火星矿产资源及其探索研究（4）
胡经国
（续前）
四、火星矿产资源探索概况
1、对《赶往火星》一书的简介和评论
⑴、有关读者对《赶往火星》一书的简介
据报道（20170227），《赶往火星》一书有关读者表示，读完《赶往火星》，你将对探索火星热血沸腾，曾经以为探索太阳系甚至飞出太阳系那么遥不可及；事实上，飞出太阳系或许还是一个梦，但是探索火星真的不是梦想。
下面是该读者对该书的简要介绍。
这本书简单而详细地描绘了整个火星探索计划——火星直击计划，中间没有大型太空站，不需要月面基地的补给，而仅仅是面对我们唯一要去的地方——火星。
该书从理论上和技术上对从地球出发直击火星做了相对细致的描述。从整体计划的构想到理论和技术的实施设想，再到将会产生的各种问题、各种情况的设想与预处理，乃至其中的政治和经济的风险和压力，都做了细致入微的描绘。
首先从设想上，针对原始的火星探索计划提出了质疑：针对大型空间站，月面基地开发，大型轨道式宇宙飞船的设计都做出了否定。认为，这些计划看起来似乎是为火星探测做准备，而事实上却是前往火星行进的一个大障碍。因为，这些的不足，可以找到各种借口来拖延时间，就像《90天计划》中索说，整个探索火星需要4500亿美元，这个数字无论是对一国还是数国都是不小的数字。这真会着实吓到所有的探索者的热情。因此，该书对这些计划“嗤之以鼻”。
该书首先在理论上描绘了前往火星的根本问题——燃料问题。继而指出，大型重型运载火箭是首要的问题。围绕航行动力学和星际轨道，提出了一系列解决方案和设想。该书给出的数据详实（是否真的可信无法肯定，但是相比之下，有了参数就更有说服力）。远距离星际航行最重要的就是星际航行时间；而时间之快慢则取决于动力——火箭发动机及其运载设备。该书相对比较了各种燃料的“比冲量”，并且对其相应的火箭发动机做出了相应的评价。无论是热核火箭还是化学火箭，都需要大量的燃料作为其动力。根据现实状况，热核火箭的开发还有很长路要走。那么，要想在最短时间能富有成效的探索火星唯一可选用的就是采用化学火箭作为运载工具。
那么问题又出来了，化学火箭往返一次所需要的燃料大的出奇。如何解决这个问题？该书作者给了我们一个不可思议但是确实在理论上有效可行的办法——就在火星上生产燃料。这个想法着实令人惊奇。该书只用了几个相对简单的化学反应原理，就解释了为什么这么做是有效可行的；并且如何去做才是能够使之有效的？
这就首先取决于火箭发射次序：单次发射还是多次发射的任务次序是很重要的。因为，在每次发射中所携带的设备往往是下次发射能否进行的关键。这样确实增加了整体计划的实施性风险（稍后我们再说该书计划的一些设想的不成熟性）。该书所给出的基本星际动力学数据和轨道数据很具有普及性质。这些参数可以让我们大致推算出其理论的可行性。从星际航行的角度看，燃料不可或缺。从目前已知的火星观测资料和火星无人探测器传回的大量科学数据可以肯定，火星大气的主要成分和一些相对简单的元素组成和成分比例。火星中缺乏H，而对于作为最富推力的火箭发动机而言，H是不可缺少的燃料组分之一。那么怎么办？该书直接告诉我们——带过去就是了！这也就是，带着单程的燃料和返程所需的单组份燃料，在合适的时候抵达火星（要是在沙尘暴时抵达着陆，那么鬼晓得我们的探测器会飘到哪里），采用相应的制动技术登陆火星，通过远程深空遥测系统建立相应的远程小型燃料反应设备。因为是生产燃料，所以必须要求重型运载火箭运载（阿波罗时代的“土星”5号是140吨的运载量，包括俄罗斯80年代开发的“能源”号运载火箭也在120吨上下）。这样我们就有了返程的燃料保证。而接下来的载人任务就可以相应地进行实施了。
其中，该书对载人计划中出现的生理心理问题，作了大致详细的数据论证，比如针对宇宙辐射、零重力等对人体生理的影响以及长时间航行的心理问题，作了简单概况性论述，并且指出了相应的解决办法。
在火星探测中，除了载人探测，该书也描述了如何在火星上长期探测的可能性。针对已有的数据，对火星的地质地貌，土壤组分，大气状况和其它火星特征，做出了相应的细致描述。例如，针对火星矿产资源，火星地球化改造等设想，也做了初步探讨。这大大突破了我们探索火星的原始设想，可以说这是太阳系远征的第一步，建立火星的前哨阵地。但是，如何建立这个火星前哨阵地呢？该书作者又一次对我们用最简单的一些科学原理做了通俗的解释。针对火星生活舱，地面科学设备，探索设备和返回式飞行器，做了相应的理论和技术设想。最惊奇的是，这些技术设想都是源于我们现有的可行技术。这大大地提高了对我们现有可行的探索理论技术的要求。我们不必花很长的时间去建造大型空间站，大型宇宙飞船的空间船坞，月面补给基地等这些只能在科幻片中看到的场景，而仅仅是使用我们现有的或是未来几年内可以开发的技术。在如何建立火星前哨基地中，该书作者充分运用了一个原则——就地取材。利用有限的能力进行最大规模的就地取材，生产一些列我们所需的物质装备和动力供应。同时，对其他的探索式推进技术做了概括性论述，比如太阳帆推进，电磁帆推进，离子推进技术等，甚至对地面探测设备也做了详细的概述。
在该书最后部分中，作者指出了探索的火星的三种模式。并且，对其基础因素——钱，做了说明。总体来讲，根据上面的描述而确定的投资资金大致为500亿美元；大大节约了我们的经费和资金。并且，还可以充分利用民间企业的资源（2003年，日本主动前往小行星取样的“集鸟”号探测器，就是充分应用了日本民间企业的各种资源），以最大限度的力量去探索火星。
技术本身的进步需要强有力的推动。阿波罗时代的美国，在航天领域技术发展道路上走在时代前沿，并且带动了大量的就业岗位。整个20世纪60年代就有数十万名美国人（这只是工程师，不包括工人和普通技术人员，行政人员等）在为此努力。虽然这是冷战的产物，但是也昭显了美国的技术领导能力。但是，其在接下来半个世纪里却无所作为。钱，果真是个借口么？在阿波罗时代，我们用一个人只能运算一次的计算尺把人类送上了月球，然而半个世纪过去了，我们的运算能力有了大幅提升，我们现在单单智能手机的运算能力就足以和20世纪60年代相比，甚至更高。但是，我们在做什么呢？拿着拥有高于上个世纪的运算能力的智能手机却在屏幕上“打着小鸟”。这是一种天大的讽刺！
抛开意识形态而言，美、俄合作探索火星的成功几率是做大的，因为俄罗斯拥有相对现成的大型运载火箭——“能源”号。而美国可以和俄罗斯在其基础上稍加改进就可以大幅提升运载能力。而且，俄罗斯航天硬件比欧洲便宜，质量也有保证。这样，还可以相对刺激了俄罗斯的低迷经济状态，同时也扩展了美国本身的技术实力。可以说美、俄合作，是最有前途的可能性，因为探索火星的巨额费用，精确的理论计算和系统的工程实施，都往往不是一个国家可以完成的，即使作为超级大国的美国在现在的低迷经济时期更显得力不从心。而航天计划的大力实施，相对而言，会更可靠地促进了一部分就业和经济技术的发展（或许不是很多，但是至少可以减少相对的就业压力）。从这点看探索火星的连锁效应，还是很有客观的经济价值和技术潜力的。
⑵、有关读者对《赶往火星》一书的评论
下面是有关读者针对《赶往火星》一书中的技术性概述提出的一些质疑，以及对其实施的可行性做出的一些探讨。
①、重型运载火箭设计和火星燃料生产设备可行性
首先是对于重型运载火箭设计和火星燃料生产设备可行性的探讨。
众所周知，星际航行无论怎么样想要节约大量燃料，必然要进行轨道式机动，以节约燃料。在轨道转移的过程中，对其变轨推力和速度变量推力提出了很高的要求。在大质量运载火箭的变轨过程中，其精确度要求很高；稍有偏差就会导致变轨机动失败。以往的探测器的质量不超过百吨；但是先期前往火星着陆的火星燃料设备和各种设备加在一起总质量必然超过百吨。这对变轨推力提出了一定的要求。
②、深空通讯技术可靠性
火星探测器在完成变轨之后前往火星的过程中，深空通讯是一项最关键的技术。因为，以目前现有技术而言，火星探索可以说是长距离探索，对其深空通讯技术有着很高的要求。因为，在系列过程中，所有的任务指令都要通过深空探测网络发送。所以，对其深空通讯的可靠性提出质疑。因为，现有的各种深空探测器往往都有联系中断的可能性。（2003年的日本“集鸟”号探测器也经历了长达64天的联系中断）。
③、着陆器的着陆系统
当抵达火星轨道时，着陆器的着陆系统也需要考虑。因为，如此大质量的着落要尽量采用火箭着陆，并且配合减速伞。然而，当初次接触火星时，必须充分利用火星大气进行大气制动（因为着落器内含有返程所需的液氢，如果使用气囊减震稍有不慎很容易对其液氢容器造成损失，导致任务失败。因为，当第二批设备抵达时，必须要对火星已经生产的燃料进行运用，这在时间上是不可拖延的）。
④、 最关键的是燃料生产
假设上述的问题一一可以解决，最关键的还是燃料的生产。因为，在着陆器着陆以后，首先要进行展开动作，最基本的动力、通讯要在第一时间完成；随后要进行返程燃料的生产。返程燃料的生产的化学过程在理论上很简单，但是在遥远的火星上如何开展如此高度自动化的燃料生产？这个问题很关键；因为燃料关系着火星的探索，是关键的关键。
⑤、第二次发射窗口期的载人设备发射
第二次发射窗口期的载人设备的发射，也有很多问题需要探讨。比如，在长期的星际航行中的生理心理问题，各种病变的可能性，人员人数的生理需求量，对氧气，食物，水分的需求，都需要精确的计算和备份的准备；甚至在为其2～3年内探索所需要的生活必需品的计算。这些都需要从航天医学着手进行解决。
⑥、火星的农业开发
假设，仅仅是假设，上述过程中的问题可以得到解决，那么接下来对火星探索的疑问，首先是火星的农业开发。因为，这需要在火星上建立一个很大的封闭的类温室空间，并且要有良好的通风、水分、阳光等物质能量交换。这个项目目前已经有相关的实验在开展。例如，为期500天的“火星520封闭实验”；这仅仅是初步的。
对于改造火星的关键取决于水。理论上可以通过一系列化学反应生产水，但是这不能保证相当人数的供应。所以，很有必要对其进行钻探式探索，寻找火星的地下水资源和地热能资源是关键；而如何找到水源这就是个难点了。
还有，书中关于火星地球化改造的设想，目前得知，火星的内核不如地球活跃。星球大气的逃逸速度取决星体的引力束缚，对于火星的引力能否留住大气是一个很关键的因素。因为，火星的G值小于地球，留下的只能是稍微重的气体组分，这对改造火星的空气很不利。除非你能保证火星氧气的生产量远大于逃逸量，这个具体需要多大的生产量目前不得而知。但是，这个问题很值得探讨和研究。
（未完待续）
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