殖民火星的逻辑与必要性

关于殖民火星，一些人认为其实现难度巨大，有生之年难以看到；另一些人则将其视为一项宏大叙事，短期内能否实现并不重要，关键在于其远大的野心和浪漫情怀，能吸引全球目光和人才。埃隆·马斯克（Elon Musk）在星舰基地（Starbase）的一次讲话中，明确表达了他实现火星殖民的坚定决心，将其列为人生的重要目标。他指出，如果物理学是正确的，宇宙存在约138亿年，地球约45亿年，而地球文明的正确测量时间应从文字出现算起，最早可追溯到5500年前苏美尔人（Sumerians: 创造楔形文字的古老文明）创造楔形文字之时。若将宇宙的138亿年想象成一年，地球诞生于9月，生命出现于10月，而人类文明仅存在于12月31日晚上的最后几秒钟。

与整个宇宙的进程和历史相比，人类文明极其短暂和罕见，并很有可能因自然灾害或战争而转瞬即逝。因此，殖民火星是为了分散风险，延续人类文明，这并非一件讲情怀的事，而是一件讲逻辑的事。这或许也能解释为何我们未能发现外星人的存在，即著名的费米悖论（Fermi Paradox: 宇宙巨大，外星文明概率高，但为何未发现其存在的矛盾）。埃隆·马斯克表示，他常被问及此问题，并强调以他的级别，若美国曾发现外星人，他一定会知晓。然而，他从未听说过任何确凿证据能证明外星人的存在。地球上未曾有过外星人的造访，地球以外也未曾发现，很可能就是因为他们的文明太过短暂。如果文明足够长久，就有可能克服时间和空间障碍来找到我们。最可惜的是，当文明消失后，时间会抹去大量痕迹，仿佛它们从未存在过。

为何选择火星：宜居性与对比

那么，为何一定要选择火星呢？美国国家航空航天局（NASA）前副局长纽曼（Newman）曾在一个TED演讲中提到，根据目前已知的探索结果，35亿年前火星上大概率存在过生命，至少曾有一段时间适合碳基生命的存在。他非常有信心，我们会在火星上找到相关化石，帮助我们了解火星上曾经发生过什么。因此，如果寻找迁徙地，火星在有限的选择中算是一个不错的选择，具有改造的可能性。

火星的温差很大，最冷可达零下125摄氏度左右，但最温暖的地方可达20摄氏度以上。火星一天约25小时，一年约687天，重力是地球的38%，感觉是一个很舒服的重力强度。相比太阳系中其他星球，金星太热，表面462摄氏度根本无法触及；水星离太阳太近，气候极端，昼夜温差可达600摄氏度，大气稀薄，磁场微弱，因此辐射强烈；木星、土星、天王星、海王星是气体星球，没有立足之地，也无法前往。月球是地球的卫星，离我们太近，地球若发生变故，月球很容易受到牵连，所以只适合作为跳板和实验场地。

火星之旅：运载工具与轨道策略

然而，前往火星并非易事。人类目前去过最远的地方仅是月球，经验非常有限。不过，前往火星的规划早已存在，许多公开资料，包括NASA官网都有详细说明。想要前往火星，首先需要运载工具，目前可能性最大的就是SpaceX的星舰（Starship: SpaceX公司开发的可重复使用超重型运载火箭），不仅因为它载荷量大，能将足够的物资和人员送往火星，也因为星舰的设计是上下两级都可回收，从而控制成本。

但仅有运载火箭还不够，还有许多其他难题需要解决。首先是如何前往。在地面上，若想去一个点，最简单的方法是直线前进。但前往火星则不同，太阳系中所有行星都被太阳引力牵引着围绕太阳公转，星舰也会被太阳或其他行星的引力场捕获，不停地围绕某个星球做轨道运动。如果硬要以最短距离直线前往火星，星舰就需要携带巨量燃料来抵抗这些引力，这在现实中是做不到的。

现实中，科学家们主要考虑的是如何以最小的燃料用量，让航天器抵达目的地。这个思路符合当前的航天技术，更主要的是要将星舰的载荷空间留给火星所需的物资，而非燃料。由于火星比地球离太阳更远，其公转速度比地球慢。我们需要等到火星和地球运行到太阳的同一侧，并且火星稍微领先地球一个特定的角度（大约44度左右）时，将星舰发射升空。然后星舰会行驶大约半个椭圆轨迹后，与火星相遇。这个特殊的轨道也叫做霍曼转移轨道（Hohmann Transfer Orbit: 一种燃料效率最高的行星际飞行轨道）。霍曼转移轨道并非距离最短、速度最快的方案，但它是Delta V（Delta V: 衡量航天器变轨所需速度变化的单位，即航天器加速、减速、升轨或降轨所需的推进器能量）总量最小，也是最省燃料的方案。火星和地球之间这种特殊的几何关系，每26个月才会出现一次，每次持续约20到30天。这段时间被称为火星窗口期（Launch Window: 行星间任务发射的最佳时间段）。在窗口期出发，星舰需要至少6个月才能与火星相遇。

轨道加注：星舰飞行的关键挑战

即使使用最少的燃料，星舰也需要在飞往火星之前进行好几次的在轨燃料加注。这个画面我们有望在明年看到。例如，如果顺利的话，在2026年的窗口期，SpaceX计划先发射5枚星舰前往火星。届时，位于星舰基地（Starbase）的两个发射塔会交替工作。这个过程将是：星舰A带着前往火星的有效载荷先发射升空，其二级会被发送到地球的近地轨道，并在那里等待。为了减轻助推器的压力，星舰A二级上的推进器用量很少，仅够上轨道，因为要将载荷空间留给前往火星的物资。星舰A的助推器发射后会在7分钟内返回原位，然后加燃料准备第二次飞行。同时，另一个发射塔会发射星舰B，进入轨道并与星舰A汇合。星舰B的二级上将全部是燃料，大约80%的液氧和20%的液态甲烷。

那么需要加注多少次呢？埃隆·马斯克之前曾说，一枚星舰在飞往火星之前，需要进行大约8次的轨道加注才能将燃料箱加满。他当时主要指的是一代和二代星舰。到了三代和四代，它们的近地轨道载荷量和二级推进剂总量都在增加。例如，到了三代，其近地轨道载荷量超过100吨，二级推进剂总量可达1600吨。这样计算，也至少需要10次才能加满。

然而，NASA估算的加注次数更多，几乎翻了一倍。NASA主要考虑到了推进剂沸腾的问题。液氧和液态甲烷都是超低温状态，在轨道上很容易受到来自地球、月球和太阳的热辐射干扰。推进剂一旦受热就会膨胀气化，燃料罐为了防止压力过大，就会开始向外排放气体，这相当于将推进剂挥发掉了。星舰在轨时间越长，挥发损失就越大。如果星舰前往火星的成功率与推进剂在轨补给的次数直接相关，那么补给次数越多，成功率就越低，各种潜在风险也就增大了。如果SpaceX只能保证98%的发射和推进剂转移成功率，那么一项需要15到20次在轨加注任务，成功率就只有74%到67%。在轨加注是航天史上的第一次，我们很期待明年看到SpaceX如何提升其热管理系统和轨道加注的效率。

深空辐射：致命的隐形威胁

如果在轨加注都成功了，星舰顺利踏上前往火星的旅程，接下来就是辐射的伤害。这是一个感觉被探讨较少，但却非常致命的问题。只要一飞出地球大气层，就开始暴露在各种辐射环境下。最先遇到的是紫外线，它能加速航天器材料老化，影响传感器和太阳能电池板等。但紫外线属于非电离辐射，穿透力不强，不太影响航天器内部。

当航天器继续向外飞，离开了近地轨道，飞到离地表大约1000公里到至少6万公里的范围内，就开始进入范艾伦辐射带（Van Allen Radiation Belts: 地球磁场捕获的高能带电粒子区域）。从这里开始的辐射就是电离辐射了，具有很强的穿透性，可以影响到航天器内部，理论上就可以开始影响到宇航员。范艾伦辐射带实际上是地球磁场为了保护我们而偏转和捕获来自太阳甚至太阳系以外的高能带电粒子所形成的。因此，我们在地球上不会受到来自太阳和宇宙的高强度辐射伤害，但这些被捕获的高能粒子并未消失，它们只是被挟持住，困在地球轨道上，形成了范艾伦辐射带。航天器只要想飞离地球，进入宇宙深空，就一定会穿过范艾伦辐射带。只不过有的地方辐射更强，有的地方相对更弱。

有些人质疑美国当年的登月是假的，其中一个原因就是认为宇航员不可能顺利通过范艾伦辐射带。但NASA和其他科学解释是，辐射虽然强，但我们可以避开最强的区域。例如，50多年前阿波罗号穿越时，就是避开了内外两个辐射带最核心的位置，且停留时间不长，所以宇航员受到的辐射影响不大，在安全值以内。

星舰如果继续飞向深空，离开了地球磁场保护之后，就会完全暴露在太阳和整个宇宙的辐射下了。这里的辐射主要分两类：一是太阳风暴（Solar Storm: 包括太阳耀斑和日冕物质抛射），二是银河宇宙射线（Galactic Cosmic Rays, GCRs: 来自银河系外的高能粒子辐射）。这些辐射对人体的伤害更大。太阳上的活动很复杂，充满了随机性。星舰在太空中漂浮的时间又很长，从离开地球去火星，直到等到下一个窗口期再回来，中间差不多有两年半，那遇到一次太阳风暴的概率就比较大了。

太阳风暴爆发时，会释放大量高能粒子流，对宇航员和航天器造成急性的辐射损伤。如果可以被预测到，航天器就可以换一个方向主动避开。如果无法预测来不及准备，就需要航天器内部有坚固的屏蔽层来应对突发情况。如果是太阳耀斑（Solar Flare: 太阳表面突然爆发的强烈辐射），即太阳表面的突然闪光和爆炸，其速度很快，航天器大概只有几分钟的准备时间，具体取决于其位置。但如果是日冕物质抛射（Coronal Mass Ejection, CME: 太阳向外抛射大量等离子体和磁场），其传播速度会相对慢一些，航天器可以有更多时间准备。1972年8月就发生了一次异常强大的太阳风暴，甚至扰乱了地球上的电力和通讯网络。幸运的是，这次太阳风暴刚好发生在阿波罗16号和17号任务之间。但如果那时正在执行登月任务，特别是宇航员在进行舱外活动的话，他们就很难再回来了。

相比之下，银河宇宙射线带来的危害是持续存在的，而且比太阳风暴更加恶劣。它的特点是能量高，穿透性强，能直接损害人体中枢神经和DNA。银河宇宙射线不可能完全屏蔽，所以它也算是人类在深空探索中最棘手的问题。我们只能最大程度地控制它带来的伤害，例如可以在航天器周围创造一个微型的人造磁场，来模仿地球磁场起到的保护作用。

火星着陆：任务中最危险的环节

快要抵达火星时，另一个难点就是着陆，这也是整个任务中最危险的一个环节。当然，这并非人类第一次发射航天器着陆到火星上，之前已经有多次成功的火星探测器着陆经验。但探测器要小得多，它们甚至可以用降落伞减速，而星舰这种体格则是第一次，难度不在一个数量级。简单来说，星舰着陆到火星表面比着陆到地球表面更难。这个难点主要体现在着陆火星时的终端速度（Terminal Velocity: 物体在流体中自由落体时所能达到的最大稳定速度）更快。即星舰不点火，全靠空气刹车，最终能稳定下来的速度，其终端速度估算在地球的5倍左右。

实际上，星舰载入火星大气层的速度要比载入地球大气层的速度慢。前者大约每秒6到8公里，后者大约每秒7.8到11公里。载入大气层的速度是由航天器运行的轨道和目标行星的引力共同决定的。但问题是，火星上的大气非常稀薄，大气密度大约只有地球的1%到2%。星舰返回地球，速度虽然快，但可以利用大气减速；但去火星则不同，火星上的重力虽然小，但大气密度减少得更多，刹车的作用非常小。所以航天器降落到火星表面的终端速度就更快。

星舰需要在超音速状态下就点火减速，一直减到接近零，然后最后稳稳地用腿站在火星陆地上才算成功。这就需要星舰有更多的燃料储备，更严格的推进剂和姿态机动管理。火星表面的环境也更复杂、更苛刻，有低温、大风、更厚的尘土，这都有可能干扰传感器与发动机的性能。更难的因素还包括整个降落过程需要星舰完全自主完成。因为火星和地球之间的通讯有延迟，从现阶段技术来说，单程大约是3到22分钟，取决于当时地球与火星之间的具体距离。也就是说，当我们看到星舰快要撞上去的时候，它其实早就已经撞了，或者说平安着陆了。所以这一过程完全依赖星舰的自主导航和决策系统，每个动作都要提前预设，没有犯错的余地。而现在想好的这些计划是否真的行得通，需要真实的尝试才可以。星舰很有可能在成功之前会经历多次失败，而且如果这一次实验失败了，要再等两年半才会有下一次机会。

其他未解难题与未来展望

今天说的这些难点，其实只是星舰登陆火星这个过程中的一部分。还有一些，比如说像长期重力缺失的问题。人造重力（Artificial Gravity: 通过旋转等方式模拟重力）这一块，现在有些公司已经在研究了。例如之前跟大家聊过的Vast（Vast: 一家研究人造重力的公司），他们的研究方向就是让航天器不停地旋转，制造向心力来模拟地球的重力。再就是宇航员长期在深空中的心理问题，但这是之后载人时需要思考的。星舰的首次登陆火星肯定不会载人，但是会搭载OptiM机器人（OptiM Robots: SpaceX计划搭载到火星的机器人）。如果顺利的话，SpaceX会尝试部署火星星链（Mars Starlink: SpaceX计划在火星部署的通讯卫星网络）来解决通讯问题。