NASA）希望 20 吨重的飞船足以应付这一切。
另一个问题是如果处于失重状态中长达 500 天（往返行程），即使保持锻炼，宇航员也将失去肌肉质量。他们的骨头和心脏会变得脆弱，因为肌肉和脏器不再需要对抗自身的体重……更糟的是长时间处于失重状态会导致注意力无法集中和视觉障碍。
如果不想宇航员在到达火星执行关键任务时处于精疲力竭的状态，那么最好能在旅途中为他们提供人工重力。
如何制造人工重力
如何提供？只需旋转宇航员所处的船舱即可。离心力会使宇航员紧贴着舱体的“地面”，就像受到地球上的重力一样。但问题是我们没有时间建造一艘拥有先进旋转装置的飞船……
别忘了回程的燃料
尽管如此，以下方法应当可以满足制造人工重力的需求了：用一根长缆将飞船与将其发射入太空的火箭末级连接起来，然后使整体以大约 2 转 /分的速度旋转（高于这个速度宇航员可能会眩晕）。
该缆绳估计长约 200 米、直径 5 厘米，仅自重就达 2 吨。值得注意的是该方法唯一一次实际应用是在 1966 年的“双子座 11”号任务中，当时使用了一根长仅 36 米的缆绳，效果并不好，因为在失重状态下很难将缆绳展开。
是时候简单汇总下了：
飞船自重 20 吨，为宇航员准备的生活物资 26 吨，4 名宇航员0.32 吨，用作人工重力配重的末节火箭 12 吨，以及一根 2 吨的缆绳。至于科学仪器什么的就忽略不计了——毕竟我们只能优先确保避开陨石炸弹或外星人。
为了将这些总重逾 60 吨的载荷发射到火星，其在近地轨道上的初始速度需达到差不多 3 千米 / 秒，相当于 11000 千米 / 时！若采用伊隆·马斯克公司的火箭发动机，例如默林1D 真空版，需 80 吨燃料……
那回程的燃料呢？它将与飞船分开航行：另有一节自重12 吨的火箭装载着 80 吨燃料将与飞船在火星轨道上汇合，届时“只需”在回程时令这节火箭与飞船连接即可。而把这用于返程的“第二件包裹”送至火星据估算需要 125 吨的燃料。
不可能的任务？
最终，为了执行该次火星任务，需要将总共 357 吨的燃料和物资发送至近地轨道上，近乎整个国际空间站的分量！为什么不直接在地球上建造飞船？因为如此庞然大物会被其骇人的自重压垮，除非像楼房一样用水泥建造，然而楼房并不能起飞。
需要发射 6 次SpaceX 的猎鹰重型火箭才能将飞船的零部件全都运到近地轨道上，随后第 7 次发射将宇航员送入太空，与通过远程控制系统组装的全新飞船汇合……
前提是所有环节的运转都不出纰漏，这可能吗？或许吧。总之为了准备好 2024 年的远征，从现在开始每年都要发射一次火箭！这次紧急任务的最大问题是计算时没有留出一丝余量，因此并没有可供演练的时间。一切都顺利上轨道的概率大约是……0%。
试想一名宇航员不得不在途中进入太空用扳手排除飞船着陆系统的故障。而带着手套的情况下根本抓不牢扳手！一脱手就完了，不可能去五金店再买一把！当飞船出现重大问题时，也没法补送紧缺的备用件，或是半途返航，毕竟火星太远了！
在出现事故时，宇航员不得不滞留于原地的概率接近 100%。幸运的是我们并不用真的着急，尚无任何迹象迫使人类在 2024 年前往火星。不是吗？
撰文 René Cuillierier
编译 陈煜炯
《新发现(2018年第7期)》【摘要 书评 试读】- 京东图书
来源：知乎 www.zhihu.com
作者：新发现
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