载人飞船上火星！NASA正在努力的四十项新技术

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。”lfbednc

下面就是截至2017年春NASA正在研发的火星相关任务技术。lfbednc

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。

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lfbednc

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lfbednc

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。

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lfbednc

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。

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lfbednc

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。

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lfbednc

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。

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lfbednc

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。

图7：美国宇航局的核动力车lfbednc

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

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lfbednc

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。

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lfbednc

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）lfbednc

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