托马斯·爱迪生(Thomas Edison)的确获得过数千项专利,但是这个人并没有试图将人类安全地送到5440万公里以外的另一个世界的表面,而且此前还需要忍受长时间寒冷、永恒的真空环境。这40种技术中,每个都比电灯泡复杂得多。NASA负责主管太空技术任务局的副局长史蒂芬·尤尔奇克(Stephen Jurczyk)需要确保NASA的工程师继续完成任务,并且要让这些技术按时投入应用。他似乎对火星之旅很乐观,但称该机构向前迈进时需要保持灵活性。尤尔奇克表示:“这是个巨大的挑战,但我们绝对可以实现目标。”

下面就是截至2017年春NASA正在研发的火星相关任务技术。

  1. 卫星推进剂输送:这涉及到在轨道空间为太空船自动添加燃料技术,太空船无需在地面上加满太空旅行所需要的全部燃料,因为携带这些燃料进入外太空将会消耗更多能源。

  2. 先进机器人与检查系统:这种自主技术可以更有效、更精确地工作。

  3. 先进运载火箭系统:实际上,这就是太空发射系统(Space Launch System),也就是世界上最强大的火箭。

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图1:按照字母顺序依次为卫星推进剂输送、先进机器人与检查系统、先进运载火箭系统、先进结构与材料、强化地面处理和操作、组装和聚合、先进系统开发与测试、长期推进剂储存与输送

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图2:NASA下一代太空发射系统高度接近111米,将提供115吨的升力,上部结构拥有强大的勘探功能

  1. 先进结构与材料:制造类似太空发射系统等重型火箭部分使用轻质材料,但它们仍然足够坚固,能够将有效载荷带到大气层之外。其中有些材料甚至还没有被发明出来,但如果NASA和世界其他国家真的想前往火星,这些材料是不必可少的。

  2. 强化地面处理和操作:这些工具和仪器可帮助任务控制团队在地面上执行任务。

  3. 组装和聚合:令人感到兴奋的是,像3D打印这样的制造技术可能会给航天工业带来革命性的变革,使在轨操作的成本更低。

  4. 先进系统开发与测试:这是个包罗万象的短语,基本上指的是“更好的技术”。

  5. 长期推进剂储存与输送:当我们谈到推进剂输送时,我们不仅仅是在谈论数量极小的输送。我们需要共同努力建立切实可行的加油站,能为各种航天器提供在轨服务。基本上,可以称它为太空加油站。

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图3:按照字母顺序依次为高功率核动力推进器、先进的热管理系统、近零蒸发低温系统、高级液氧/甲烷引擎、先进太阳帆、高推力存储引擎、先进引擎材料与制造技术、先进推进剂

  1. 高功率核动力推进器:为了使太空旅行持续下去,我们需要新型的推进器,它不能依赖化学推进剂。核动力推进已经被列在NASA的任务清单上。

  2. 先进的热管理系统:因为宇航员们显然不喜欢在太空中被冻着。

  3. 近零蒸发低温系统:储存在油箱中的推进剂也需要温度控制。低温储罐通常用来完成这项工作,但即使温度出现微小的变化,也可能对这些储罐的压力产生巨大影响,使它们很容易爆裂。NASA表示,近零蒸发罐(Zbot)技术是控制挥发性液体燃料罐压力的替代方式,主要是使用实验流体测试主动散热功能和强制喷发功能。

  4. 高级液氧/甲烷引擎:让太空旅行更具可持续性的方法不是使用直沟式化学推进剂,而是开始使用更容易在太空中制造的化合物。液氧(LOX)和甲烷就是这样的两种推进剂,利用小行星和其他行星上的材料容易就制造出来。以SpaceX公司为例,他们计划使用这样的推进剂登陆火星。

  5. 先进太阳帆:外太空旅行的另一种推动因素可能是太阳帆技术,即通过超薄、光子驱动的材料吸收太阳的能量,然后将航天器高速推向很远的距离。

  6. 高推力存储引擎:这只是“更好发动机”的时髦说法。

  7. 先进引擎材料与制造技术:现在制造和测试引擎是非常昂贵和耗时的过程。找到降低成本的方法将有助于为每个人打造更便宜的太空飞行。

  8. 先进的推进剂。

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图4:按照字母顺序依次为火星表面有效载荷递送、先进结构与材料、先进热防护系统、先进设计理念、导航与控制算法、超音速减速推进器、建模与模拟、精确着陆

  1. 火星表面有效载荷递送:在Humans to Mars Summit峰会上,尤尔奇克提出需要找进入火星大气层、降到地面上的合适方法,实现安全的软着陆。登陆火星的载人飞船可能重约20吨,比2012年登陆火星的好奇号探测器重20倍。尤尔奇克坦率地承认,登陆火星表面是其团队当前面临的最令人担忧的问题。

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图5:NASA位于休斯敦的约翰逊航天中心,工程师和技术人员正在测试宇航员前往外太空所穿的宇航服

  1. 先进结构与材料:与进入大气层、下降和降落有关。这就意味着,需要建造能够穿越火星大气中而不被烧毁的航天器,并且它能够迅速减速以防撞击地面。

  2. 先进热防护系统:帮助人隔热。

  3. 先进设计理念:这是另一个模糊的短语,主要是指进入火星、下降以及降落过程中更新颖的方法,让这个过程变得更安全、更顺畅。

  4. 导航与控制算法:具体指的是确保航天器知道自己当前身在何处、目前处于何种高度以及需要采取哪些步骤来确保安全着陆的仪器。

  5. 超音速减速推进器:超音速减速推进器看起来是登陆火星的关键。这也是SpaceX计划让人类着陆火星的方式,NASA也渴望与该公司合作,看其“红龙”飞船是否能够取得成功。

  6. 建模与模拟:当载人飞船使用仪器来收集下降过程中的各种数据时,它还要基于这些信息判断出自己要采取什么样的行动。对于要确保自己安全降落地面的宇航员来说,这些模型至关重要。

  7. 精确着陆:当这些宇航员降落在红色星球表面的时候,营地已经建成了。除非他们能够降落在基地附近50步以内,否则该任务将不会按计划进行。他们应该能够降落在不超过50米远的地方。

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图6:按照字母顺序依次为自动化系统、高带宽通信、长期可靠的居住系统、增加可消费回收、资源就地利用、高功率表面系统、增强表面迁移能力、低质量维持EVA系统

  1. 自动化系统:这并不是指某个特定的系统,而是能够在大多数或所有种类飞船、工具、建筑中使用,或宇航员在火星工作、生活以及旅行时能够使用的人工智能(AI)技术。

  2. 高带宽通信:火星上的工作人员不会有多个信号塔来帮助他们加强彼此的通讯。NASA将建立一两个类似设备,目的是用于帮助长距离通信,以抵御天气或其他异常引起的干扰。

  3. 长期可靠的居住系统:也就是火星上的房子。也许它们是用冰建造的,但更可能是看起来与我们在南极洲建造的房子没有太大不同。

  4. 增加可消费回收:火星上不具备我们在地球上所习惯的丰富食物和淡水,为此我们需要找到尽可能有效地回收水和废物的方法,尽最大限度地利用好每一种资源。

  5. 资源就地利用:此外,我们还需要找到更好的方法来利用火星上已有的东西。这意味着,我们可将火星上的冰转化成液态水和氧气,利用大气中的甲烷制作燃料。

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图7:美国宇航局的核动力车

  1. 高功率表面系统:不要指望最初的火星地面基础设施能高度利用太阳能。尤尔奇克说:“我们不认为在火星表面利用太阳能是可行的。”相反,NASA正考虑在火星上使用核电,可以为最初的人类基地提供足够的电力。这并不是你所期望的,因为在《火星救援》(The Martian)中,我们看到马特·达蒙(Matt Damon)在火星上到处拖着太阳能电池板。但是,核能的确是可行的方案。

  2. 增强表面迁移能力:可以借用火星登陆车和宇航服

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图8:左侧的EMU宇航服是宇航员目前正在使用的,中间的PXS是技术概念证明产品,右侧Z-2则是更先进的宇航服原型

  1. 低质量维持EVA系统:我们正在谈论宇航服。NASA已经在制定计划,如何为未来的火星宇航员创造更好的宇航服,那些人需要更灵活,因为他们要围绕围绕着新建筑行走、进行科学实验等。此外,这些宇航服还需要配备一个更好的系统,以方便宇航员在旅途中解决个人问题。

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图9:按照字母顺序依次为辐射防护、改进调制和编码、光通信、改进的光电池、增加电池密度、低温元件、新观测平台、高性能电源

  1. 辐射防护:对于太空辐射的威胁,我们仍然没有很好的解决办法。但尤尔奇克说,NASA正试图寻找“一石二鸟”的方法来解决这个问题。他说:“我们正在研发更好的推进器,以便更快速地到达火星,这将让宇航员暴露在太空宇宙辐射下的时间大幅降低。到底使用什么样的方案还不清楚,但NASA认为需要开发能在半途中持续使用的东西,以减少前往火星时携带大量化学燃料。除此之外,NASA还需要开发更好的防护罩保护航天器。现在,我们前往火星需要6个月时间。然而防护罩是相当沉重的,且需要耗费大量能量。为此NASA需要开发更好的材料,可以安装在飞船外部,同时保持轻量化,这是个微妙的平衡。

  2. 改进调制和编码:外太空通讯不太方便。为了使火星上的人能够快速、方便地与任务控制人员交谈,我们需要开发来回传递信息的更好方式。这部分需要依赖设备本身,同时还需要软件的大力支持。

  3. 光通信:外太空通信与仪器息息相关,NASA需要制造更强大的工具。

  4. 改进的光电池:这与太阳能发电有关,太阳能可能不会像目前设想的那样在火星表面上使用,但NASA仍然打算将太阳能作为轨道设备供电的主要方式。

  5. 增加电池密度:储存更多电量。

  6. 低温元件:太空中中的真空环境和火星表面都是冰冷的地狱,技术需要在这些极其寒冷的温度下工作。

  7. 新观测平台:无论我们走到哪里,我们都需要更多新颖的方法来进行科学研究。我们不会总是能够创造适合单一世界的研究系统,而是需要创建适合各种环境的平台。

  8. 高性能电源:我们需要创造一种超乎我们梦想的能源。正是源于这40项技术,NASA正努力把我们送上火星,至少这些项目有资金扶持。

(来源:网易科学人)

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