飛行方式 載人與載貨飛船會(huì)合于地球軌道
交通工具確定后，剩下的就是登月旅行的具體步驟。上個(gè)世紀(jì)60年代，航天工程師們?cè)诓邉澥状蔚窃聲r(shí)遇到的最大的技術(shù)難題就是如何在月球上著陸。為了得到最理想的計(jì)劃，工程師們拿出了諸多設(shè)想。
第一種方案是直接登陸：發(fā)射一枚火星8號(hào)大型火箭，航行并降落到月球表面，完成任務(wù)后飛回地球。但是，如果要完成全程飛行，目前火箭的大小尚無(wú)法攜帶足夠的燃料。另一種方案叫做“地球軌道會(huì)合”，即發(fā)射數(shù)架小型火箭，把探月之旅需要的器材分批送上太空。這些小型火箭將在地球軌道上會(huì)合，組合成一架大型宇宙飛船，但由于在太空組裝飛船的太多未知因素，這一設(shè)想在1962年被放棄。
最終，設(shè)計(jì)阿波羅號(hào)的工程師確定采納第三種方案———“月球軌道會(huì)合”：探月宇航員和需要的所有設(shè)備將被一枚土星5號(hào)火箭送上太空。離開地球軌道后，火箭第三級(jí)將朝月球飛去。進(jìn)入月球軌道后，阿波羅號(hào)的指令艙和服務(wù)艙與著陸器進(jìn)行分離。兩名宇航員將乘坐著陸器登陸月球表面，一名宇航員留守指令艙。著陸器返回月球軌道后，將與指令艙結(jié)合，載著宇航員返回地球。
40年后，美國(guó)宇航局的工程師也遇到了類似的選擇，新的登月步驟大致上和阿波羅號(hào)一致，但由于重返月球需要攜帶更多的宇航員和科學(xué)設(shè)備，其中又加入了“地球軌道會(huì)合”中的某些方案。
新的登月之旅中，一枚推進(jìn)力強(qiáng)大的火箭將把著陸器和載貨艙送上太空，之后另一枚較小的火箭再把CEV送上太空，分別進(jìn)入地球軌道后，CEV將與著陸器和載貨艙結(jié)合成一體。
之后，剩下的過程就大體和阿波羅號(hào)登月一樣。4名宇航員將乘坐著陸器登陸月球，一個(gè)星期后，著陸器將離開月球表面，再次和等待在月球軌道上的CEV會(huì)合，返回地球。進(jìn)入大氣層之前，原本結(jié)合在一起的指令艙將拋棄服務(wù)艙，穿過大氣層后，它將利用降落傘在陸地上著陸。但在著陸前，指令艙會(huì)掠過太平洋上空，如果情況緊急，它也能在水上降落。
登月目標(biāo) 環(huán)形山邊建立月球基地
科學(xué)家認(rèn)為，再次登上月球的價(jià)值不僅在于讓人類進(jìn)一步掌握月球的起源與地球的關(guān)系，更重要的則是以月球?yàn)樘?，探索離我們更遠(yuǎn)的星球，因此建造月球基地將是登月的最終目的。
美國(guó)宇航局建議，從2018年開始，美國(guó)每年至少會(huì)進(jìn)行兩次登月任務(wù)，先遣的宇航員將利用月球上一切可利用的資源，最后建造一個(gè)月球基地?；鼐拖衲壳霸诟鲊?guó)建在南極的科考站一樣，將包括生活區(qū)、電站和通訊系統(tǒng)。有了固定基地以后，宇航員便可以進(jìn)行長(zhǎng)期試驗(yàn)，涉及的領(lǐng)域包括太空生物學(xué)、地理學(xué)、天文學(xué)和物理學(xué)等。還有一些研究會(huì)探索人類身體對(duì)低重力、高強(qiáng)度太陽(yáng)輻射等外太空環(huán)境的反應(yīng)。
目前，科學(xué)家已經(jīng)找到了建造月球基地的首選理想地點(diǎn)———位于月球南極附近的沙克爾頓環(huán)形山。環(huán)形山的邊緣有80%的時(shí)間處于陽(yáng)光的照射之下。距離該處只有10公里的位置還有兩個(gè)區(qū)域，總共有98%的時(shí)間處于陽(yáng)光的照射之下。科學(xué)家的設(shè)想是把生產(chǎn)電力的太陽(yáng)能設(shè)施放置在陽(yáng)光充足的區(qū)域，并通過微波或電纜與之相連。這樣，位于沙克爾頓環(huán)形山邊緣的區(qū)域就可以得到幾乎源源不斷的太陽(yáng)能供應(yīng)。月球的北極比南極較為平坦，但是那里可能會(huì)有面積達(dá)1.3萬(wàn)平方公里的永久性陰影區(qū)。
科學(xué)家還猜測(cè)，沙克爾頓環(huán)形山一帶有較高濃度的氫元素儲(chǔ)備，而氫是太空探測(cè)的主要燃料之一。同時(shí)在環(huán)形山內(nèi)部的一些永久性陰影區(qū)可能藏有常年不化的冰。冰不僅可以滿足月球定居者的飲用水需要，還可以為太空飛船生產(chǎn)燃料。借助這些月球本身的資源，宇航員能夠建造發(fā)電、通訊和導(dǎo)航系統(tǒng)，當(dāng)然還包括人類探索月球先驅(qū)的住所?？赡鼙贿x作建造基地的地點(diǎn)還包括月球北極、月球背面的三處地點(diǎn)以及阿波羅號(hào)在1969年著陸的靜海。
月球基地必須擁有檢測(cè)月球物質(zhì)、基地成員健康狀況和生活食品的試驗(yàn)艙，一個(gè)生活艙，一個(gè)不加壓的儲(chǔ)藏艙，一個(gè)加工月球物質(zhì)的小型化工廠，一個(gè)帶觀測(cè)室和氣閘門的連接艙以便宇航員出入月球表面，以及兩輛月球探險(xiǎn)車。宇航員將駕駛探險(xiǎn)車在月球貧瘠的表面尋找燃料和水。長(zhǎng)期駐扎在月球基地的成員應(yīng)當(dāng)包括指令長(zhǎng)、機(jī)械師、機(jī)械技師、醫(yī)生、地質(zhì)學(xué)家、化學(xué)家和生物學(xué)家?；爻蓡T每?jī)蓚€(gè)月輪換一次。每次大約更換3到4名工作人員。
利用化工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品和建筑材料，宇航員能將其擴(kuò)建成為人類飛往火星的基地，將實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成為年產(chǎn)10萬(wàn)噸產(chǎn)品生產(chǎn)能力的月球基地，當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)后面的步驟則可能是下個(gè)世紀(jì)的事了。
遠(yuǎn)景計(jì)劃 與機(jī)器人一同踏上火星
本月12日，美國(guó)宇航局成功發(fā)射一艘新型火星勘測(cè)軌道飛行器。它將在2006年3月進(jìn)入火星軌道，之后調(diào)整到距離火星表面上空約190英里處圍繞火星飛行。如果任務(wù)成功，它將成為人類探索這顆紅色星球的又一大得力助手。利用其攜帶的精密照相機(jī)等儀器，勘測(cè)器能拍攝到火星表面最清晰的地貌細(xì)節(jié)，這能幫助科學(xué)家選擇人類登陸火星的理想地點(diǎn)。
目前已經(jīng)在火星軌道和地表工作的勘測(cè)器不在少數(shù)：在火星軌道上有美國(guó)的火星全球勘察者、火星奧德賽和歐洲的火星快車。更引人注目的則是在火星表面“漫步”的勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)火星車。雖然人類登陸火星計(jì)劃的具體實(shí)施要等到2020年以后，但是大致的設(shè)想現(xiàn)在已經(jīng)開始逐步成型。
和登月相比，登陸火星顯然困難很多。月球距離地球只有數(shù)日的旅程，而前往火星的載人旅行單程都將花去半年時(shí)間。就規(guī)模來(lái)說(shuō)，登月僅需要兩枚火箭，但載人探索火星則需要4到5枚大型火箭將載人飛行器和其他科學(xué)儀器送上太空。同時(shí)，土星5號(hào)火箭曾使用過的同類型強(qiáng)大推進(jìn)力引擎可能被再次使用。而在載有6名宇航員的火星探索飛船升空之前，一個(gè)火星基地必須已經(jīng)修建完畢。通過遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，地球上的工程師將在火星上建造總部，電力、通訊系統(tǒng)，同時(shí)還要準(zhǔn)備好一艘載人返航飛船。
降落到火星上后，宇航員將用500天的時(shí)間探索火星表面，進(jìn)行研究。其中最受關(guān)注的就是找尋火星上可能存在的生命跡象。宇航員還將嘗試在火星的地表環(huán)境中尋找氧氣和水這兩大維持生命的要素，還會(huì)嘗試獲得液態(tài)氧和甲烷等主要燃料?；鹦翘綔y(cè)飛船在升空階段引擎使用的是液態(tài)甲烷。由于火星大氣中存在少量甲烷，有科學(xué)家提出飛往火星的宇航員能自己收集返航的燃料。
為了給人類登上火星做好充分的準(zhǔn)備，美國(guó)宇航局還將在2007年發(fā)射鳳凰號(hào)火星探測(cè)器。在2009年12月，美國(guó)宇航局還計(jì)劃發(fā)射一個(gè)名為“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”的第三代重型火星車，它將于2010年10月抵達(dá)目的地。與勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)相比，“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”可以稱得上是“大個(gè)子”，其重量達(dá)600千克，約有一輛吉普車大小。車上將負(fù)載兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室，其中每個(gè)實(shí)驗(yàn)室都包含著一個(gè)重達(dá)30千克的儀器艙。新火星車的穿行能力也將得到更多改善，它能夠在坡度為60度的斜坡上正常行駛；其能源供應(yīng)也將從太陽(yáng)能電池“升級(jí)”為核能，因而可大大增加漫游車的行程和使用壽命，提高開展活動(dòng)的能力，其設(shè)計(jì)壽命為至少2年。
參與火星探測(cè)的科學(xué)家表示，美國(guó)宇航局希望在人類登上火星之前將這個(gè)紅色星球了解得越詳細(xì)越好。由于涉及更具體的任務(wù)，未來(lái)火星上的機(jī)器人也會(huì)各具特色。美國(guó)宇航局正在開發(fā)一種遙控飛行翼，它將成為在火星地表進(jìn)行低空飛行的“火星滑翔機(jī)”。目前正在測(cè)試的飛行翼模型翼展2.4米，由太陽(yáng)能提供動(dòng)力。未來(lái)的火星飛行翼的翼展將增大到20米，并且具有可伸縮性。科學(xué)家們的希望讓這種飛行翼適應(yīng)火星的環(huán)境，能夠在火星惡劣的天氣下順利飛行和著陸，以此來(lái)夠幫助工程師開發(fā)載人飛船安全著陸火星的系統(tǒng)。
由于依靠太陽(yáng)能，火星飛行翼還有可能用作火星表面的發(fā)電站，為其他在火星表面著陸的探測(cè)設(shè)備提供能源。另一類火星機(jī)器人外表酷似蛇，它們的行動(dòng)方式也像蛇一樣，能在火星沙漠上曲折前行；此外，為了適應(yīng)火星荒漠，美國(guó)宇航局的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室還開發(fā)了“風(fēng)滾草”機(jī)器人，它們有排球大小，能和風(fēng)滾草一樣在沙漠靈活行動(dòng)。
功能更強(qiáng)大的的火星機(jī)器人除了探測(cè)地表環(huán)境，收集數(shù)據(jù)，還能在程序的設(shè)定下建造適合人類居住的火星基地。在未來(lái)的火星地表，會(huì)有一種機(jī)器人外形類似建筑工地的鏟土卡車，但是它們更小巧靈活，而且能完全智能化工作。由于能在土壤或沙地上進(jìn)行挖掘，這種機(jī)器人可以替代人類探索條件惡劣的地點(diǎn)或者幫助修建火星基地。
而當(dāng)首批人類宇航員登上火星時(shí)，也很可能會(huì)有機(jī)器人與宇航員做伴，讓登陸火星更加安全。目前，美國(guó)宇航局艾姆斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家和工程師們正在一個(gè)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室里計(jì)劃如何模擬月球和火星的地質(zhì)及地形，并研究機(jī)器人在這種情況下如何幫助人類在月球和火星上建造基地、試驗(yàn)設(shè)備及使用挖掘工具。科學(xué)家和工程師們正在試驗(yàn)具有人類特點(diǎn)的RobonautB型機(jī)器人，他們希望太空機(jī)器人能接受人類宇航員的指令、做出類似人類的反應(yīng)，在需要的時(shí)候提供建議或要求幫助，同時(shí)也有自己行動(dòng)的能力。
面臨挑戰(zhàn) 外太空環(huán)境威脅宇航員健康及預(yù)算困境
當(dāng)然，再宏大的探索計(jì)劃也不可避免地面臨著技術(shù)和現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)。首要的問題就是如何在未知的外太空環(huán)境中保證宇航員的健康。
一直以來(lái)，科學(xué)家都非常擔(dān)憂有害的太陽(yáng)射線對(duì)宇航員身體的危害。研究顯示，在地球低軌道上長(zhǎng)時(shí)間停留的宇航員患致命癌癥的風(fēng)險(xiǎn)比常人高3%.而對(duì)于地球軌道之外的外層空間輻射的危害，科學(xué)家們還知之甚少。1972年8月的一次大規(guī)模太陽(yáng)風(fēng)暴是迄今為止被記錄的最強(qiáng)太陽(yáng)輻射事件。工程師們則希望開發(fā)出能抵御四倍于那次輻射強(qiáng)度的CEV防護(hù)層。美國(guó)宇航局預(yù)測(cè)，擁有鋁制外殼的CEV將能把宇航員患癌癥的概率降低2.9%.
在已知技術(shù)和風(fēng)險(xiǎn)的范圍內(nèi)，美國(guó)宇航局預(yù)測(cè)探索月球的整體事故危險(xiǎn)相對(duì)較小。研究數(shù)據(jù)顯示，登月探險(xiǎn)失敗的概率低于6.3%，宇航員遇到生命危險(xiǎn)的概率為1.3%.而在1962年對(duì)阿波羅號(hào)登月計(jì)劃的評(píng)估顯示，宇航員遇到危險(xiǎn)的概率是22%.
除了技術(shù)上的風(fēng)險(xiǎn)，由于政治因素的變化，登月計(jì)劃面臨很多現(xiàn)實(shí)問題。關(guān)于科研項(xiàng)目所需天文數(shù)字開銷的爭(zhēng)論早已經(jīng)開始。到2025年，該項(xiàng)目估計(jì)將花費(fèi)2170億美元。這僅比美國(guó)宇航局的太空探索部未來(lái)20年的財(cái)政總預(yù)算少70億美元，也就是說(shuō)其全部財(cái)力幾乎都要用在登月計(jì)劃上。
為了保證不超出預(yù)算，美國(guó)宇航局局長(zhǎng)麥克爾·格里芬在上任后的三個(gè)月里花了大量精力，把宇航局的主要精力集中到重返月球上。格里芬在6月28日對(duì)國(guó)會(huì)說(shuō)：“我希望你們會(huì)看到一份有邏輯、簡(jiǎn)單、直接的方案?！币晃幻绹?guó)宇航局管理層的人士說(shuō)：“我們不可能再像處理日常事務(wù)一樣對(duì)待登月計(jì)劃，格里芬很清楚這一點(diǎn)。為了達(dá)到目標(biāo)，我們必須在財(cái)政和技術(shù)上更具創(chuàng)新意識(shí)?！?/p>
開銷最大的一個(gè)階段將是在航天飛機(jī)退役前的未來(lái)5年時(shí)間里，因?yàn)槊绹?guó)宇航局必須同時(shí)承擔(dān)航天飛機(jī)任務(wù)和開發(fā)新的飛行器。但宇航局高官認(rèn)為，只要不超出預(yù)算，資金來(lái)源將會(huì)得到保障。
2006年，美國(guó)宇航局的財(cái)政預(yù)算將達(dá)到170億美元。如果未來(lái)20年宇航局每年的平均預(yù)算達(dá)到200億美元，那么在4000億美元的總預(yù)算中探月項(xiàng)目則占據(jù)了5成，達(dá)到54%.目前，美國(guó)宇航局的探月計(jì)劃已得到了白宮和國(guó)會(huì)的支持。要使藍(lán)圖成真，還需要經(jīng)歷現(xiàn)實(shí)的考驗(yàn)，它在最終實(shí)現(xiàn)前還需要得到3屆總統(tǒng)和5屆國(guó)會(huì)的批準(zhǔn)。不過，支持探月計(jì)劃的人對(duì)此信心十足，正如一名參議員所說(shuō)：“在一位有遠(yuǎn)見的總統(tǒng)領(lǐng)導(dǎo)下，我相信人們會(huì)燃起太空探索的渴望。國(guó)會(huì)也會(huì)鼎力支持，因?yàn)閲?guó)會(huì)反映的是美國(guó)人的愿望?！?/p>
