中國載人航天專家揭秘《火星救援》中的航天科學

2020-11-22 網易娛樂

網易娛樂12月9日報導 試想你一覺醒來,發現躺在火星的沙漠裡,太空人隊友都以為你掛了,正光速飛回地球。《少年派的奇幻漂流》在印度洋裡飄,好歹還有一隻老虎陪著,你抬頭,周圍連只蒼蠅都沒有,咋辦?這正是當下備受熱議的電影《火星救援》中,馬特·達蒙飾演的馬克·沃特尼的真實處境。而整個故事就是從「我不能就這樣等死」開始的。

馬克·沃特尼獨自在火星,用自己所學的科學知識克服重重困難,最終獲救。這部電影打動人,不僅僅只是因為好萊塢大片的視覺效果,以及這部電影備受好評的幽默感,更在開始,是以其涉及了航天科技、植物學、物理學、化學等眾多科學領域而走紅,被譽為是給科學的一封情書。電影在中國上映之後,最獲得觀眾注意的,其實是當中的中國元素,在這場太空援救當中,中國航天的尖端科技,成為了拯救關鍵,中國捐出了自己的「太陽神」助推器,幫助NASA發射新的救援火箭。

究竟助推器是個什麼東西?中國航天技術在世界上目前處於什麼地位?太空人又是怎樣甄選的?本期#大神來聊火星救援#我們有請到在中國空間技術研究院載人航天總體部載人星際探測研究室,主要從事載人深空探測領域相關研究工作的高級工程師王平博士,為大家一一解答。

1問:電影《火星救援》您看過了嗎?評價如何?

王平:看過了。影片拍得很好,劇情很緊湊,科學性和常識性錯誤較少,是近年來比較優秀的科幻題材影片,也可作為載人深空探測領域的科教片,值得學習研究。

2問:影片中的太陽神計劃是什麼?是否真實存在?

王平:從影片角度看,應該是一個較大規模的航天項目,所用的運載火箭能力可以支持美國的載人火星探測這類載人深空探測任務。該計劃應該是作者或編劇按劇情需要杜撰。

3問:助推器是什麼?功用是什麼?

王平:助推器是一種航天動力裝置,用於火箭等的發射時,使其迅速飛離發射器並加速達到預定飛行速度。影片中中國捐出的應該是一枚重型運載火箭,有效載荷是美國的貨運飛船。

4問:如何看待中國在這次拯救中的作用,放棄自己的航天計劃,損耗幾十億拯救一個人是否值得?

王平:重型運載火箭研製難度大,研製周期長。如果沒有中國的運載火箭,美國無法在有限時間內完成一顆新火箭的研製。出於人道主義,以及1988年中國加入的《營救太空人、送回太空人和歸還射入外層空間的物體的協定》(簡稱《營救協定》)的精神,個人認為是值得的,應和平利用太空、開展國際合作。

5問:中國已經成功進入過太空,火星會是下一個目標嗎?

王平:火星是距地球最近的行星,也是太陽系內最像地球的行星,探測價值很大。中國已於2011年11月8日發射了第一顆火星探測器螢火一號,隨俄羅斯火星探測器一同升空,但俄羅斯火星探測器變軌失敗,此次任務終止。

6問:空間站及棲息艙裡面的水循環系統是什麼?我理解是尿液也得搜集起來進入水循環系統,過濾後要喝自己尿的意思?

王平:與短期載人航天任務相比,長期載人航天任務將消耗大量水。因此,回收再生航天員使用過的廢水和人體代謝廢水是十分必要的,從而實現水的循環利用。廢水主要有三種:冷凝水,人體呼吸及體表蒸騰的水氣進入艙內大氣,經溫溼度控制系統冷凝分離而成,經過多層過濾、淨化後可達到飲用水衛生標準,可供飲用;衛生廢水,個人衛生(如洗漱、淋浴等)使用後廢水,經水管理系統收集分離而成,經過多層過濾、淨化後可作為衛生用水重複使用;生理廢水,人體排洩後經廢物收集系統收集貯存,經過膜處理、相變處理後作為電解制氧用水,技術上也能達到飲用水標準。

7問:太空人需要具備什麼樣的素質,體能及心理,會有什麼專業的培訓體系?

王平:一名合格的航天員要求有出類拔萃的身體素質和專業技能素質,目前多是從掌握高性能飛機飛行技術的空軍優秀駕駛員或試飛員中挑選。身體素質方面,年齡在25歲至35歲比較適宜,身高在1.60米至1.72米,體重在55公斤至70公斤之間。心理方面,航天員必須對他的能力極端自信,面對太空中難以預測的風險,要求航天員在太空既不會出現異常行為,也不會有心理生理代謝失調。航天員在訓練中完成基礎理論學習、體質訓練、航天環境適應性訓練、專業技術訓練等9大類百餘項的訓練科目。

8問:一般來說。登上宇宙飛船的人員組織是如何分配的?比如真的是有醫生,工程師,植物學家等等?是否一個人要身兼各項科學技能?

王平:乘員組中的每個航天員在航天中各自起著不同的作用,並逐漸向專業化方向發展。兩人的乘員組一般為指令長和駕駛員(美國)或指令長和隨船工程師(或研究航天員)(蘇聯)。三人以上的成員組一般分為指令長、駕駛員、任務專家、飛行工程師和載荷專家(美國)或指令長、隨船工程師和研究航天員(蘇聯)。隨著載人航天的發展,航天乘員正在擴大到許多不同的行業,如科學家、工程師、醫生、教師、記者、政治家、管理人員以及宇宙觀光旅遊者。由於航天員數量有限,而需要完成任務種類較多,則往往一個航天員需要身兼多項技能。

9問:覺得《火星救援》這部電影對整個航天業的影響是?為什麼NASA很賣力在為這個電影做支持?

王平:美國NASA主導的航天任務,特別是大型航天任務,需要得到國會通過以及民眾的支持,因此它會大力支持《火星救援》這類電影,這將激起民眾對載人火星探測等任務的濃厚興趣,以便於它對實際任務的推動。《火星救援》電影本身在科學性與劇情演繹之間達到了較好的平衡,使人們在欣賞故事的同時增進了知識,且對載人火星探測產生了興趣。客觀上講,對推動載人航天的發展起到了一定的積極作用。

10問:這部電影科學嗎?馬特達蒙在片中能「開著敞篷飛船上太空」!

王平:《火星救援》電影大部分情節具有一定的科學基礎,是多年來NASA技術研究與未來技術暢想的體現。小部分為了情節的演繹幻想成分較多,比如靠航天服上扎一個洞實現航天員軌道與姿態的控制,比較脫離科學實際。「開著敞篷飛船上太空」方式在正常情況下不會採用,應急情況下採用該方式風險較大,需要具體分析上升方案及飛船結構等因素。

11問:太空人到底能帶什麼私人物品上飛船?

王平:美國太空人可以攜帶一些私人物品,只要這些物品不超過規定的重量和尺寸,如「阿波羅」登月計劃,太空人埃倫·謝潑德帶了一隻摺疊球桿和兩個高爾夫球帶到了月球,並成為第一個在月球打高爾夫球的人。

12問:明火在太空探險中的危險性?

王平:明火在載人飛船等載人太空飛行器中是十分危險的,因為艙內環境是人造的,大氣壓力穩定性、氧氣的含量等要求十分嚴格,此外若採用純氧,更是禁止出現明火。當然,隨著載人航天技術的不斷成熟,人們對艙內環境及明火等問題認識更加深入,也可有效控制明火的發生,如國際空間站做過火焰燃燒的科普實驗。

13問:能否給我們介紹一下航天員服裝到底具備了什麼樣的科技?

王平:航天服是用於在航天飛行中為航天員抵制外界惡劣環境的危害,在人體周圍創造必要的大氣壓力、氣體成分、溫度、溼度等生活環境和條件,並保證航天員具有一定的活動性和作業性的個人防護裝備。按其用途可分為艙內航天服和艙外航天服。航天服一般由軀幹和肢體部分、頭盔、手套、靴子和小便收集裝置等組成。

艙內航天服是一種軟式低壓服,也叫應急救生服。它與太空飛行器艙內生命保障設備構成艙內航天服系統,作為乘員艙環境控制與生命保障系統的冗餘系統,主要用於載人太空飛行器發射、交會對接和返回過程中發生座艙氣密性破壞時保證航天員的生命安全。在軌道飛行中,當座艙大氣壓力、其他成分控制失效時,艙內航天服系統可以作為應急救生手段。

艙外航天服按其功能及與太空飛行器的關係,可分為臍帶式和獨立式兩類。臍帶式艙外航天服通過臍帶與太空飛行器的生保系統相連,由太空飛行器生保系統維持航天服內的正常環境條件。自帶生保系統的獨立式結構,也稱為獨立式艙外航天服及可攜式生保系統。這種構造最大優點是保證了艙外活動航天員的獨立性和靈活性,它不受太空飛行器的限制,能夠在空間獨立工作一段時間。

14問:載人航天技術方面,我們在國際上究竟是否屬於頂尖?

王平:載人航天技術領域是目前國際上最複雜、難度最大的高技術領域之一,除中國、美國、俄羅斯外,沒有國家可以獨立開展載人航天工程及任務。中國航天工作者攻堅克難,取得了一大批具有自主智慧財產權的科技成果,整體性能達到了世界先進水平,部分有所超越,實現了我國載人航天工程的跨越發展。

15問:宇宙飛船或者空間站是用什麼作為動力來源?

王平:依據火箭發動機工作時工質和能源的情況,大致可以分冷氣火箭推進,化學火箭推進,電火箭推進,核火箭推進,太陽能火箭推進等。目前液體化學推進最為普遍,幾乎要佔太空飛行器推進總數的90%以上。但面對載人火星探測等載人深空探測任務時,化學火箭推進劑消耗量大,因此不太適合。核火箭推進等是未來重要的發展方向,也是載人深空探測推進方式較好的選擇。

16問:現有的宇宙飛船速度如何,需要多久到達火星?動力技術是否能支持到達火星?如果現在不能,您覺得未來多少年可以實現?

王平:火星往返任務一般在500天左右,通過軌道優化可以適當減少任務周期,也可根據實際任務要求延長任務周期。美國之前提出過2039年左右登陸火星的計劃,近期又公布了載人火星探測「三步走」初步規劃,沒有明確登陸時間。目前技術方面雖有挑戰,但NASA更多的是缺乏國會與民眾的支持,因為畢竟載人火星探測任務花費巨大。我個人認為,人類2050年前後實現載人火星探測是可以接受的。

17問:載人航天科技目前無法突破的難點是什麼?

王平:載人航天任務中很多技術領域存在難題有待攻克,如動力技術,化學推進難以支持較遠距離的深空探測,新推進技術如核推進尚處於研究階段,還沒有開展在軌試驗。此外還有能源技術、航天員長期地外生存、受控生態技術、人工重力等等。總之,目前人類還只是在海邊上走一走,偶爾去一下岸邊的礁石(月球)都有難度,要想去近海的小島或深海還有很長的路要走。所以,需要人類偉大的探索與創新精神,以及不斷的持續研究與投入。

關於大神來聊火星救援:

#大神來聊火星救援#是片方二十世紀福斯與影片宣傳方十方娛樂共同發起的一檔策劃性專題採訪節目。已經成功採訪我國鈷酸鋰、錳酸鋰電池正極材料、動力電池技術奠基人其魯教授、中國空間技術研究院載人航天總體部載人星際探測研究室,主要從事載人深空探測領域相關研究工作的高級工程師王平博士、發展與教育心理學博士荊承紅博士、著名導演烏爾善導演、《火星救援》小說中文譯者陳灼等等。

本文來源:網易娛樂 責任編輯:柴悅_NKBJS2064

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