梅森·派克博士

派克博士有20多年的航空航天工程師經驗，現任康奈爾大學機械與航空航天工程學院副教授；2011年底到2013年，擔任NASA首席技術專家。他領導著康奈爾大學太空系統設計工作室（Space Systems Design Studio），負責首個私人航天器眾籌項目Kicksat。派克博士專注于對太陽系進行長期探索的技術以及低成本航天器的研究。他同時也是“火星一號”的顧問之一。

火星移民們需要掌握多種技能，更不用說訓練如何運用特定技術飛往火星，并在那里生存。探索火星要求移民們能熟練操控電力和電子系統，包括發電機、電腦、通信系統和傳感器等；能維修生活供應系統，保證有可以呼吸的空氣、可飲用的水和適宜的溫度；能勘察各處環境，以選擇合適的地點建造居住地以度過余生。

即便在全然不知任務技術要求的情況下，我們也可以預測到，有一種技能會被迫切需要，它比其他技能更重要，那就是隨機應變的能力。

人類在火星定居的設想，與50多年前的航天經驗頗為不同。從美國“水星計劃”（Project Mercury）和蘇聯“東方號”（Vostok）太空計劃的先行者，到國際空間站的科學家和訪客們，航天員們小心翼翼地遵循前人已經走過的路，安全謹慎地規劃著出艙活動和科學研究。到目前為止，這些行動都非常恰當。接下來的10年中，我們應該對人類創造力、足智多謀，以及開拓進取的精神有更高的期待，這將決定我們在宇宙中能走多遠。正如我們的祖先在百萬年前離開非洲那樣，人類將再一次隨機應變，解決意料之外的問題。

命懸一線的“阿波羅13號”

毫無疑問，隨機應變的能力對人類的太空探險至關重要。

火星生存游戲

一些人應該還記得“阿波羅13號”太空任務，或許更多人只記得與該任務同名的電影。三位航天員弗雷德·海斯（Fred Haise）、杰克·斯威格特（Jack Swigert）、吉姆·洛弗爾（Jim Lovell）一度進入登月艙，以節省電力消耗，省下指令艙內僅剩的能源，以重返地球大氣層。但由于三人擠在一個十分狹小的空間內，二氧化碳濃度急劇增加。他們需要更多氫氧化鋰過濾器，以過濾二氧化碳。他們無法把指令艙中即將被丟棄的過濾器直接拿來用，因為指令艙中的過濾器是方形的，而登月艙需要的過濾器是圓形的。工程師需要臨時設計轉換插頭，使指令艙中的方形氫氧化鋰過濾器，與登月艙的中圓形凈化系統相連接。在進行修理時，航天員需要膠帶、硬紙板和塑料盒，這些是將方形過濾器固定在登月艙中的圓形接口上必需的材料。正是這種非常規方法，挽救了“阿波羅13號”航天員的性命。

“阿波羅13號”并不是航天員在太空中隨機應變的唯一例子。過去幾年，我參與了很多所謂異常情況下的解決方案。比如，航天器可展開的部分，如太陽能電池板或天線，需要通過特殊方式，使它們從發射時的狹小結構中脫離；上傳一些新程序，使航天器在備用儀表損壞的情況下能繼續對準地球；還有一些情況屬于商業機密，我不便在此提及。

我見識過各種應急方案，以拯救無人飛船。1998年，我在休斯航天與通信公司（Hughes Space and Communications）的同事，挽救了“亞洲3號”衛星（AsiaSat-3，后改名為PAS-22）。衛星發射時，運載火箭沒能成功將其送入足夠高度的軌道。杰里·薩爾瓦托雷（Jerry Salvatore）、西澤·奧坎波（Cesar Ocampo）和其他工作人員，將衛星移動到地球靜止軌道，這是環繞月球的一條較短路徑。修改軌道面需要少量推進劑，使航天器遠離地球。這是第一顆到達地球同步軌道的商業通信衛星，它帶著充足的燃料，為地球提供通信服務。我記得，我的同事約翰·哈斯克爾（John Haskell）精確計算出了一艘不知道名字的宇宙飛船的同步推進器指令，以保證它被反轉，當我們在努力估算計劃之外的軌道提升所需的燃料消耗時，他總是能得到正確的結果。

別搞砸了

所謂異常現象，即“不同尋常”的狀況，是指某件事情發生的不可預測的轉折或改變。我覺得這是一種委婉說法，比直接說“搞砸了”好一點兒，是一種慫恿我們指責替罪羊的更直接方式。我的一位朋友在向飛船發送指令時，把數字0打成了字母O。這個小小的不同，導致了極為嚴重的后果，也就是“異常現象”，差點毀了飛船。所以，即便再小的失誤，也可能會引發一系列后果。

這些異常現象往往會造成恐慌，原因之一是，當飛船出故障時，我們一般無法前去修復。NASA為修復哈勃太空望遠鏡實施的航天飛行任務，是一個不同尋常的例外，每次飛行的費用都超過了5億美元。在大多數情況下，這些花費可不怎么劃算。發射一艘新飛船可能會更便宜，更何況，新飛船的工作時間會更長，性能也會更好。因此，目前還沒有誰能提供衛星維修服務。像國際電話電報公司下屬的埃克里斯公司（ITT Exelis）和阿連特技術系統公司（ATK）等，正致力于研發維修衛星的新技術，但如果要在商業上切實可行，還需要通過創新以降低成本。即便在未來，衛星維修服務成為可行的商業項目，但在很長一段時間內，我們也無法看到為火星飛行器提供的常規維修服務。

因此，航天工程師都要提前做好計劃，預想到可能導致空間系統失敗的所有原因，因為所有故障應對計劃的成本都很高昂。這也要求我們更好地規避風險。當真正遇到異常現象時，不僅心跳會加速，個人聲譽也會受到質疑。我們已經學會如何避免異常現象，如果處理代價太高，就可以采取簡易、保守的解決方案。

我們準備把裁員和備份系統納入其中，演練可能要用到的步驟。噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory, JPL）在地面創造了一個“火星庭院”模擬環境。在那里，火星登陸者將遭遇各種不同的困難和不適合生存的環境條件。飛船駕駛員必須只依靠現有可供自由支配的指令，幫助登陸者克服困難，積累使用硬件設施和既定操作流程的經驗。

雖然我們已經竭盡全力，但失敗仍然難以避免，這通常是由意料之外的事情導致的。畢竟，如果能提前想到這些故障的話，那肯定能提前做好相應的維修準備。盡管做好了各種風險規避措施，我們仍致力于建設太空故障保護系統，并在發射前進行細致的檢查。如今，讓飛船正常運轉的主要因素是人，即我們所看到的各行各業成功解決問題的人以及他們的創造與創新。

隨機應變和太空維修在俄羅斯的空間站項目中屢見不鮮。其空間站項目從20世紀70年代開始運行，到20世紀90年代結束，有些完成了既定使命的意味。舉例來說，在“聯盟TM-32號”（Soyuz TM-32）飛船任務期間，航天員用鐵進行焊接作業，修好了一臺錄像機。蘇聯時期的這類真實故事，催生了不少太空城市傳說，其中一些你可能聽過：NASA被指責花費數百萬美元用以研發太空筆，而蘇聯只是給航天員用鉛筆。然而真相一點也不傳奇：飛梭太空筆公司（Fisher Pen）自行投資研發出一種經久耐用的太空筆，NASA采納了這種設計。NASA并非沒有考慮過用鉛筆。早先，他們的確為航天員提供自動鉛筆，但鉛筆芯斷裂后產生的碳末會飄進電子設備中，而且碳具有易燃性，如“阿波羅1號”就發生過此類火災，危險性極高。因此NASA認為，圓珠筆是更好的選擇。盡管如此，這個憑借簡單設計與智慧戰勝政府機構的故事，仍然對人們具有吸引力，而且會繼續流傳下去。

這里有一個關于蘇聯技術應變能力的故事，真實的可能性也很大。盡管我認可這個故事，卻無法核實。很早以前，在NASA還沒有將航天飛機與蘇聯“和平號”空間站對接前，蘇聯曾會見NASA的空間站工程師，討論如何實現對接。NASA請求，希望看一看“和平號”的振動模型。這種模型通常由計算機模擬，可以展示空間站的所有細微結構。蘇聯方面表示，他們沒有這種模型，但能很快得到一些結果。不久，他們來到NASA，帶來了展示“和平號”振動響應的精美逼真的圖表。NASA工程師非常佩服，蘇聯人居然能如此迅速地建立精細的計算機模型。蘇聯方面解釋稱，他們根本就沒有模型。他們只是讓一名航天員以特定的速度上下跳動，然后再簡單測量了振動結果。

技術，才是你活下來的關鍵

創造力和創新能力在移民火星這種艱巨任務中，必不可少。事實上，這是該項目成功運營的關鍵。火星移民一定會從地球上帶一些補給，有些是有用的，但有些是沒用的，有些可能之后才能運送，這都難以預料。但我們能預料的是，這些移民會想出許多自己的方法，在火星上繁衍生息。比如維修和改進裝備的方法，創造新經濟和新的生存技術，如何利用火星土壤中的礦物質來補充營養，與在地球上的家人通信的方法，甚至藝術創作的方法等。

很多記者似乎難以區分科學和技術。我們經常聽說，“NASA的科學家建造了一艘新飛船……”，然而這并不是科學家的工作，而是工程師的工作。技術是創造、建造、革新，科學是假設、調查、探索，它們無疑都是人類奮斗的成果，是人類卓爾不群的標志，讓我們為生而為人感到自豪。幫助火星移民將方形過濾器插到圓形接口中的，不是科學，是技術。

技術問題的解決，使火星探險成為可能。在科學理論的指導下，技術將脫離對世界本質的粗淺認知，創造出前所未有的事物。火星移民解決問題的能力來自創造事物、動手去做的過程。這些能力也就是我們現在提倡的DIY精神，不管是編寫電子游戲程序、造車，還是3D打印眼鏡。火星移民候選人要具有建造、維修、創造、改進的能力。擁有這些不可或缺能力的移民，將讓火星定居點持續下去，并建立人類永久居住地。

成功入選的“火星一號”申請人不應被各種技術要求嚇倒。事實上，他們應該抓住機會，利用電路、機械和計算機，變得更強大。僅僅抽象地理解工作原理，遠不如動手去做更有價值，甚至可以建造更好的東西來取代它們。這些技能并非都源于常規教育，相信很多工程專業的畢業生對宇宙飛船一竅不通。相反，火星移民要不斷學習新知識，并將其運用到實踐中。

曾經就有一位工程師救了我父親的命。大約6年前，佛羅里達州彭薩科拉（Pensacola）海軍航空站，我父親正駕駛一架T-6（海軍稱其為SNJ）比奇（Beechcraft）軍用教練機。飛機起飛后，起落架收起，但起落架的操縱手柄滑脫，這導致他無法在降落時放下起落架。這些SNJ飛機已經服役很久了。那段時間有一隊工程師專門負責飛機保養，其中一名工程師用廣播向父親詳細解釋了解決方案：讓他用腳把控制板移開（這個步驟需要一把鎖扣鑰匙，但父親用一枚硬幣來代替），松開連接起落架的螺母，從而控制操縱桿移動。起落架能夠自由移動后，父親來回翻轉飛機，盡可能快地搖晃，使起落架滑落。另一架飛機在他的下面飛行，確定飛機起落架鎖定。最終，父親輕松降落到地面，讓那些想看好戲的學員空歡喜一場。

這種實踐經驗，是工程師在多年經歷的諸多失敗中積累起來的，也是火星移民成功的關鍵。在第一次火星之旅前，我們會對硬件和軟件做好構思、計劃、測試和執行工作。每一項工程規范都會在火星移民的日常生活中發揮作用：土木工程、環境科學、生物醫學、電學、化學、航空航天以及軟件工程等，都很重要。系統工程的分支學科也是如此。這與系統各部分間龐大、復雜的結構與聯接有關，比如火星的生存環境、返回地球的交通工具。這里給出了這些規范發揮作用的原因。

●土木工程師需要建造土木防御工事，保持居住地的溫度，保護火星移民免受高能粒子流和紫外線的傷害，尤其是當火星土壤不能按我們所預想的方式堆積時。

●環境工程師要找到方法，保證移民可以從自然環境中持續獲取生存所需要的水和空氣。

●生物醫學工程師要設計制造夾板、眼鏡、血管支架、假肢、模型、防護裝備以及其他傷病必需的裝備，否則突如其來的疾病會用盡從地球上帶去的儲備。

●化學工程師需要了解如何使冶煉技術適應火星環境，讓移民不需要攜帶專用設備，就能從環境中提煉材料。

●電氣工程師要維修、重新設計和創造新的電路系統，以保障定居點正常運作，確保技術革新不會比地球上落后太多。

●航天工程師將追蹤即將到達的飛船，建造返回地球的火箭，應對火星上的大風和沙塵暴造成的意外問題。

●軟件工程師要編寫新的應用程序，滿足移民的計算機需求，比如定位工具、游戲和通信工具。他們需要升級原有的軟件，使之與來自地球或自主設計的新代碼匹配。

懷著這樣的勇氣，許多人已經開始著手建造自己的航天器，而我能與這個特殊群體進行交流。目前，包括自制航天器在內的這種航天工程項目，在美國已經非常普遍。大學四年級會開設相關課程。我在康奈爾大學任教期間，學生已經建造了4個小型航天器，還有更多航天器正在建造中。一些高中生甚至也有了航天經驗，如在華盛頓特區附近的托馬斯·杰斐遜高級中學（Thomas Jefferson High School），學生發射了一枚葡萄柚形的航天器。2013年，這枚航天器向地球傳回了消息。實際上，這種小型航天器是目前已發射的衛星中最普遍的一種。

這些令人振奮的技術發展趨勢，讓我們得以思考太空的未來以及人類所處的位置。創業型太空公司正在建造火箭、地球觀測衛星、衛星服務平臺和小行星采礦機器人。除了“火星一號”，還有不少想在未來10年將人類送入軌道、送上月球、送往火星的秘密計劃。其中，大部分計劃可能將通過風險投資的支持得以開展，而非人們所熟知的政府資助。與此同時，NASA正在重新尋找創新的源泉，撥款支持新技術研發，從而擴大科學探索的范圍。再加上一些“創客運動”的成員，他們對掌握技術進步的所有權充滿熱情。我們發現，采用3D打印技術和其他尖端制造技術，能夠加速將商用航天器送入軌道的步伐。

在這個新世界中，從家用電子產品飛速發展的過程中，不少大學吸取了相關經驗，采用了航天器研制中的系統工程法，棄用了已經過時幾十年的舊規范，這些規范正在影響航天工程的成本和進度。我們將為個人定制星際探險計劃，創造具有廣泛知識性和社會性影響的研究成果。抓住這種靈活的小型太空項目帶來的機遇，將改變我們所在的星球以及地球之外的世界。如今，學者們已經掌握了制造太空系統的方法，他們將成為掌握新型私人航天器設計規范的新一代，使用太空材料，建造跨越太陽系探索的基礎設施，甚至從眾包中獲益，幫助他們以前所未有的方式探秘太空。

這并不是說利用和獲取當地資源的方式是史無前例的，或者說和人類祖先離開非洲的大遷徙有什么不同。美洲殖民史上能找到大量有關適應當地環境的例子。賓夕法尼亞州多伊爾斯敦（Doylestown）的亨利·默瑟博物館（Henry Mercer Museum）展示了一些證據，顯示出歐洲殖民者極富創新精神。博物館中陳列著不少古怪的藏品——18、19世紀的日常生活工具。這些藏品中讓我覺得很有意思，不僅是在沒有專門的工具和金屬，很多時候在連釘子也沒有的情況下，聰明的人類也創造了自己的生活，還創造性地使用手頭可用的材料，比如水桶。當時沒有制桶技術，更不用說用于固定桶板的金屬帶，早期定居的人類會砍下一棵大樹，把樹干截成水桶般大小的圓柱，然后把它挖空。他們會用一棵非常長且輕的樹，像蹺蹺板那樣找一個平衡的支點，利用杠桿原理，使水桶在水井里上下移動，而不是建個齒輪傳動器來實現升降。

很顯然，樹到處都是。建造大型設備的空間也很充足。博物館有一個蘋果榨汁機，是用60多厘米厚的木板制成的，以提供必要的機械力來榨汁。但到了火星上，很難找到制作大型工具的木料。火星移民能找到哪些現成的材料呢？水和土壤。所以短期內，制作陶器、瓷器和黏土磚是可行的。火星上的建筑物，可能與新墨西哥州早期拓荒者的草屋相似，而非想象中用鋁和特殊塑料建造的結構精巧、高聳入云的未來建筑。我希望，新移民能熟悉人類材料技術發展的快速過程：從取代泥磚這種古老材料的瓷器、鐵、青銅到現代復合材料等。移民也可能會用我們想不到的新方法，從火星土壤中獲取生產材料。

工具和氧氣的問題

“火星一號”希望能將第一批移民送往火星。這將是一次單程旅行，與往返的旅程相比，技術要求更簡單，成本也更低。懷疑者斷言，那些志愿去當移民的人肯定是頭腦發昏，這場旅行是一種自殺式任務。我不同意這種看法。作為“火星一號”顧問委員會的成員，本著完全公開透明的精神，我想說，“火星一號”將移民送往火星，不是去送死，而是去生活。

我認為，這場旅行并不像《星際迷航2》中“小林丸號”（Kobayashi Maru）的預測，注定必然會失敗。登陸火星后，移民將承擔的第一項任務是著手制造工具和裝備，甚至創建經濟系統，為今后建造返回地球的交通工具做準備。這種愿望并非天方夜譚。事實上，在火星表面發射火箭并進入軌道，比在地球上更容易。我對現在的工程師和硬件設施專家充滿信心，他們能在未來20年內完成任務，至少可以返回地月軌道。請記住，在激光通信技術的幫助下，他們有可能實現互聯網訪問。地球上的父老鄉親能夠向他們發送圖表、分析實驗結果，幫助項目取得成功。這比美洲殖民者曾經得到的幫助更有用。

太空硬件專家能就地取材，制造設備。精巧的定制零部件將停止或限量供應，就像18世紀的釘子一樣。硬件專家可能找不到碳纖維來制作高科技復合材料，不能無限地供應低溫閥門、電動機、電路板以及其他高精度專用零部件。或許，小部分零部件可以根據需求從地球運送過去。但我并不完全指望這個。

幸好，火星上水的供應能盡量滿足移民的需求。NASA曾多次詳細記錄了火星上豐富的水資源。它位于地表之下，許多地方都有。流星的撞擊常常會讓水露出地表。因此，生產氫和氧都沒問題，它們能通過水的電解產生，連小孩都能小規模地完成這個實驗，更何況康奈爾大學的研究生或研究員。此外，在康奈爾大學，我們已經建造了在水中運行的火箭引擎樣機。

硬件專家要從哪里得到推進劑儲箱，來建造返回地球的飛行器呢？我可能會建議他們，用砂模鑄造很多完全相同的等邊三角形，把它們焊接在一起，組成近似的球體。我們仍需要確保可以獲得足夠的鋁。可以通過回收著陸器或其他設備中的鋁，或將可用的鋁粉與熱水混合，通過化學反應，產生氫氣和礬土（氧化鋁，分子式為Al2O3）。這種陶瓷性能良好，強度足以滿足使用要求。氧化鋁的主要優點在于其重量僅為鋁的一半，可以被大量使用鋁。缺點是用氧化鋁制作箱子，必須利用3D打印技術，也就是燒結技術來聚合，而這種方法比熔煉、澆鑄和焊接鋁制三角片所用的時間更長。但我認為，未來10年內，3D打印技術將成為家庭和辦公場所的標配，打印出的金屬物品設備將成為火星移民的必備工具。

另一種解決方案是設計并制造防水充氣袋。棉花纖維具有極高的比強度（又稱強度-重量比），舊T恤、火星居民干衣機里的棉絨以及某些涂過橡膠的內襯，都可以用來制作袋子。最后生產出的儲物箱可能比金屬制造的還輕。

康奈爾大學正在研發的電解水推進系統的原理很簡單，不需要電磁閥、低溫管道或其他零部件。雖然效率低于低溫氫氧混合物（H2/O2），但簡易性無可挑剔。進一步講，氣體混合物是化學計量的理想狀態（在每個分子完全燃燒的情況下）。就氣體而言，這種混合非常好，使發動機的燃燒室不再需要用注射器加注燃料，制造注射器的工藝復雜，費用也很昂貴。

這些例子只是目前技術發展的一部分。最終的測試以及更好的創意，將由前往火星的工程師自行決定。

充分了解去往火星的風險，對所有參與火星單程旅行的人來說都至關重要。也就是說，面對成功（或失敗）的可能以及它們的后果。而在火星上成功生存的真正關鍵，是硬件專家，是他們對現有材料的充分利用，是人類的創造力。火星移民的創新能力將決定太陽系的未來。