梅森·派克博士

派克博士有20多年的航空航天工程师经验，现任康奈尔大学机械与航空航天工程学院副教授；2011年底到2013年，担任NASA首席技术专家。他领导着康奈尔大学太空系统设计工作室（Space Systems Design Studio），负责首个私人航天器众筹项目Kicksat。派克博士专注于对太阳系进行长期探索的技术以及低成本航天器的研究。他同时也是“火星一号”的顾问之一。

火星移民们需要掌握多种技能，更不用说训练如何运用特定技术飞往火星，并在那里生存。探索火星要求移民们能熟练操控电力和电子系统，包括发电机、电脑、通信系统和传感器等；能维修生活供应系统，保证有可以呼吸的空气、可饮用的水和适宜的温度；能勘察各处环境，以选择合适的地点建造居住地以度过余生。

即便在全然不知任务技术要求的情况下，我们也可以预测到，有一种技能会被迫切需要，它比其他技能更重要，那就是随机应变的能力。

人类在火星定居的设想，与50多年前的航天经验颇为不同。从美国“水星计划”（Project Mercury）和苏联“东方号”（Vostok）太空计划的先行者，到国际空间站的科学家和访客们，航天员们小心翼翼地遵循前人已经走过的路，安全谨慎地规划着出舱活动和科学研究。到目前为止，这些行动都非常恰当。接下来的10年中，我们应该对人类创造力、足智多谋，以及开拓进取的精神有更高的期待，这将决定我们在宇宙中能走多远。正如我们的祖先在百万年前离开非洲那样，人类将再一次随机应变，解决意料之外的问题。

命悬一线的“阿波罗13号”

毫无疑问，随机应变的能力对人类的太空探险至关重要。

火星生存游戏

一些人应该还记得“阿波罗13号”太空任务，或许更多人只记得与该任务同名的电影。三位航天员弗雷德·海斯（Fred Haise）、杰克·斯威格特（Jack Swigert）、吉姆·洛弗尔（Jim Lovell）一度进入登月舱，以节省电力消耗，省下指令舱内仅剩的能源，以重返地球大气层。但由于三人挤在一个十分狭小的空间内，二氧化碳浓度急剧增加。他们需要更多氢氧化锂过滤器，以过滤二氧化碳。他们无法把指令舱中即将被丢弃的过滤器直接拿来用，因为指令舱中的过滤器是方形的，而登月舱需要的过滤器是圆形的。工程师需要临时设计转换插头，使指令舱中的方形氢氧化锂过滤器，与登月舱的中圆形净化系统相连接。在进行修理时，航天员需要胶带、硬纸板和塑料盒，这些是将方形过滤器固定在登月舱中的圆形接口上必需的材料。正是这种非常规方法，挽救了“阿波罗13号”航天员的性命。

“阿波罗13号”并不是航天员在太空中随机应变的唯一例子。过去几年，我参与了很多所谓异常情况下的解决方案。比如，航天器可展开的部分，如太阳能电池板或天线，需要通过特殊方式，使它们从发射时的狭小结构中脱离；上传一些新程序，使航天器在备用仪表损坏的情况下能继续对准地球；还有一些情况属于商业机密，我不便在此提及。

我见识过各种应急方案，以拯救无人飞船。1998年，我在休斯航天与通信公司（Hughes Space and Communications）的同事，挽救了“亚洲3号”卫星（AsiaSat-3，后改名为PAS-22）。卫星发射时，运载火箭没能成功将其送入足够高度的轨道。杰里·萨尔瓦托雷（Jerry Salvatore）、西泽·奥坎波（Cesar Ocampo）和其他工作人员，将卫星移动到地球静止轨道，这是环绕月球的一条较短路径。修改轨道面需要少量推进剂，使航天器远离地球。这是第一颗到达地球同步轨道的商业通信卫星，它带着充足的燃料，为地球提供通信服务。我记得，我的同事约翰·哈斯克尔（John Haskell）精确计算出了一艘不知道名字的宇宙飞船的同步推进器指令，以保证它被反转，当我们在努力估算计划之外的轨道提升所需的燃料消耗时，他总是能得到正确的结果。

别搞砸了

所谓异常现象，即“不同寻常”的状况，是指某件事情发生的不可预测的转折或改变。我觉得这是一种委婉说法，比直接说“搞砸了”好一点儿，是一种怂恿我们指责替罪羊的更直接方式。我的一位朋友在向飞船发送指令时，把数字0打成了字母O。这个小小的不同，导致了极为严重的后果，也就是“异常现象”，差点毁了飞船。所以，即便再小的失误，也可能会引发一系列后果。

这些异常现象往往会造成恐慌，原因之一是，当飞船出故障时，我们一般无法前去修复。NASA为修复哈勃太空望远镜实施的航天飞行任务，是一个不同寻常的例外，每次飞行的费用都超过了5亿美元。在大多数情况下，这些花费可不怎么划算。发射一艘新飞船可能会更便宜，更何况，新飞船的工作时间会更长，性能也会更好。因此，目前还没有谁能提供卫星维修服务。像国际电话电报公司下属的埃克里斯公司（ITT Exelis）和阿连特技术系统公司（ATK）等，正致力于研发维修卫星的新技术，但如果要在商业上切实可行，还需要通过创新以降低成本。即便在未来，卫星维修服务成为可行的商业项目，但在很长一段时间内，我们也无法看到为火星飞行器提供的常规维修服务。

因此，航天工程师都要提前做好计划，预想到可能导致空间系统失败的所有原因，因为所有故障应对计划的成本都很高昂。这也要求我们更好地规避风险。当真正遇到异常现象时，不仅心跳会加速，个人声誉也会受到质疑。我们已经学会如何避免异常现象，如果处理代价太高，就可以采取简易、保守的解决方案。

我们准备把裁员和备份系统纳入其中，演练可能要用到的步骤。喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory, JPL）在地面创造了一个“火星庭院”模拟环境。在那里，火星登陆者将遭遇各种不同的困难和不适合生存的环境条件。飞船驾驶员必须只依靠现有可供自由支配的指令，帮助登陆者克服困难，积累使用硬件设施和既定操作流程的经验。

虽然我们已经竭尽全力，但失败仍然难以避免，这通常是由意料之外的事情导致的。毕竟，如果能提前想到这些故障的话，那肯定能提前做好相应的维修准备。尽管做好了各种风险规避措施，我们仍致力于建设太空故障保护系统，并在发射前进行细致的检查。如今，让飞船正常运转的主要因素是人，即我们所看到的各行各业成功解决问题的人以及他们的创造与创新。

随机应变和太空维修在俄罗斯的空间站项目中屡见不鲜。其空间站项目从20世纪70年代开始运行，到20世纪90年代结束，有些完成了既定使命的意味。举例来说，在“联盟TM-32号”（Soyuz TM-32）飞船任务期间，航天员用铁进行焊接作业，修好了一台录像机。苏联时期的这类真实故事，催生了不少太空城市传说，其中一些你可能听过：NASA被指责花费数百万美元用以研发太空笔，而苏联只是给航天员用铅笔。然而真相一点也不传奇：飞梭太空笔公司（Fisher Pen）自行投资研发出一种经久耐用的太空笔，NASA采纳了这种设计。NASA并非没有考虑过用铅笔。早先，他们的确为航天员提供自动铅笔，但铅笔芯断裂后产生的碳末会飘进电子设备中，而且碳具有易燃性，如“阿波罗1号”就发生过此类火灾，危险性极高。因此NASA认为，圆珠笔是更好的选择。尽管如此，这个凭借简单设计与智慧战胜政府机构的故事，仍然对人们具有吸引力，而且会继续流传下去。

这里有一个关于苏联技术应变能力的故事，真实的可能性也很大。尽管我认可这个故事，却无法核实。很早以前，在NASA还没有将航天飞机与苏联“和平号”空间站对接前，苏联曾会见NASA的空间站工程师，讨论如何实现对接。NASA请求，希望看一看“和平号”的振动模型。这种模型通常由计算机模拟，可以展示空间站的所有细微结构。苏联方面表示，他们没有这种模型，但能很快得到一些结果。不久，他们来到NASA，带来了展示“和平号”振动响应的精美逼真的图表。NASA工程师非常佩服，苏联人居然能如此迅速地建立精细的计算机模型。苏联方面解释称，他们根本就没有模型。他们只是让一名航天员以特定的速度上下跳动，然后再简单测量了振动结果。

技术，才是你活下来的关键

创造力和创新能力在移民火星这种艰巨任务中，必不可少。事实上，这是该项目成功运营的关键。火星移民一定会从地球上带一些补给，有些是有用的，但有些是没用的，有些可能之后才能运送，这都难以预料。但我们能预料的是，这些移民会想出许多自己的方法，在火星上繁衍生息。比如维修和改进装备的方法，创造新经济和新的生存技术，如何利用火星土壤中的矿物质来补充营养，与在地球上的家人通信的方法，甚至艺术创作的方法等。

很多记者似乎难以区分科学和技术。我们经常听说，“NASA的科学家建造了一艘新飞船……”，然而这并不是科学家的工作，而是工程师的工作。技术是创造、建造、革新，科学是假设、调查、探索，它们无疑都是人类奋斗的成果，是人类卓尔不群的标志，让我们为生而为人感到自豪。帮助火星移民将方形过滤器插到圆形接口中的，不是科学，是技术。

技术问题的解决，使火星探险成为可能。在科学理论的指导下，技术将脱离对世界本质的粗浅认知，创造出前所未有的事物。火星移民解决问题的能力来自创造事物、动手去做的过程。这些能力也就是我们现在提倡的DIY精神，不管是编写电子游戏程序、造车，还是3D打印眼镜。火星移民候选人要具有建造、维修、创造、改进的能力。拥有这些不可或缺能力的移民，将让火星定居点持续下去，并建立人类永久居住地。

成功入选的“火星一号”申请人不应被各种技术要求吓倒。事实上，他们应该抓住机会，利用电路、机械和计算机，变得更强大。仅仅抽象地理解工作原理，远不如动手去做更有价值，甚至可以建造更好的东西来取代它们。这些技能并非都源于常规教育，相信很多工程专业的毕业生对宇宙飞船一窍不通。相反，火星移民要不断学习新知识，并将其运用到实践中。

曾经就有一位工程师救了我父亲的命。大约6年前，佛罗里达州彭萨科拉（Pensacola）海军航空站，我父亲正驾驶一架T-6（海军称其为SNJ）比奇（Beechcraft）军用教练机。飞机起飞后，起落架收起，但起落架的操纵手柄滑脱，这导致他无法在降落时放下起落架。这些SNJ飞机已经服役很久了。那段时间有一队工程师专门负责飞机保养，其中一名工程师用广播向父亲详细解释了解决方案：让他用脚把控制板移开（这个步骤需要一把锁扣钥匙，但父亲用一枚硬币来代替），松开连接起落架的螺母，从而控制操纵杆移动。起落架能够自由移动后，父亲来回翻转飞机，尽可能快地摇晃，使起落架滑落。另一架飞机在他的下面飞行，确定飞机起落架锁定。最终，父亲轻松降落到地面，让那些想看好戏的学员空欢喜一场。

这种实践经验，是工程师在多年经历的诸多失败中积累起来的，也是火星移民成功的关键。在第一次火星之旅前，我们会对硬件和软件做好构思、计划、测试和执行工作。每一项工程规范都会在火星移民的日常生活中发挥作用：土木工程、环境科学、生物医学、电学、化学、航空航天以及软件工程等，都很重要。系统工程的分支学科也是如此。这与系统各部分间庞大、复杂的结构与联接有关，比如火星的生存环境、返回地球的交通工具。这里给出了这些规范发挥作用的原因。

●土木工程师需要建造土木防御工事，保持居住地的温度，保护火星移民免受高能粒子流和紫外线的伤害，尤其是当火星土壤不能按我们所预想的方式堆积时。

●环境工程师要找到方法，保证移民可以从自然环境中持续获取生存所需要的水和空气。

●生物医学工程师要设计制造夹板、眼镜、血管支架、假肢、模型、防护装备以及其他伤病必需的装备，否则突如其来的疾病会用尽从地球上带去的储备。

●化学工程师需要了解如何使冶炼技术适应火星环境，让移民不需要携带专用设备，就能从环境中提炼材料。

●电气工程师要维修、重新设计和创造新的电路系统，以保障定居点正常运作，确保技术革新不会比地球上落后太多。

●航天工程师将追踪即将到达的飞船，建造返回地球的火箭，应对火星上的大风和沙尘暴造成的意外问题。

●软件工程师要编写新的应用程序，满足移民的计算机需求，比如定位工具、游戏和通信工具。他们需要升级原有的软件，使之与来自地球或自主设计的新代码匹配。

怀着这样的勇气，许多人已经开始着手建造自己的航天器，而我能与这个特殊群体进行交流。目前，包括自制航天器在内的这种航天工程项目，在美国已经非常普遍。大学四年级会开设相关课程。我在康奈尔大学任教期间，学生已经建造了4个小型航天器，还有更多航天器正在建造中。一些高中生甚至也有了航天经验，如在华盛顿特区附近的托马斯·杰斐逊高级中学（Thomas Jefferson High School），学生发射了一枚葡萄柚形的航天器。2013年，这枚航天器向地球传回了消息。实际上，这种小型航天器是目前已发射的卫星中最普遍的一种。

这些令人振奋的技术发展趋势，让我们得以思考太空的未来以及人类所处的位置。创业型太空公司正在建造火箭、地球观测卫星、卫星服务平台和小行星采矿机器人。除了“火星一号”，还有不少想在未来10年将人类送入轨道、送上月球、送往火星的秘密计划。其中，大部分计划可能将通过风险投资的支持得以开展，而非人们所熟知的政府资助。与此同时，NASA正在重新寻找创新的源泉，拨款支持新技术研发，从而扩大科学探索的范围。再加上一些“创客运动”的成员，他们对掌握技术进步的所有权充满热情。我们发现，采用3D打印技术和其他尖端制造技术，能够加速将商用航天器送入轨道的步伐。

在这个新世界中，从家用电子产品飞速发展的过程中，不少大学吸取了相关经验，采用了航天器研制中的系统工程法，弃用了已经过时几十年的旧规范，这些规范正在影响航天工程的成本和进度。我们将为个人定制星际探险计划，创造具有广泛知识性和社会性影响的研究成果。抓住这种灵活的小型太空项目带来的机遇，将改变我们所在的星球以及地球之外的世界。如今，学者们已经掌握了制造太空系统的方法，他们将成为掌握新型私人航天器设计规范的新一代，使用太空材料，建造跨越太阳系探索的基础设施，甚至从众包中获益，帮助他们以前所未有的方式探秘太空。

这并不是说利用和获取当地资源的方式是史无前例的，或者说和人类祖先离开非洲的大迁徙有什么不同。美洲殖民史上能找到大量有关适应当地环境的例子。宾夕法尼亚州多伊尔斯敦（Doylestown）的亨利·默瑟博物馆（Henry Mercer Museum）展示了一些证据，显示出欧洲殖民者极富创新精神。博物馆中陈列着不少古怪的藏品——18、19世纪的日常生活工具。这些藏品中让我觉得很有意思，不仅是在没有专门的工具和金属，很多时候在连钉子也没有的情况下，聪明的人类也创造了自己的生活，还创造性地使用手头可用的材料，比如水桶。当时没有制桶技术，更不用说用于固定桶板的金属带，早期定居的人类会砍下一棵大树，把树干截成水桶般大小的圆柱，然后把它挖空。他们会用一棵非常长且轻的树，像跷跷板那样找一个平衡的支点，利用杠杆原理，使水桶在水井里上下移动，而不是建个齿轮传动器来实现升降。

很显然，树到处都是。建造大型设备的空间也很充足。博物馆有一个苹果榨汁机，是用60多厘米厚的木板制成的，以提供必要的机械力来榨汁。但到了火星上，很难找到制作大型工具的木料。火星移民能找到哪些现成的材料呢？水和土壤。所以短期内，制作陶器、瓷器和黏土砖是可行的。火星上的建筑物，可能与新墨西哥州早期拓荒者的草屋相似，而非想象中用铝和特殊塑料建造的结构精巧、高耸入云的未来建筑。我希望，新移民能熟悉人类材料技术发展的快速过程：从取代泥砖这种古老材料的瓷器、铁、青铜到现代复合材料等。移民也可能会用我们想不到的新方法，从火星土壤中获取生产材料。

工具和氧气的问题

“火星一号”希望能将第一批移民送往火星。这将是一次单程旅行，与往返的旅程相比，技术要求更简单，成本也更低。怀疑者断言，那些志愿去当移民的人肯定是头脑发昏，这场旅行是一种自杀式任务。我不同意这种看法。作为“火星一号”顾问委员会的成员，本着完全公开透明的精神，我想说，“火星一号”将移民送往火星，不是去送死，而是去生活。

我认为，这场旅行并不像《星际迷航2》中“小林丸号”（Kobayashi Maru）的预测，注定必然会失败。登陆火星后，移民将承担的第一项任务是着手制造工具和装备，甚至创建经济系统，为今后建造返回地球的交通工具做准备。这种愿望并非天方夜谭。事实上，在火星表面发射火箭并进入轨道，比在地球上更容易。我对现在的工程师和硬件设施专家充满信心，他们能在未来20年内完成任务，至少可以返回地月轨道。请记住，在激光通信技术的帮助下，他们有可能实现互联网访问。地球上的父老乡亲能够向他们发送图表、分析实验结果，帮助项目取得成功。这比美洲殖民者曾经得到的帮助更有用。

太空硬件专家能就地取材，制造设备。精巧的定制零部件将停止或限量供应，就像18世纪的钉子一样。硬件专家可能找不到碳纤维来制作高科技复合材料，不能无限地供应低温阀门、电动机、电路板以及其他高精度专用零部件。或许，小部分零部件可以根据需求从地球运送过去。但我并不完全指望这个。

幸好，火星上水的供应能尽量满足移民的需求。NASA曾多次详细记录了火星上丰富的水资源。它位于地表之下，许多地方都有。流星的撞击常常会让水露出地表。因此，生产氢和氧都没问题，它们能通过水的电解产生，连小孩都能小规模地完成这个实验，更何况康奈尔大学的研究生或研究员。此外，在康奈尔大学，我们已经建造了在水中运行的火箭引擎样机。

硬件专家要从哪里得到推进剂储箱，来建造返回地球的飞行器呢？我可能会建议他们，用砂模铸造很多完全相同的等边三角形，把它们焊接在一起，组成近似的球体。我们仍需要确保可以获得足够的铝。可以通过回收着陆器或其他设备中的铝，或将可用的铝粉与热水混合，通过化学反应，产生氢气和矾土（氧化铝，分子式为Al2O3）。这种陶瓷性能良好，强度足以满足使用要求。氧化铝的主要优点在于其重量仅为铝的一半，可以被大量使用铝。缺点是用氧化铝制作箱子，必须利用3D打印技术，也就是烧结技术来聚合，而这种方法比熔炼、浇铸和焊接铝制三角片所用的时间更长。但我认为，未来10年内，3D打印技术将成为家庭和办公场所的标配，打印出的金属物品设备将成为火星移民的必备工具。

另一种解决方案是设计并制造防水充气袋。棉花纤维具有极高的比强度（又称强度-重量比），旧T恤、火星居民干衣机里的棉绒以及某些涂过橡胶的内衬，都可以用来制作袋子。最后生产出的储物箱可能比金属制造的还轻。

康奈尔大学正在研发的电解水推进系统的原理很简单，不需要电磁阀、低温管道或其他零部件。虽然效率低于低温氢氧混合物（H2/O2），但简易性无可挑剔。进一步讲，气体混合物是化学计量的理想状态（在每个分子完全燃烧的情况下）。就气体而言，这种混合非常好，使发动机的燃烧室不再需要用注射器加注燃料，制造注射器的工艺复杂，费用也很昂贵。

这些例子只是目前技术发展的一部分。最终的测试以及更好的创意，将由前往火星的工程师自行决定。

充分了解去往火星的风险，对所有参与火星单程旅行的人来说都至关重要。也就是说，面对成功（或失败）的可能以及它们的后果。而在火星上成功生存的真正关键，是硬件专家，是他们对现有材料的充分利用，是人类的创造力。火星移民的创新能力将决定太阳系的未来。