《火星救援》中9项真实的NASA科技

飞鸟客

百家号17-05-1821:25

博科园

NASA的宇航员被滞留火星的科幻故事,被拍摄成火星救援,将在中国大陆上映,本文将向你讲述其中NASA的9项真实科技。

数千年来,火星都处在人类想象和文化的核心位置。它的红色外表和周而复始的亮度变化让古人感到震惊不已。通过望远镜的早期观察,一些人推测这个星球被运河网络所覆盖,并被该星球的居民用于运输和商业活动。在小说《世界大战》中,作者H.G.Wells假设了火星人试图入侵地球的目标。在1938年,由OrsonWelles播音的节目让他的听众惊恐万分,因为听众们以为是在听新闻广播而不是这部小说的改编剧。

人类和火星之间的真实故事虽然有一些平淡但并没有减少其吸引力。望远镜把天空中那个明亮的红点变成一个曾带来运河遐想的模糊的斑驳圆盘。就在50年前,一个途径火星的飞船传回了第一张显示火星朦胧大气的照片,而最近几十年的探索表明这个星球曾拥有生命的基本要素—古老海洋。

即便在互联网时代,这种吸引力也没有减少。AndyWeir曾经是电脑程序员,他热爱写作并在博客上发布了一个关于NASA的宇航员被滞留火星的系列科幻故事。超高的人气最终使他将这个博客故事变成长篇小说----《火星救援》。

《火星救援》结合了虚构和真实两种叙事元素,这两种元素来自于NASA和其他机构已经完成的和未来在21世纪30年代的探索任务。届时,NASA的宇航员将登陆火星并在火星表面生活和开展探索任务。虽然这项行动在未来20年才会发生,但是NASA已经研发出多项在电影中展示的科学技术。

一:居住

在火星表面,Watney在居住舱Hab内待了相当长的一段时间,这是他远离地球的家。未来登陆火星的宇航员也需要这样一个家以避免以飞沙为伴般地度过一个个火星日。

在NASA的约翰逊航天中心,机组人员在人类探索研究模拟项目(HERA)中为长航时深空任务训练。

HERA是模拟深空环境的独立的环境。两层的居住舱由生活区,工作区,卫生区和模拟气闸舱组成。在这些居住舱中,为了模拟未来任务中的封闭环境,测试对象要实施操作任务,完成有效载荷目标和一起生活14天(很快被延长至60天)。最近,宇航员已经使用该设施用于模拟ISS任务。这些研究在人为因素,行为健康和对策方面提供了有价值的数据,用来帮助NASA进一步了解怎样实施深空操作。

二:植物农场

今天,货运补给飞船可以给国际空间站的宇航员提供丰富的食物。然而火星上的人们不能依赖地球的食物供给),因为快递运输时间至少需要九个月。为了使人类在火星上生存,他们需要种植庄稼作为持续的食物来源。

在《火星救援》中,Watney把居住舱变为一个自给的的农场,长出的土豆成为第一种火星主食。

今天,在近地轨道,生菜是太空中供给最充足的农作物。在国际空间站中,Veggie是一个有效的新鲜食物生产系统。使用红、蓝、绿光,Veggie帮助植物生长在一个枕头类似物里,它是一个拥有基质和肥料以及微孔表面的小袋子,用来由宇航员收割食物。

2014年,宇航员使用这个系统种出了红生菜,标志着这个太空种植系统首次成功。这是太空农业的巨大一步,而NASA正在扩大种植的数量和种类用来满足未来火星宇航员的营养需求。

三:水再生

火星表面没有湖泊、河流或者海洋,而且从地球运水到火星要花费不止九个月时间。火星宇航员必须有他们自己的水补给来源。在火星上的战神3号乘组使用水回收设备没有浪费一滴水。Watney需要用他的智慧想出与众不同的办法来保持水分,使自己能在这个红色星球上生存下去。

在国际空间站上,一滴汗、泪甚至是尿都不会浪费。环境控制和生命支持系统无处不在地对水进行再生和循环,包括尿液,洗手水,漱口水以及其他来源。通过水再生系统(WRS),水被回收,过滤,准备再次使用。一个宇航员举例说:“昨天的咖啡会变成明天的咖啡。”

在太空中,液体会带来一些棘手问题。WRS和相关系统必须能够考虑到在微重力环境下液体不同寻常的行为。WRS系统处理尿液时必须使用蒸馏离心机,因为气体和液体不会像地球上那样分开。

NASA一直在研发新的水再生技术。这类研究正在引领一次性多层滤床(去除无机和非挥发性有机污染物的过滤器)成为一个更长久的系统组件。咸水再生系统可以再生尿液蒸馏后的“底层液”中的每一滴水。对于未来的人类探索任务,宇航员们将减少其对用水和零件的地球补给的依赖。

这个系统背后的技术已经为地球上的偏远地区和自然灾害地区提供清洁的饮用水。

四:氧气制造

食物、水、庇护所是三个在地球生存的要素。其实还有第四个我们很少想到的要素,因为它可以随意的获取:氧气。在火星上,Watney不能走出舱外去呼吸新鲜空气。为了生存,无论去哪他都不得不随身带着氧气供应系统。这是他首先要做到的。在居住舱,他使用氧气发生器,这是一个利用火星上升飞行器(MAV)的燃料发电机把二氧化碳变成氧气的系统。

在国际空间站上,宇航员拥有氧气制造系统。这个系统可以循环处理航天器中的空气并高效稳定的供应可呼吸的空气。这个系统通过电解反应生产氧气,把水分子分解成氧分子和氢原子。氧气被释放进空气中,氢气被排进太空或输入Sabatier系统。这个系统利用空间站的大气的剩余副产品来生产水。

通过一个高效利用水和氧气的闭环系统可以让氧气制造保持在稳定水平。NASA为了火星之旅,正在努力从空气副产品中再生更多氧气。

五:火星宇航服

火星的地表环境并不非常欢迎人类。大气寒冷也几乎没有任何可呼吸的空气。宇航员在居住舱外采样和维修时必须穿着宇航服。

每天MarkWatney需要身着宇航服在火星进行了很长时间的舱外工作,他最终不得不在火星表面长途跋涉,所以他的宇航服必须灵活、舒适、可靠。

NASA正在研发能够支持在火星使用的宇航服。工程师考虑了从火星漫步到岩石采样的一切需求。

Z-2以及标准探索宇航服是NASA的新式标准宇航服,有助于解决一些独特的问题去提升相关技术,而这些技术终有一天会使这件宇航服穿在第一个登陆火星的宇航员身上。而过去那些宇航服的科技缺失将会被未来那些完成登陆任务的宇航服甄别。宇航服工程师的探索旨在权衡硬质合成材料与织物之间的平衡使宇航服即耐用又灵活。

沙尘是火星舱外活动要面对的一个挑战。太空行走带来的火星的红色土壤可能影响宇航员和飞船内的系统。为解决这个问题,新宇航服在背后设计了一个服装站,所以宇航员能够在外面脱掉宇航服,快速的并干净的进入飞船。

六:火星车

一旦人类在火星表面着陆,他们必须在那里居住一年以上才能等到最小地火距离点并返回地球。这样宇航员在就有大量的时间在周围地区开展实验和探索工作。但是宇航员不想被限制在步行距离范围之内,为了走得更远,他们必须拥有一部有力的,可靠的,灵活的火星车。

在《火星救援》中,Watney驾驶他的火星车进行几次急转弯。甚至为了生存,他不得不对火星车经行了非传统的改装。

在今天的地球上,NASA正致力于让“多任务空间探索车”(MMSEV)能够面对多种环境。MMSEV已经被用于NASA的模拟任务,用来帮助解决一些机构已经意识到的问题,甚至是揭露一些可能被隐藏的问题。下图为MMSEV火星车。

该技术的多用途性足以在未来支持小行星,火星及其卫星等探索任务。MMSEV还能帮助解决探索范围,快速进出,辐射防护等问题。一些版本的火星车有6个可机动的轮胎,如果一个轮胎损坏,火星车可以把它升起然后继续行驶。

七:离子推进

缓慢而稳定会赢得比赛,而离子推进会证明这一点。

在《火星救援》中,战神3号乘组在历时数月的火星之旅中居住在Hermes飞船里数个月。离子推进技术是穿越2.8亿英里太空距离的有效手段。离子推进是将氩气或者氙气电离并以200000英里/小时的高速喷出。飞船起初由一个像微风一样的很小的力推动,但是在不断加速数年之后,飞船可以获得非常高的速度。离子推进技术也允许飞船多次变轨,然后进入更遥远的世界。

这个技术允许类似于NASA的Dawn飞船的现在飞船能用很少的燃料去执行一些疯狂的任务。Dawn飞船已经完成超过五年的持续加速,总加速达到25000英里/小时。这比其他飞船的推进系统要厉害的多。沿着这条路,它已经完成了人类对谷神星和灶神星的第一次观测。

八:太阳能板

火星上没有加油站,没有油井,也几乎没有风。太阳能才能让宇航员在火星任务中走得更远。小说中的Hermes飞船使用太阳能列阵来获得能源,MarkWatney利用太阳能板的非常规用法使自己在火星上生存下去。

在国际空间站,4个太阳能列阵能够提供84-120千瓦的电力,这些能量足够40个家庭使用。空间站并不需要满功率使用,然而万一出现事故,能量冗余有助于减少事故的风险。自从2000年以来,太阳能系统一直为空间站提供能源,并安全稳定的运行。

NASA研制的Orion飞船将带人类飞向比以往更远的地方,它也是使用太阳能阵列作为未来任务的能量来源。它的阵列板可以在阳光下获取能源的同时给锂离子电池充电。假如Orion飞船在月球的背面,没有阳光的位置,电池也能为飞船运行提供足够的能源。

九:放射性热电发电机

在超过四十年的时间里,NASA已经安全的使用放射性热电发电机(RTG)为二十多个太空任务提供电力来源。其中包括阿波罗登月任务。好奇号火星车和未来2020火星任务的火星车中将使用下一代升级版的发电机。

RTGs是一种太空电池,它利用钚-238放射性衰变过程中释放的热量发电。好奇号上RTG产生大约110瓦甚至更少的的功率,差不多比灯泡的平均功率高一些。

在《火星救援》中,乘组为了以防火星上升飞行器的钚基RTG电池泄露而将它掩埋在远离居住舱的地方)。就像电影中一样,为防止任何泄露事故,钚-238放置在多层先进的材料保护中,确保即时在严重的事故中也不会发生泄露。RTG主要是放出α射线,只能在空气中穿透几英尺,不能穿透衣物和人类皮肤。只有当它非破碎成非常细小的粒子或蒸发,并被人体吸入或摄入的时候才可能对人体健康造成影响。产生出的同位素是以陶瓷形式存在,且不溶于液体,所以不可能被误吸和误吞。

事实上,火星环境中的自身核辐射比RTG的更严重,太空对火星的电离辐射对人类的健康危害更大。目前的火星任务旨在分析火星的辐射环境,从而设计出能保护未来宇航员的系统。

未来的探索需要比之前更稳定,可靠,持久的的能源以维持他们在太空中的生存。未来的能源系统可能会包括有效的放射性同位素能源,太阳能,燃料电池,核裂变等各种混合能源。

火星之旅

人类的太空飞行是一项危险的活动。NASA正致力于在本世纪三十年代将人类送上火星,但是要确保宇航员安全返回地球,还有许多里程碑式的任务要完成。已经在国际空间站居住一年的宇航员ScottKelly总结道:太空探索很难。每次太空飞行的各个方面的对错误的容忍度几乎为零。然而,在火星之旅中我们将会学到更多对宇宙的理解,我们学到的和做到的一切将被带回地球造福人类。

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