星际旅行时代，我们怎么办？_风闻

太空精酿-航天学博士-2021-10-08 22:07

2021-10-08

旅行，是人类的天性。每一个大技术变革时代，总会带来交通工具的巨大更新，让人的脚步得以更快延展。航海，航空，一直到如今的航天时代，是轮船、飞机和载人飞船让人类身体从地表延伸到了太空。尤其是载人飞船和与它配套的运载火箭等技术的出现，让人类的工业文明，有了挑战地球重力的能力：从一倍重力到零重力的突破，这是个了不起的成就。

如今的大航天时代，如果有星际旅行的机会，你做好准备了么？

一、星际旅行：航天时代的奢侈未来

任何技术路径都有它固有的发展历程，受限于基础知识、工程能力、资源投入和发展战略等诸多因素，航天技术的提升也是个循序渐进的过程。例如，目前对于最为核心的运载火箭和载人飞船推进系统，人类依然只能依赖化学物质的能量，很难将其进一步突破到成熟应用原子能、电能等高效能源。即便如此，这些技术投入已然需要大量的人力、物力和资金等资源持续不断的投入，是只有大国才支撑得起的“工业文明之冠”。自从1961年4月12日苏联宇航员加加林进入太空以来，能独立进行载人航天的国家，不过苏联/俄罗斯、美国和中国而已。

因此，过去60多年来，航天科技基本在实现工程和技术能力方面的突破，延展人类的“航天科技树”。一旦通过巨大投入实现了某方面突破，由于投入产出比的失衡，反而并没有想象中的“星辰大海时代立即到来”，而是把有限的资源投入到其他研究领域，实现更多突破。1969年人类踏上月球，当时的科学家都在野心勃勃地规划载人火星探索之旅，谁能想到50多年后我们竟然还在地球上制定重返月球的规划呢？

星际旅行，意味着地月系统、乃至整个太阳系的开发已经到了一定高度，载人航天技术已经非常成熟，大型的星际旅行航天器变得稳定、高效且廉价，能允许怀有梦想的普通人也能参与。对于目前这个航天时代而言，它依然是极度奢侈的事情。

SpaceX在发展中的星际旅行飞船“星舰”（图源：SpaceX）

不过，进入21世纪以来，航天技术的发展有了一定转机，也让我们看到了未来的曙光。随着载人航天技术的日趋成熟，一批崭新的商业载人航天势力开始逐渐崛起。不同于传统“国家队”航天依赖于国家层面的政策规划和资金人力投入，以盈利为目的商业航天天然能吸引更多社会资源，也具有更高的社会关注度。由于自身属性，商业航天也拥有更强的失败容忍能力，勇于灵活运用甚至自由探索更多新的技术，最终目的是实现成熟稳定的商业模式，从最多的消费者手中赚到最多的钱。商业化的目的简单直接，却能推动整个人类航天时代的进一步发展。

商业航天的技术迭代和发展速度是惊人的。以SpaceX（太空探索科技公司）、蓝色起源、维珍银河为代表的商业航天势力，在资本市场助力下，吸引了大批的人才，获得了大量的社会关注，也自然实现了技术的快速迭代。仅在2021年7月，就有8名平民乘坐蓝色起源和维珍银河各自的首次正式载人任务，突破了象征大气层边界的“卡门线”进入太空。他们的年龄从18岁到82岁不等，既有世界首富，也有退休在家的老人，大家都能够实现一次太空之旅。

SpaceX的发展更是亮眼。火箭回收复用、空间站货运飞船、空间站载人飞船、全球星链卫星系统等一系列让人眼花缭乱的技术突破后，星舰也成为目前世界范围内航天势力的“超新星”。它不仅在能力方面是航天史上已有和在研航天器中运力最强的，还能做到全舰可复用、在轨推进剂加注、深空探测能力、可载人、地外天体着陆能力。单次载人可以达到100人，远超人类已有航天器的3-7人运载能力上限。最重要的，按照SpaceX野心勃勃的计划，未来星舰单次发射成本可以低廉到数百万美元，真正能做到星际旅行。

带有大型助推器（火箭一级）的星舰已经吊装完毕（图源：SpaceX）

如今，100多米高的星舰已经竖立在发射场进行综合测试，或许年内将进行首次入轨试验飞行。谁能想到，这距离它的首次原型机成功飞行测试仅过去了两年时间。或许，未来的星际旅行时代，真要靠这一批商业航天势力引领。

二、旅行不易：复杂的引力环境和探测窗口

离开地球引力的束缚后，星际旅行并非一个自由的世界。太阳系中的恒星和行星引力摄动环境，会轻易让你意识到人类能力的渺小。地球很大，它用强大的万有引力统治了从地表到150万千米外的日地引力平衡拉格朗日点（引力的理论影响范围是无限远），人类最辉煌的时刻也仅是踏上38万千米外的月球。而逃离地月系统后，就将是更加复杂的引力世界，既有是地球质量30多万倍的太阳引力，也有木星、土星等巨行星带来的引力摄动，甚至连太阳光照射到飞船上造成的光压，都需要详细考虑了，这会对星际旅行飞船的轨道产生很大影响。

举个最简单、也是航天领域最经典的三体问题：当三个物体在引力作用下自由移动时，它们的轨道就完全无法预测，没有准确模型能够描述，只能不断给出限定和假设，尝试通过各种数值法去逼近。这就是著名的“三体问题无解”。而实际上，太阳系内有各种天体带来挑战，例如恒星、行星、矮行星、卫星、小行星、彗星、空间碎片、星际分子云、甚至人类尚未发现的天体等，这种环境下飞船必须进行频繁的轨道修正和深空机动。

星际旅行也无法实现科幻电影中的发动机启动后便“直来直去”，真实的旅行必须依赖探测窗口期，这主要是太阳系内天体的相对位置导致的。按照天文学家开普勒总结行星运动得到的三大定律：行星距离太阳越远，运动速度就会越慢，环绕一周的距离也会越长，最终环绕太阳的轨道周期越长。以地球和火星对比为例，地球公转约365天，火星约687天，且它们的轨道均不是正圆形。这意味着地球和火星之间的距离在时刻变化，从5500万到4亿千米不等。

地球和火星的轨道周期、会合周期示意图

从地球的视角来看，每隔大约780天（约26个月）就会和火星最接近一次，叫做会合周期。从几何角度解释也容易理解：假设二者都是纯圆轨道，在780天内地球运行了2周49度角，火星运动了1周49度角。好比是操场中两个人跑步，内圈跑得比较快的那个人，套了外侧比较慢的那个人1圈，二者再次会合。如果利用这个窗口期，在二者会合发生前数月提前发射火星探测器，就会最大程度降低对运载火箭的能力要求，提高任务成功率。目前人类的火星探测基本都遵循这个原则选择发射机会。对于未来去火星的旅行航班，毫无疑问也要遵循这个规律，因为在可以预见的未来，人类尚无法有效突破化学能的限制，无法让科幻电影里的飞船成真。

同样的道理，对于探测地球的另一个邻居金星而言，会合周期约为584天，60-80年代人类探测金星浪潮期间，近40个探测任务就是遵循这个规律寻找最佳发射窗口。对于更远的旅程，情况就比较复杂了。例如，水星是距离太阳最近的行星，仅88天就围绕太阳一周。尽管它和地球之间隔着金星，却是最常和地球见面（距离更近）的邻居。理论上讲，地球与水星的会合周期为116天，可以经常探测，但实际情况并不这么简单。

水星、金星、火星与地球距离示意，大部分时间内距离地球最近的是水星

水星太靠近太阳，探测器会受到太阳引力和辐射的巨大干扰。且水星质量很小，引力主导半径也被太阳引力压缩到仅为17万千米。这对于高速冲进太阳系内部的探测器而言，直接制动刹车和被引力俘获难度极大，必须利用金星和地球的引力反复改变速度大小和方向，直到达到理想状态，整个过程持续数年。综合考虑各个天体几何关系和火箭发射能力，对水星的理想探测窗口间隔远超116天，往往数年才一次好机会。

木星和土星探测亦是如此。理论上地球和它们的会合周期较短，分别为399天（木星）和378天（土星），几乎每年都可以探测。但它们已经属于太阳系外围行星，环绕太阳平均轨道半径达到7.8亿千米（木星）和14.4亿千米（土星），这意味着探测器需要跨过漫长的太阳系空间、持续数年才能抵达。

在实际情况下，对木星和土星的探测任务很大很重，依然需要借助地球、木星甚至金星的引力助推，才能最大限度降低对火箭要求，实现既定目标。以人类史上唯一的土星环绕探测器卡西尼号为例，它在发射后第一站并非向太阳系外，而是向内飞向金星并连续进行两次金星引力助推，再连续通过地球和木星引力助推最终飞抵土星。整个飞行时间长达7年，才确保卡西尼号在抵达土星后有足够能力继续工作了13年之久，极大扩展了人类对土星的认知。

对于太阳系内更外围的天王星、海王星、冥王星和柯伊伯带天体等，那里的太阳能已经微弱到无法用来给探测器供能，导致探测和旅行的难度进一步增加。人类甚至尚没有足够能力发射能够环绕它们的探测器，而仅能从远处飞掠。即便如此，这些“惊鸿一瞥”的任务已经造价不菲。例如，人类唯一飞掠冥王星的新视野号探测器花费就超过了8亿美元，但它只探测了冥王星和一颗太阳系边缘的小天体“天涯海角”，真正有效的观测时间仅数天。

因而，尽管地球与这些外围天体的会合周期极短（略多于1年），但距离和难度成为人类现今运载火箭技术难以跨越的天堑，对它们的探测极度低频。人类进入航天时代以来，仅有1977年发射的旅行者二号飞掠了木星、土星、天王星和海王星这四大太阳系外围行星，它在飞行过程中通过木星、土星、天王星等连续引力助推才能实现目标。这意味着它必须找到这些遥远天体的最佳几何关系，完成每一步精准借力。而这种完美的几何关系，仅约165年才发生一次，成为很多人一生都无法等到的时机。

去太阳系外围行星甚至太阳系边界完成一次旅行的代价更是可想而知。人类面对强大的太阳引力桎梏，依然显得渺小脆弱。

三、星际旅客：你真的做好准备了么？

人类这种动物，从“设计之初”就是为适应地球上1G重力、1倍大气压、适宜的温度、充分的水、生物能量来源等条件而生的。然而，进入空无一物的太空之后，这所有的条件都消失了，人类需要解决每一个新出现的问题。随着人类载人航天器技术的快速进步，满足人类短期使用的水、空气、温度、食物环境已经可以实现，在通过频繁补给的情况下，也能实现长达20年的国际空间站级别生命维持系统。然而，失重环境依然难以克服，所谓科幻电影里的通过旋转或机械摆臂等方式人造重力依然是遥不可及的工程高度。失重，依然是未来星际旅行中的一大挑战。

进入太空后，首先的挑战就是空间适应综合症。由于没有重力所有东西都会漂浮，人类也不例外，这导致人类无法区分上下前后左右东西南北，前庭系统和脑部相关神经就会出现紊乱，一个表现就是无法抑制的晕车晕船般恶心感。即便能够克服这些生理反应，但大脑却会持续认为自己处于完全失控的失重状态，需要很长时间适应。

经过长期待在太空后，由于缺乏重力的影响，身体的负重大幅降低，人类身体会本能认为消耗大量能量的肌肉用处不大，进而肌肉缓慢萎缩。此外，骨骼里的重要组成物质也会不断流失。不仅如此，曾经有宇航员采访时透露进入太空后脚部会大量脱皮。没有重力和走路压迫，角质和硬质皮肤掉落并不奇怪。在地球表面时，体液在重力作用下会更多集中下身体下部，但到了太空一切都不一样，这些体液更倾向于均匀分布在全身，这种体液变化对人体的影响也会较大。尤其是对心脑血管，脑颅内的压力会增加很多。眼球的压力也会增大，视力会受到影响，味觉和嗅觉系统也会受到很大干扰。体液循环和血液循环都需要身体长期调整才能适应这个变化。

目前的载人航天任务普遍是半年为最长周期，应对这些身体挑战的方式是尽可能在太空中利用辅助器械多多运动，让身体不至于变化太快。但尽管如此，宇航员从太空返回时依然显得犹如“玻璃人”一样，骨骼脆弱、肌肉无力、循环系统需要重新适应地球环境，因此必须要被工作人员像“八抬大轿”一样抬出来。现有的航天记录是苏联宇航员Valeri Polyakov曾在一次任务中在太空待了438天，这个挑战可想而知。

载人飞船是个与地球完全不同的环境：狭小的生活空间，不可避免的噪声和振动，常年不变的“天气”，不断单调重复的每天生活，失重状态会对人的内分泌有一定影响。这些因素对于长期参与星际旅行的人类心理，也是巨大的挑战。人类，或许会不可避免地出现心理问题。这既包括个人的烦躁、孤独与抑郁，也包括人类的基本需求无法满足（比如美食美酒、家庭人伦）带来的失落感。在这种情况下，比起星际旅程带来的快乐，或许旅客们更需要对抗潜在的心理问题。

在未来的长期星际旅行中，时间周期可能远远长于地球上一次载人航天之旅。例如一次火星之旅就需要耗时约三年时间，且一旦出发就没有了“回头路”，更不可能中途放弃返程，而必须按照引力和探测窗口的束缚走完全程。期间面对的诸多挑战，都需要逐个克服。可以说，为实现这个目的，人类目前还需要很多工作要做。

人类，是地球50多亿年来孕育出的最不可思议物种。不同于其他物种只能把痕迹留在地底形成石油、煤炭和化石，人类把存在的痕迹正努力送入更广袤的太空。人类给地球创造了数以万计的人造卫星，给地球唯一的天然卫星月球也送去了几十位探测使者。在五大行星，都有人类探测的永久标记。甚至还有五个探测器，它们正飞在永远离开太阳系的旅途中。拥有冲出地球摇篮、迈入星辰大海的梦想，是人类最值得自豪的特点。