看不懂《火星救援》？不怕，最强科普贴来了！
上中学的时候,我总拿着一本《SAS生存手册》翻来覆去地看。作为一名理科生,相比书中的野外生存,更吸引我的,其实是作者的科学素养和动手能力。就像我靠在温暖的沙发上,脑海中也却想着和鲁滨逊一起面朝大海,在荒岛上建立新的家园——从无到有,一切都靠科学和双手。
雷德利·斯科特执导的新片,马特·达蒙主演的《火星救援》,满足的就是这样一种想象。
安迪·威尔
《火星救援》原著作者安迪·威尔是谁?
电影《火星救援》改编自同名小说。原著作者安迪·威尔不是职业作家,而是一名给魔兽争霸2代写过代码的程序员。
安迪·威尔是物理学家的儿子,他的童年在阿西莫夫和克拉克的科幻小说中度过。我相信被黄金时代的科幻所熏陶的童年给了他硬科幻的写作功底。
为了给“如何在火星上生存?”一个令人信服的答案,威尔开始写作《火星救援》。本书的创作过程就是GEEK精神的胜利史:他自学了大量的航天知识,小说中的每一个日期,都源自他本人的精确计算。
2009年,威尔开始在自己的网站上连载,很快聚起来一批死忠读者,这些读者都是对科学细节极其挑剔的家伙,每当有科学错误都会被挑出来修改。而后的2011年,这本“众筹写作”的小说在粉丝的强烈要求下,在亚马逊以0.99刀的最低价出版。估计作者自己都没想到,原本只有nerd粉丝的作品居然很快登上了科幻类作品的榜首,不到三个月卖出了35000本,比他之前网站上免费下载的次数还多!
2013年,小说的版权被皇冠出版社以超过十万美元的价格买走,最终被导演雷德利·斯科特看中,而今年《火星救援》上映,立刻成为话题制作,票房口碑两丰收——在我看来,这就是GEEK精神的胜利史!
在外星球求生这回事儿,听起来像是天方夜谭。但原著作者是个较真的人:即使真的不可能,我也要知道详尽的原因。本着科学的精神,我们来看看马特·达蒙若想在火星生存,究竟会遇到哪些困难。
Mark在风暴中被击中,倒在沙堆里
一、被刺穿宇航服的马特·达蒙Mark如何能在风暴中活下来?
首先,Mark为什么能在风暴中活下来?虽然,他的宇航服被刺穿,但伤口中渗出的血液及时凝结堵住了创口——且慢,仅仅靠着血液凝结就可以隔开宇航服内外的压力差吗?
给自己清理伤口
火星大气的密度很低,“海平面”气压大约只有地球的0.6%,而宇航服内的气压呢?目前,看似厚重的舱外宇航服并不能在其内部维持1个大气压的环境,而是只有32.4千帕,也就是约0.3个大气压:这倒是让封堵创口的血块压力小了很多。
在相当于珠峰顶端的气压下,宇航员依然可以呼吸自如,原因在于呼吸的几乎是纯氧——虽然气体稀薄,但氧气的密度并不比空气中低。在这32.4千帕的气压里,氧气贡献了20.7千帕,这就是所谓氧气的“分压”,通常用来衡量各种呼吸气体中氧气的有效浓度。
这样看来,我们的主角并不会因为“漏气”而死,这的确是符合逻辑的。不过假如他没有及时苏醒,在氧气耗尽之前,也可能因为氧气中毒而彻底失去知觉——这话听起来怎么自相矛盾?
原来,宇航服呼吸系统的一个主要作用就是去除呼出的二氧化碳,Mark 晕倒这么久,吸收二氧化碳的化学制剂早已饱和,为了防止二氧化碳中毒,宇航服开始主动排气,并用备用的氮气填充进来保持气压。当氮气也不够用的时候,只好加入过量的氧气。如果氧分压超过45千帕,中枢神经,视网膜,肺部就很容易受损。
不过,如果火星宇航服的气压和目前的舱外宇航服一致的话,Mark活下来的概率还是很大的。
Mark在标记自己在火星度过的天数
二、从地球到火星需要多久?为什么Mark的第一反应是要等待四年?
清醒之后,Mark就得考虑自己到底能不能撑到NASA来救他的那一天。从地球发射火箭到火星,最基本的思路就是找到一条连接地球和火星的椭圆轨道。
图1:最简单的地球-火星轨道示意图
图1中蓝色的轨道就是航天器最常用的变轨方式——霍曼转移轨道。 不难看出,走这条轨道所花时间刚好就是这条椭圆轨道周期的一半,而轨道周期只和椭圆的半长轴有关。
因为这条轨道的半长轴介于地球和火星之间,而一火星年等于1.88地球年,所以从地球到火星至少需要大半年的时间。也许有人觉得这条轨道显然距离太长,为什么不选择短一些,譬如那条红色的轨道。这条红色轨道实际上是一个大得多的椭圆轨道的一部分,为了进入这条轨道就需要大量的能量,而人类目前的火箭技术还不足以支持这样的飞行,而且,为了从这条轨道登陆火星,必须进行减速,减速所消耗的推进剂不会比发射时少多少,这都是技术达不到的。
实际上,以人类目前的航天水平,直接走蓝色轨道都很困难,目前的大多数载人火星计划都需要空间站进行物资中继,所以刚开始,Mark根本没去想NASA会专门发射飞船去救他,而是静静的等待四年后的下一个火星任务。
在火星种土豆
三、怎么做才能在火星上能种出土豆?
既然决心活下去,那么生存三要素,空气,水,和食物必须得全部搞定。Mark所在的火星“基地”本是给6名宇航员执行31个火星日(Sol=Martian Solar day, 火星上太阳起落的平均间隔。等于24小时39分35.244秒,和地球的一天很是接近)的任务设计的,此前任务已经执行了6天,剩下的食物足够他撑过300天。
饮用水和空气倒是容易解决,基地里的制氧机(可以分解二氧化碳)和净水机只需要有足够的电力就可以正常工作,万里无云的火星很愿意配合。看来最大的问题莫过于食物了:Mark 必须在小小的火星基地里建立一个可以支撑数年的小生态系统,从而完成食物和排泄物之间的循环。
Mark最终选择了土豆,这个决定我倒一点都不意外,除了美帝人民实在是喜欢吃土豆之外,土豆也是地球上亩产淀粉最高的作物,并且比较适合温度较低的环境里生长,考虑到火星温度比地球要低,这也降低了这个温室的负担。至于火星的土壤,成分和地球其实是比较接近的:
图2. 火星土壤成分
1、火星上的土壤如何处理能够种土豆?
图2是勇气号、机遇号和好奇号所测量到的土星土壤成分,有足够的钠,镁,铝,磷,钙,铁,只是缺乏氮,而这正是人类粪便中的丰富成分。当然,除了粪便,作为植物学家的Mark还带了加入了一些提供根际微生物的地球土壤。有粪便中的有机物提供营养,这些微生物繁殖的不错,要不也不会把Mark熏成那样:原本脱水杀菌之后的粪便可不会那么臭。很快Mark便有了一大片可供种植的“合成”土壤。
土豆秧已经长出来了
2、Mark如何解决灌溉问题?
现在他需要解决第二个问题:灌溉。土豆产量虽高,但需要的灌溉量也十分惊人,单单靠着基地原本的水循环是远远不够的(净水机只能把已有的水再利用)。Mark必须自己生产水,而不是只靠净水机做水的搬运工。他想起了火星登陆飞船的着陆部分,那里面,有着大量的单组份火箭推进剂——联氨。
原本这种燃料会被泵入燃烧室,在网格状铱催化剂的作用下放热分解成氮气和氢气产生推力。而火星大气的主要成分则是二氧化碳,只要有电,制氧机就可以提供足量的氧气。现在,Mark只需要拆下催化剂,让联氨一点点分解(片中是滴上去),然后在一个足够长的“烟囱”里上升,利用密度差分离氢气和氮气,在出口处点燃就可以获得稳定的火苗。
马上就要爆炸
3、电影中生产水的时候为何会产生小爆炸?
大家也许还记得片中出现的小爆炸,片中没有做详细解释,原著里倒是提到由于居住舱本身的氧气调节机制让Mark的氢气没有燃烧完全,为了处理这些危险的氢气,Mark“黑”掉了基地的空气调节器,让它把所有氧气都储存起来,然后用氧气瓶里的纯氧一点点把多出的氢气烧掉。结果因为Mark图省事只是带了氧气面罩,自己呼出的气体中残余的氧气与氢气混合发生了爆炸——仅仅靠着科学推理,就可以呈现出如此戏剧性的情节。
四、带有放射性的电池做取暖用,对人体的危害性多大?
然后,Mark开始开着火星车在地面上漫游了起来。这当然不只是为了观光,解决了温饱问题的他需要想办法和地球联系。为了提高火星车的航程,他关掉了火星车的加热系统,然后从土里吊起了一个奇怪的柱子用来取暖。片中也提到了,这是一种含有钚元素的核电池。
图3. 卡西尼-惠更斯探测器上的RTG
全称是放射性同位素热电机(Radioisotope Thermoelectric Generator,缩写RTG,影片中也提到了这个缩写),利用放射性衰变的热量进行温差发电,通常使用的同位素就是钚238。这种电池通常呈柱状结构,中央是放射性元素热源,中间是温差发电的电极,最外层则是散热片。
从基本原理看,RTG要比核反应堆安全的多。首先内部不存在可能会失控的链式反应,而是速率稳定,不受环境影响的自发衰变;其次发电过程不依靠任何活动部件,也不存在高压,用流行术语的话,这货是“固态发电”。此外还有额外的安全措施:每一块“燃料”都有单独的外壳,燃料本身也是非常稳定不易融化的陶瓷物质(通常是二氧化钚),固定“燃料”的内部壳体也是耐腐蚀耐辐射材料——只要Mark不把它砸开,就几乎没有泄露的可能。
当然要真是泄露的话,Mark可有好受的,钚238是放射性最强的钚同位素,虽然毒性没有传说中的那么高(关于钚的毒性有很多版本,能毒死全部人类的剂量从几克到一磅不等,均不可信) ,吸入几百微克就足以引发癌症,数毫克就可能致死。就算泄露时Mark正好穿着宇航服,衰变时的大量中子也可以轻易穿透防辐射层抵达人体,接下来就是白血病以及各种癌症并发症。
二氧化钚
二氧化钚,红热状态来自自身的衰变热。金属钚238衰变热高达每千克560瓦,虽然RTG的发电效率不怎么样,暖暖身子倒是挺合格。
五、探路者号火星探测器到底有什么用处?
Mark出远门的主要目的,就是为了找到1996年发射的火星探测器——探路者号。(Pathfinder)
图4 电影中Mark的路线以及主要地点
探路者号于1997年7月4日到达火星,着陆地点距离Mark的基地大约800公里。由于火星大气主要成分是二氧化碳,几乎没有水和氧气,因此在火星表面暴露几十年之久的探测器并不会因为化学腐蚀而出毛病,主要需要担心的就是长期暴露在太空辐射下可能导致的电子器件失灵,不过大多数航天器都有相当好的防辐射措施,所以让探路者号恢复工作的成功率还是很高的。
在Mark让探路者号起死回生之后,便可以通过上面的摄像机向地球直接传送信息,但是NASA却无法直接回应,毕竟在设计探测器的时候没人会想着这玩意儿有一天居然会被用来Facetime。
最终Mark和NASA约定用16进制的ASCII编码来传递信息。熟悉计算机的读者都知道,美国信息交换标准代码(American Standard Code for Information Interchange)利用两位16进制数,最多可以表示256个字符(实际只定义了128个),用来显示所有字母和阿拉伯数字绰绰有余。
影片中NASA只需要控制探路者的360度摄像头指向16个不同的方向就可以向Mark发送信息。此后,Mark在NASA的帮助下“黑”进了探路者,成功实现了信息的双向传递。据NASA介绍,探路者上的确有相应的接口可供Mark连接电脑进行操作。
图5 . 1996年,位于喷气推进实验室(JPL)的探路者号探测器,其中离我们最近的太阳能板上是旅居者号探测小车,电影中也有展示。
基地全貌
六、过渡仓为何会发生爆炸?
就在看起来一切顺利的时候,Mark的火星温室却发生了爆炸。究其原因,原著中也有提及。在常压的室内和几乎真空的室外之间,需要有一个过渡舱段——减压舱。每次出门时,这个舱室的气压会从一个大气压降到0.06个大气压,每次返回时又会升到1个大气压,而连接舱室和减压舱,并且保证气密的,通常是柔性材料,譬如涂布了高分子聚合物的碳纤维布。
片中这些材料的使用时间显然远远超出预计,由于事先遭遇了强风,再加上不断进出时导致的压强变化,超过了碳纤维布的疲劳极限(譬如原本粘合在一起的多层碳纤维出现了脱胶),最终支撑不住导致爆炸。如果减压舱的横截面积在2平米左右,那么爆炸瞬间可以产生超过20吨的推力,的确可以把Mark和减压舱一起抛出好远。
NASA和中国宇航局合作
七、“出事靠中国”的思路是如何产生并且发挥作用的?
由于Mark的农产不复存在,NASA必须进行一次紧急发射提供足量的食物,然而此时距离Mark彻底断粮还有四百多天,而地球到火星“只”需要9个月,为何如此时间反而如此紧迫?别忘了地球和火星处于不同的轨道,相对位置一直在变化,此时火星已经偏离理想位置太远,简单的霍曼转移轨道无法让货运飞船和火星交汇。这枚火箭可能需要到达能量更高的轨道,并且在这条轨道上运行将近一个周期才能到达火星,这本身就需要大约400天——所以NASA才必须争分夺秒准备这艘补给飞船。
天体物理学家在演示方案
只可惜这次任务失败了,电影中,一位黑人天体物理学家想到了补救的方案——利用地球引力改变Hermes空间站的轨道,让它重回火星救回Mark Watney。在这个方案中,Hermes都只是飞过地球和火星,在这两次短暂的“相会”中,NASA必须把足够的给养送到Hermes上,然后让Mark有能力挣脱火星引力的束缚接近Hermes。即使是看似简单的第一个任务,也需要推力强大的火箭才能完成,因为此时Hermes相对地球的速度非常的快,火箭除了能挣脱地球引力,还需要加速到足够追上Hermes才可以。影片采取了近年来好莱坞常用的“太空出事靠中国”的思路,借用了强大的“太阳神”推进器把给养送达了Hermes。
Hermes轨道
Hermes的轨道,绿色是任务开始时从地球到火星的轨道,黄色是第一次离开火星的轨道,它在星号处开始变轨,在数字3处利用地球引力大幅改变轨道,在4处飞越火星,救回Mark。
电影中的Hermes和通常的火箭不同,使用了等离子推进器。这种推进器的特点是效率极高,比通常的化学火箭高出近两个量级,因而很适合长期的太空任务。然而这种火箭的推力也非常的小,在大多数时候,Hermes的速度每秒钟只能增加2mm/s。这也导致Hermes的变轨需要长时间的积累,计算它的轨道也会比普通的火箭困难。普通的化学火箭发动机工作时间只有几十到几百秒,相对整个任务来说几乎是一瞬间,每次变轨可以看成是被“踹了一脚”,之后就只需要考虑引力影响,而计算Hermes的轨道则需要考虑等离子引擎推力的积累效应,从解析角度看,方程会复杂很多,不过对于现代计算机依然是小菜一碟,片中的想出变轨方案的工程师Rich Purnell不得不偷偷利用超级计算机来推算轨道,是过于夸张了。
原作者倒是在自己的网站上给出了完整的轨道计算程序(包含源代码),感兴趣的读者可以自己去试试:
http://galactanet.com/martian/
NASA
八、Mark为何可以坐敞篷车飞向太空?最后的太空拦截如何成功?
现在Mark所要做的,就是前进3000公里,到达计划中的战神4号着陆点,利用已经预先着陆的“火星发射载具”(Mars Ascent Vehicle, MAV)脱离火星,与Herme会和。为了完成这段长途跋涉,Mark需要把制氧机和净水机安装到火星车上,为此他必须给火星车“扩容”——在车顶开一个大洞,然后用多余的帐篷密封起来,做成一个鼓包。
这里有必要提一下片中所提的战神任务流程:在宇航员到达火星之前,会有一系列的无人任务向火星投送给养,其中一个关键物资就是火星发射载具。这个精致的小飞船为了节省重量,只携带了液氢作为制造燃料的原料(我猜测最有可能的原理是利用萨巴捷反应把氢气和二氧化碳变成甲烷和水),而用作氧化剂的液氧则利用制氧机分解二氧化碳获得,整个过程大约需要24个月,因此它差不多是每次任务中最早到达火星的。在Mark最终到达战神4号着陆点的时候,它已经制造了一年半的燃料,再加上Mark电解水甚至尿液获得的液氢液氧,火星发射载具的的燃料应当是充足的。
不过,MAV原本只是为了离开火星表面,到达比较低的轨道高度,然后Hermes也会减速进入火星轨道,最终完成对接。然而,这次Hermes由于轨道受限,只能高速飞越火星,MAV需要以更高的速度到达更高的轨道来和Hermes会和,为此,Mark必须尽可能的为MAV减重,于是我们看到了电影中的一番大扫除:五个座椅,操作设备,挡风玻璃,备用燃料泵等到都被拆掉。
这一番大动作,MAV减重大约40%,这意味着起飞时的加速度会比通常的8到9倍重力加速度要高,达到12倍!即使是受过抗过载训练的人,也可能会失去意识。虽然电影中有句台词叫“Space never cooperates”,不过火星的两大特性在这里可帮了大忙:火星大气的密度大约只有地球的1%,也就是说为了达到同样的“风力”,火星的风速得是地球的100倍,即使MAV加速到数千米每秒,也就相当于在高速上开窗而已,于是可以让MAV不考虑外形是否流线而被改造成敞篷车,Mark自然也可以耐受住迎面而来的风力;只有地球三分之一的重力让MAV只需要单级火箭+减重就可以脱离火星轨道,要知道在地球上,即使只是进入高度最低的近地轨道,单级火箭也几乎是不可能办到的(除非有效载荷极小)。
最终,由于“敞篷”在起飞过程中脱落导致阻力增加,Mark没能达到预定高度,Hermes必须进行机动才能到达相应位置。在太空航行中,限于人类目前的推进技术,位置永远和速度息息相关,为了和Mark对接,变轨后的Hermes与Mark的相对速度会超过40米每秒,必须用非常手段进行减速。单靠舱外宇航服的动力无法完成这种规模的加速,这意味着整个Hermes的速度都需要降低大约30米每秒。
全体成员
电影给出的疯狂想法我非常喜欢:既把情节推向高潮,也有足够的科学依据:炸开Hermes前进方向上的某个舱门,舱内的空气会以数百米每秒的速度喷出,如果还能带出一些杂物,算上舱门爆炸时的反冲,的确有可能产生每秒十米量级的速度变化,从而让Hermes上的宇航员安全“捕获”我们的主角。
宇航员在火星的风暴中前行
说了这么多,还是得提一下电影最大的科学“硬伤”——开头风速接近每小时300千米的风暴(有记录的台风最大持续风速大约是315km/h),只可惜这样的火星风暴相当于地球上时速几千米的微风。作者本人也知道这一点,他原本安排了一个MAV发动机实验事故的开头,后来觉得《火星救援》既然是一个人挑战自然的故事,用自然灾害作为起因显然才够酷。
用科学推理创造困难,再用科学实验解决困难,《火星救援》堪称“硬科学”电影的典范。如果想了解更多细节,强烈推荐阅读原著,绝对称得上是一本详尽的火星生存手册,其中的幽默感相比电影更是有过之而无不及。