航天员到达火星,对火星进行探索、开发和改造,要有一个落脚之地,这就是火星基地。基地有大有小,开始时比较小,结构和设施都比较简单,称为临时基地,或称火星前哨站。后来随着到火星上来的人越来越多,对火星开发的规模越来越大,基地结构从简单变得复杂,基地设施从不完善到完善,最后发展成为永久基地,甚至火星移民区。因此人类对火星的开发和利用的过程,其实就是火星基地的发展和壮大的过程。
火星基地的种类
火星基地分为三种：临时基地、长期基地和永久基地。所谓临时基地就是能保证少数航天员(6至几十人)在基地内作短期停留(几个月),基地的物资供应,特别是生活必需品的供应完全依靠地球,航天员在火星上的生产建设和科学考察活动受到一定程度的限制；所谓长期基地就是能保证较多的航天员(数十人至数百人)在基地内作较长时间的停留(几年),基地的物资供应一部分来自地球,一部分靠基地自己加工生产,航天员在火星上的生产建设和科学考察活动与临时基地相比有很大提高；所谓永久基地就是能保证大批的火星移民在基地内作永久性停留。移民的人数在开始时是几百人,到后来可能达到几万人或十几万人。基地的生活必需品的供应是自给自足,完全靠基地自己加工生产,基本不需要来自地球的补充供应。基地可提供移民一切生活必需品和进行生产活动所需的各种条件和设备。
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火星临时基地的组成
在临时性火星基地开始建设之前,或者说在人上去之前,应先发射一颗卫星到火星轨道上,任务是负责火星基地与地球之间的通信联络,同时还可给火星着陆飞船和火星车导航。一旦基地的地址选定之后,就应该将临时基地的设备陆续运送到基地上,其中主要是食品、水、氧气、出舱活动航天服、核电站、环控生保系统、防辐射屏蔽、返回地球飞行器、实验设备和充气式居住舱等。
航天员长途跋涉来到火星以后,要做的头一件事就是完成临时性火星基地的建设,使它适合于航天员在里面工作和生活。
临时性火星基地由七个分系统组成：火星实验舱、火星居住舱、环控生保系统、火星资源利用设备、表面机动系统(即漫游车)、舱外机动系统和电力系统。除舱外机动系统外,临时性火星基地的所有系统都是用无人飞船发射到火星,着陆在火星表面,然后自动展开、安装和调试,自动开展工作,一直到航天员完成火星探测任务后离开火星返回地球。因此在设计临时性火星基地时,要求具有高度的自主性,即不需要人的干预即能自行展开和工作。当然如果发生故障,还是需要航天员去检查和修理。
火星实验舱和火星居住舱
火星实验舱和火星居住舱是属于两个分系统,但因为这两个分系统结构基本一样,而且又是连在一起使用,形成一个整体,因此就一起进行介绍。
火星实验舱其实就是一个可供航天员在里面工作和进行科学实验的加压舱,呈圆筒形,直径7.5米,总长度7.5米。为了便于工作,火星实验舱是垂直放置。火星实验舱分为上下两层：下层是贮藏室,上层是实验室。下层主要贮藏一些不易变质的消耗品。这些消耗品是随同实验舱一起从地球运来。当航天员进驻基地以后,消耗品逐渐被消耗,下层会腾出许多空间,这些空间可以作温室,种植蔬菜和瓜果等。
火星实验舱的内部设施跟飞船居住舱的基本相同,两者都有舷窗、舱门、对接装置、配电系统、环控生保系统、通信系统、防宇宙辐射的装置、航天员出舱用的气闸舱和进出通道等。但火星实验舱主要是提供科学研究和实验用的场所,因此没有航天员的生活设施,但有一个小型的废物处理装置。
当飞船居住舱到达火星表面以后,其功能变成了火星航天员的居住设施,因此更名为火星居住舱。当火星实验舱与火星居住舱连接以后,前者供航天员工作,后者供航天员生活。两个舱的内部设施都是一样的,似乎显得重复。其实这种重复是必要的,其中一个在运行,另一个则作为备份。万一有一个出现故障,另一个即可替换。这两个舱是航天员在火星表面工作和生活的基础,而且要连续运行600天,如果出现故障,危及到航天员的生命安全,将没有其它补救办法。
当火星实验舱在火星表面着陆后,由火星表面着陆器移动到预定的地点,与核电站相连,以便供电。通电以后,舱内的系统和设备自动开始运行。如果火星实验舱和临时基地上的其它系统都能正常工作,并经测试合格,第一批航天员才能从地球上起飞。
环控生保系统
火星基地不能依靠来自地球的补充供应,无论是氧气、水或食物都要靠自己解决。利用火星上的资源就地生产氧气和水,在临时性火星基地上的一个有利条件,就是火星资源利用设备。火星资源利用设备主要是利用火星大气中的二氧化碳生产推进剂(氧气和甲烷),供火星上升飞行器使用。而水和呼吸用氧气是推进剂生产过程中的副产品。另外,在火星上已经发现有大量的水,虽然这种水不一定像地球上的一样,成液体和游离状态,但提取和利用已十分方便。
环控生保系统对航天员的生命安全是太重要了,特别是其中的氧气和水,是人体须臾不可缺的东西,因此按设计要求必须有三重备份。也就是说,当两个系统都失灵了,还要保证有一个系统维持正常工作。
火星资源利用设备
火星资源利用设备也就是推进剂生产车间,因为这套设备主要是为上升飞行器生产推进剂,而环控生保系统所需的氧气和水只是其副产品。在临时性火星基地上每批航天员都有两套资源利用设备,分两次运送到火星上来。两套设备都生产推进剂,但只有第一套设备负责向环控生保系统提供氧气和水。两套设备的结构和功能都是一样的,但第二套设备比较小一些。
每套设备可生产氧气20.2吨,甲烷5.8吨。第一套设备还生产水23.2吨,呼吸用氧4.5吨,氮/氩混合气3.9吨。因为不能让航天员呼吸纯氧,而是呼吸氧、氮和氩的混合大气,因此除生产氧气外,还要生产氮气和氩气。该设备虽然可生产26吨的氧和甲烷,但每个上升飞行器只需要20吨的推进剂,氧与甲烷的比例是3.5比1。所有的气态产品都必须液化处理,以便于保存和使用。
火星表面机动设备
火星表面机动设备也称作漫游车。根据行驶距离的不同有三种漫游车：近程、中程和远程。近程漫游车行驶距离只有几百米,工作时间在6～8小时以内；中程漫游车行驶距离为几千米,工作时间也是6～8小时以内；远程漫游车行驶半径为500千米,而且可以连续工作10天。漫游车的工作时间实际上是环控生保系统提供生命保障的时间。但近程和中程漫游车上没有安装环控生保系统,向航天员提供生命保障的是其背上背着的便携式环控生保系统,这种系统提供生命保障的时间为6～8小时。远程漫游车上安装有环控生保系统,其提供生命保障的时间是10天左右。
舱外活动系统
舱外活动是指航天员在加压舱外所进行的各种活动。在临时性火星基地上的加压舱有居住舱、实验室和远程漫游车的车厢。航天员在舱外的活动包括基地的建设和维修,野外的地质考察和标本收集,各种仪器设备的安装、调试和维修等。火星航天员的舱外活动系统由火星服、便携式环控生保系统和气闸舱组成。火星服和便携式环控生保系统是连在一起的。便携式环控生保系统向火星服内提供加压的氧气,清除二氧化碳、水蒸汽和臭气,同时还要保证服装内适当的温度。火星服类似于一个微型的加压舱,将航天员的身体跟火星表面环境完全隔离开,防止恶劣的火星表面环境对航天员的伤害。
基地的电力系统
基地上的各系统要正常运行,必须要有电力供应。基地上的用电“大户”是推进剂生产车间和表面居住舱,三种类型的漫游车也要用电,用电量虽然不如前两者,但要求移动供电。基地上有两种核电站,一种是固定式的,另一种是移动式的。固定式核电站必须在第一批航天员到达火星前370天开始发电,以便推进剂生产车间有时间生产出上升飞行器所需的推进剂和环控生保系统所需的氧气和水。
