征服火星：荧惑的永恒魅惑 

文⊙赵 洋

火星一直是科幻文化的宠儿。1938年，一出根据威尔斯的科幻小说《世界间的战争》改编的广播剧使上百万美国听众相信火星人正在入侵地球。1997年，火星车“索杰纳”传回的实时火星画面令万众追捧，一度使互联网拥塞。2000年，即便更清晰的图像解释了“火星人脸”其实是一些偶然生成的地貌，也不妨碍观众拥入电影院观看一部名为《火星任务》（Mission to Mars）的科幻片，片中的“火星人脸”成了古老火星人留给未来访客的路标。

新航程，老办法

关于火星探测与改造的种种设想，反映了不同时期的科技发展水平。虽然风帆变成了火箭、水密舱变成了气闸舱、六分仪变成了天文导航仪……但这些都是表面的技术变化，各种到达火星的方法多少还保留着地理大发现时期探索未知地域所采用的方法的影子。“人—货分离”式火星探测计划就是早期地球探险的太空版本。

按照2008年美国宇航局公布的“登陆火星探测计划”，宇航员与给养、物资是分别发射、分别抵达火星的。这也被称为“人—货分离”式火星探测计划，其蓝图早在20世纪90年代初就被提出了。根据这份计划，首先发射四百吨重的无人飞船抵达火星，在火星上部署小型核电站、化工厂、火星漫游车和居住舱。这么重的飞船没法一次发射升空，需要使用三至四枚“战神5”型火箭将飞船的部件发射入近地轨道，在那里将火星飞船组装起来。待无人火星基地展开并顺利运转后，载人的火星探测飞船才出发飞往火星，接管这个基地。

“人—货分离”类似于早期南极探险家使用的办法。1912年3月，斯科特上校率领的考察队在从南极点返回途中因饥寒交迫全部遇难，此时他们距离预先设置的物资补给点只有二十千米。火星上的天气相比南极绝对有过之而无不及。没有人可以保证登陆火星的宇航员一定能找到先期发送到火星表面的给养物资。万一他们像斯科特一样被突发的坏天气耽搁在路上怎么办？如果装有补给物资的着陆舱摔坏，无线电信标失灵或者补给散失怎么办？斯科特等人在南极缺食少穿，但至少还有充足的氧气可以呼吸。如果宇航员的氧气耗尽又不能马上得到补充，可就只有死路一条了。

本着不把鸡蛋装在一个篮子里的原则，航天先驱冯•布劳恩曾在1952年提出向火星发射多艘飞船组成船队的计划。按照该计划，各飞船分工明确，互为备份，互相照应，一艘飞船出现故障，也不至于全盘皆输。这支太空船队由七十名宇航员组成，分乘十艘飞船，进行长达三年的往返之旅。有人说，布劳恩没能从美国宇航局的副局长位置上转正，并非因为他曾为纳粹德国效力，而是由于他提出了这个将耗尽美国国力且万无一失的火星探测计划。其实这支火星船队的计划明显受到麦哲伦环球航行的启发，麦哲伦的船队也是多船互相照应，甚至，麦哲伦船队也花了同样的三年时间才完成旅程。

无论以上哪种方案，下述航天器都是必不可少的。按照使用的先后顺序，分别是：

星际转移飞行器：宇航员乘坐它往返于近地轨道与火星轨道之间，相当于帆船时代的大船。

就地取材

在大航海时代，不仅是鲁滨逊想到用荒岛上的木材造船回航，不少船长和水手都曾利用沿途资源修补损坏的帆船以及补充物资。在行星际航行的时代，就地取材的原则依然适用。落脚点不但能提供建造火箭和飞船的原料，还能提供推进剂。

在回程阶段，若使用常规的化学燃料火箭推动星际转移飞行器返航，所需液体燃料可达几百吨。如果从地球带去这些燃料，要消耗上万吨液体燃料。倘若能在火星就地取材生产这些燃料，就可以省去从地球运送的麻烦。火星大气中有95%是二氧化碳，可以通过电化学反应将二氧化碳分解为氧气和一氧化碳，氧气既可以供宇航员呼吸，也是返航火箭所需的氧化剂。

另外一种从火星大气获取燃料的方法，需要利用火星上潜在的水源。2004年，“机遇”号火星车拍摄到了曾被水流侵蚀的岩石照片，这激励着科学家认真探讨使用火星水的方法。电解水可以得到氢，把氢气与二氧化碳混合加热就能生成甲烷和水了。目前，虽然以甲烷为燃料的火箭发动机正在试验当中，但已经可以明确的是，它的推进效能和多次开关机的性能都优于现有的化学燃料火箭，很可能成为未来火星飞船的主要推进装置。这种电解火星水生成火箭燃料的天才想法，最早由阿瑟·克拉克在1939年出版的英国皇家宇航学会月刊中提出。这位后来的科幻大师在那时就已经崭露头角。

星际水手的困境

探索火星之旅无论是旅途中还是目的地，环境都十分恶劣。宇航员们面临的困难丝毫不亚于帆船时代的水手。不同时代的探险者在旅途中可能遭遇的拦路虎甚至可以一一对应：

水手的晕船——宇航员因失重引起的太空运动病；

水手因缺乏维生素导致的败血症——宇航员因饮食不周、营养不均衡造成的营养不良；

水手因长期航行导致的思乡症——宇航员因长期生活在狭小人工环境中产生的心理问题；

……

帆船时代的水手抵达目的地后，可能因为当地疾病或不友好的土著再次面临生死考验；而宇航员在踏足火星后同样不能掉以轻心，来自太空的宇宙射线和火星表面的低温、尘暴、缺氧比食人生番更致命。

如果往返火星之旅持续十八个月时间，宇航员将被迫暴露在高能宇宙射线中。这些在太空中高速飞行的粒子能够像热刀切黄油一样轻易“切断”DNA，增加宇航员罹患癌症和其他疾病的风险。据美国宇航局估计，火星往返之旅将让四十岁不吸烟的男性宇航员回到地球后患致命癌症的几率达到百分之四十，是在地球上的两倍。

在飞船舱壁加屏蔽层是最容易想到的防护措施，但因此增加的飞船重量将挤占其他有效载荷的配置，令宇航员在火星上吃、喝、工作的余地大大减少。早在20世纪60年代，科学家就提出了另外一种想法，即用人工磁场包裹飞船：只需一个跨度几百米的“磁力泡”便可让来袭的宇宙射线发生偏斜，进而保护宇航员。这种想法与科幻片《星际迷航》中出现的场景非常类似，剧中的星舰船员启动防护盾，保护“企业”号飞船免受敌人的质子束伤害。

控制成本

太空迷和普通公众也许会关心登陆火星采用的令人眼花缭乱的新技术、可能的有趣发现或宇航员的勇敢表现，但以务实著称的航天工程师及政治家们要考虑更为现实的问题：让宇航员进行一次安全、有收获的火星之旅，究竟要花多少钱？

根据探险队的规模和所使用技术的不同，不同的航天工程师给出了不同的报价。从采用现有技术、只送少数几个人上去的小规模任务，到使用最先进技术、让大量人员登陆的大规模探测行动，预算从500亿美元到5000亿美元不等。由此可见，即便最低的预算，也不是单独一个国家的航天机构所能承受的，国际合作势在必行。

近日，美国宇航局和欧洲航天局已启动了“火星探测联合任务”（Mars Exploration Joint Initiative, MEJI），计划于2016年、2018年和2020年发射无人探测器，研究天体生物学、地质学、地球物理学等项目，并在2020年将火星样本送返地球。

2010年7月，俄罗斯航天局局长宣布该国将在2035年之后开展载人火星任务。他说：“俄罗斯、美国和欧洲都有火星任务，印度等国也有类似计划，关于载人火星任务的谈论很多。俄罗斯政府已经明确自动化太空任务和载人任务的顺序，基本战略是火星任务将在2035年之后执行。”但他也指出：“目前没有一种发动机或推进器有能力在两至三个月内将人类送上火星。唯一可能的就是核推进。目前很多国家都在研制以核能为基础的火箭发动机，可以将火星旅行时间从一年半缩减到两个月。”

除了金钱，时间也是宝贵的成本。如果能缩短飞行时间，就可以大大减少宇航员途中的饮食及氧气消耗，而这些都需要用昂贵的火箭发射上天。目前刚刚兴起的“可变比冲磁等离子体火箭发动机”最有可能将火星之旅缩短。具体来说，它以核裂变产生的电力将氢离子化，再把这些带电离子高速喷射出去，推动航天器前进。据美国Ad Astra火箭公司（由华裔宇航员张福林创办）估算，等离子火箭驱动的单程火星之旅只需要三十九天。

现在中国已经和俄罗斯合作，预计在2011年10月将自己研制的“萤火一号”火星探测器和俄罗斯的“福布斯－土壤”探测器一道送往火星。中国航天员训练中心的教员也在俄罗斯参与“火星-500”长时间生存实验，为未来的载人火星之旅积累生物医学的经验。随着中国深空测控技术的日臻完善，火星这颗太阳系中最适合地球人移民的星球，一定会引起国人越来越多的关注。

收益几何

探测火星耗费巨万，但并非没有回报。

探索与开发火星会带来科学及经济上的收益。对科学家来说，通过研究火星的地质与气象，能够加深对包括地球在内的几颗内行星的了解，进而了解整个太阳系的起源与演化。从长远来说，这有助于我们更好地在太阳系中生存。

工业界可能对探测火星感兴趣：火星看似荒芜，其实蕴涵着可以利用的宝贵资源，铁、甲烷，甚至火星的低重力和它在太阳系的位置对于未来的人类都是难得的资源。

从火星上发射飞船飞往小行星带（那是矿物的海洋），比从地球发射要容易得多，不但节约燃料，而且节省时间。这类似于第二次世界大战中美军在太平洋战场上使用的“跳岛战术”。火星或者它的两颗卫星将成为人类飞往小行星带的前进基地。如果能在火星建立航天发射基地，那么“地球—火星—小行星带”的经济三角区就形成了。届时地球作为母星，将为火星提供高科技和人力资源；火星基地向小行星输送自己制造的采矿设备、飞船与燃料；被开发的小行星将矿石回馈给地球与火星。推动这个物质循环的能量源泉是太阳能或核能。

移民与造境

毋庸置疑，目前的火星无论从哪个角度衡量都是不毛之地：平均气温零下六十摄氏度，比南极还寒冷；地表极其干燥，如果将火星大气所含的水分全部冷凝，只能在星球表面均匀覆盖十微米的薄薄一层冰；虽然空气稀薄，但尘暴一旦扬起将累月不消……但是，这并不妨碍有想象力的人们憧憬把火星变成第二个地球。

“火星地球化”，是指地球人用技术手段将火星变成第二个人类家园。美国火星协会的创始人、科学家罗伯特·祖柏林认为，要使火星大气层变得适于呼吸，只需要大约一千年时间就可以完成。

按照祖柏林的设想，首先要在绕火星轨道上部署直径一百二十千米的太空反射镜，将阳光反射到火星极冠，蒸发那里的干冰和水冰。与此同时，火星上的化工厂将合成并释放温室气体，如果每小时排放一千吨四氟化碳，三十年内火星的平均温度将升高27.8℃。这个过程预计耗能五百万千瓦，五个核电站就可以满足这些能量需求。当火星气温整体升高后，冷冻在火星土壤内的二氧化碳会蒸发出来，进一步加剧温室效应。根据祖柏林的计算，到2200年，火星表面将拥有0.1个大气压的二氧化碳。

随着土壤中二氧化碳的不断释放，到2250年，火星上的大气含量将达到0.21个大气压，相当于地球大气压的五分之一。此时的火星居民不用穿太空服就可以走出户外，当然他们还需要带氧气瓶；因为大气足够浓密，飞机已可以在火星上起降。

一旦火星赤道附近的温度长年保持在0℃以上，火星上就可以有稳定的液态水供应，到2250年，火星已经可以生长植物，最先考虑培育的，应该是能够促进光合作用的菌类和苔藓。

为了加快制造氧气的速度，火星居民将大规模种植各种植物，绿色植物的光合作用使二氧化碳逐渐变成氧气。要使火星植物释放出足够人类自由呼吸的氧气，大概需要一千年的时光。在这一千年里，火星居民要不停地种植、收获，努力维持氧气的增加。至于这个“造境”的具体过程，金•罗宾逊在《红火星》、《绿火星》、《蓝火星》三部曲中已有详尽且科学的描述，可以参阅。

更为视觉化的火星大气生成过程在施瓦辛格主演的科幻影片《全面回忆》中有所表现。只不过编剧将生成火星大气层的漫长过程压缩为几分钟，古老火星文明埋藏在地底的固态空气被急速加热，巨量气体从死火山、峡谷和地层的裂缝喷涌而出，给火星包裹了一层飘有朵朵白云的大气外衣。

如果火星最终被改造成一颗适于生命居住的星球，会有怎样的活剧在这样巨大的舞台中上演啊！谁知道从地球带去的动植物在火星的奇特环境下会发生怎样的变异呢？在科幻片《红色行星》（Red Planet）中，火星大气已被改造成人类可以呼吸的了，火星上也因此产生了相当高级的生命——那是一种肉食动物，可以置人于死地。

重力差异也许是影响火星殖民的最大阻碍。飞往火星的移民类似于乘坐“五月花”号前往北美的清教徒，他们得有破釜沉舟的决心——永不回头。火星与地球之间的重力差异直接导致了移民及其后代将永远留在火星上，长期适应低重力的身体势必再难以忍受高重力的挤压，也许只有靠机缘巧合才能把火星建设者带回母星地球（见郑文光《战神的后裔》）。

历史上，火星曾是不祥之兆。在古代中国，它被称为“荧惑”——“荧惑主内乱”、“荧惑者，天罚也”。在域外，它始终是战神之星——从苏美尔人的Nergal，到希腊人的Ares，再到罗马人的Mars，概莫能外。但在科学家和工程师眼中，火星将是希望之星，它将作为人类进入太阳系深处的前哨站，红色的它象征着人类进入太空时代的黎明光辉。【责任编辑：杨 枫】