行星际旅行：前景、技术、规划与时间表

自古以来，人类就渴望走出自己的摇篮——地球。在《太空在召唤》项目中，我想探讨我们距离行星际旅行还有多远，以及跨越宇宙空间还需要哪些条件。

自“阿波罗”计划结束以来，人类尚未再次飞出近地轨道（最后一次载人登月任务于1972年完成）。尽管从第一颗人造卫星升空（1957）到人类登月仅用了12年，但在此后的半个多世纪里，再未进行过载人行星际飞行。

宇航员尤金·塞尔南试驾月球车（“阿波罗17号”，1972年）

为了让大家直观了解这一挑战的规模：地球与火星之间的最短距离约为5500万公里，最远则超过4亿公里。即使采用现代技术，单程也至少需要6—8个月。一路上，乘组将面临严峻考验：辐射、长期失重以及与地球完全隔绝。

今天，我们正站在航天新时代的门槛上。基础科学研究与长期积累的技术，开始为未来的行星际任务奠定切实可行的基础。

自动行星际任务

60多年来，自动航天器一直在成功探索太阳系。迄今，自动探测器已造访所有行星以及众多卫星和小天体，Voyager 1和2甚至已经进入星际空间。

当前最具代表性的任务包括以下几项。

火星车Perseverance和Curiosity（NASA）正在探测火星表面。Perseverance于2020年发射，已在火星表面行驶超过20公里，一边开展地质研究，一边采集样本，以供未来送回地球。

火星车Perseverance

Mars Helicopter Ingenuity——首架在其他行星大气层中完成飞行的航空器。

探测器Juno（NASA）自2016年起在木星轨道运行，研究木星的磁场、大气和内部结构。

DART任务（NASA）于2022年首次成功验证了通过动能撞击改变小行星轨道的技术。这是行星防御领域迈出的重要一步。

探测器Parker Solar Probe（NASA）以创纪录的近距离接近太阳（约690万公里），研究日冕和太阳风。

这些任务不仅拓展了我们的科学认知，也在帮助验证未来载人探险所需的技术，包括在其他行星着陆、在极端环境中运行、自主导航等。

载人飞行及其局限

与机器人探测任务不同，载人航天目前仍局限于近地轨道（高度约400公里）。在过去半个世纪里，没有任何人离开过能够抵御宇宙辐射的地球磁层。

国际空间站是规模最大的国际太空合作项目，自2000年以来一直有乘组驻留。在此期间，来自20个国家的约250名宇航员和航天员曾到访国际空间站。太空连续驻留时间纪录是在“和平号”空间站创造的，由俄罗斯航天员瓦列里·波利亚科夫保持——437天。

航天员瓦列里·波利亚科夫在“和平号”空间站

如今，航天产业正在发生显著变化——商业航天蓬勃发展。SpaceX、Blue Origin和Virgin Galactic已经开展商业轨道和亚轨道飞行，Axiom Space则在组织前往国际空间站的私人太空任务。

Artemis计划将成为人类重返近地轨道以外空间的重要一步。NASA计划与国际合作伙伴携手，将人类再次送上月球。按照当前计划，绕月飞行任务Artemis II定于2026年春季实施，Artemis III的宇航员登月任务则计划于2027年年中进行。

然而，即使取得了这些进展，载人行星际飞行仍面临诸多严峻限制：成本高昂、现有火箭发动机效率有限、缺乏适用于深空飞行的可靠辐射防护系统，以及多年期任务所需的闭环生命保障系统尚不完善。

要实现行星际旅行，必须解决三项关键技术难题，否则这一目标仍将遥不可及。

飞行速度与航程问题

现代航天技术的根本限制，在于火箭发动机提供的能量不足以应对必须跨越的浩瀚距离。

现有化学火箭发动机需要消耗巨量燃料才能为航天器加速。直观来看：仅仅为了将航天器送入近地轨道（速度约8公里/秒），现代运载火箭总质量的90—95%就必须是燃料。

行星际飞行需要更高的速度。要在可接受的时间内抵达火星，航天器至少要加速到11—12公里/秒。关键问题在于，根据齐奥尔科夫斯基火箭方程，速度要实现线性增长，燃料质量就必须呈指数级增加。受此限制，工程师不得不在两个都不理想的方案之间作出选择。

1. 采用节能但耗时极长的飞行轨道（前往火星需6—8个月）。
2. 携带巨量燃料，使任务成本达到天文数字。

现有化学发动机用于深空任务的潜力已经耗尽。即使是目前最强大的系统，也无法解决化学燃料能量密度低这一根本问题。

另一个严峻问题，是抵达目的地时如何减速。在地球上，返回舱通常利用稠密大气层进行气动减速。然而，火星大气的密度仅为地球大气的约1/60—1/70，这让减速变得困难得多。更何况，火星任务需要着陆的不是重2.5—3吨的小型返回舱（如我们在地球上采用的方案），而是一整枚能够将乘组送回地球的火箭（约100吨）。这使任务难度成倍增加。

艺术家构想的Starship飞船进入火星大气层场景

辐射防护与生命保障

在近地轨道上，地球磁场能为航天员提供一定的宇宙辐射防护。但在行星际飞行中，这层保护将不复存在。

宇宙辐射主要由两部分组成：银河宇宙射线（GCR），即来自深空的持续辐射；以及太阳高能粒子（SEP），即太阳耀斑期间出现的强烈但短暂的辐射暴发。

在地球磁层保护下，航天员在国际空间站执行为期6个月的任务时，受到的辐射剂量约为50—130毫希沃特。在飞往火星的途中失去这种保护后，同期辐射剂量可能达到600—1000毫希沃特。作为对比，地球上核工业从业人员的年度剂量限值为50毫希沃特，而航天员整个职业生涯的最高允许剂量约为1000毫希沃特。太阳耀斑尤其危险，短短几小时内就可能产生数百毫希沃特的辐射剂量。

现有的防护方案包括：

1. 采用不同材料组成复合屏蔽层：水和富含氢的聚合物可有效防护中子，铝可阻挡带电粒子，而伽马射线则需要密度更高的材料。
2. 磁屏蔽（在航天器周围建立人工磁场，使带电粒子偏转）。
3. 在航天器内设置加固屏蔽的专用防护舱，以便在太阳活动增强期间使用。

研发既高效又轻量的辐射防护系统，仍是航天工程领域最复杂的难题之一。

系统自主性与人工智能

讨论行星际飞行时，人们很少提到第三个根本问题——通信延迟。在轨道飞行期间，航天器与飞行控制中心的通信几乎是即时的，因此能够迅速应对各种突发情况。但在飞往火星的途中，单程信号延迟会因两颗行星的相对位置不同而达到3—22分钟。这意味着，从向飞行控制中心发出请求到收到答复，可能需要长达45分钟！在紧急情况下，如此漫长的延迟可能造成致命后果。

解决方案应当是引入具备人工智能能力的高度自主系统，使其能够在危急情况下自行决策，相当于在航天器上承担飞行控制中心的职能。

核动力与聚变动力推进系统

在可预见的未来，发展核动力推进系统似乎是实现行星际飞行最具前景的方向。这类系统主要分为两种。

1. 核热火箭发动机（ЯРД）：工质（通常为氢）在核反应堆中受热，随后经喷管喷出并产生推力。这类发动机的比冲可达800–1000秒，是性能最优的化学火箭发动机的两倍，可大幅减少所需燃料的质量并缩短飞行时间。
2. 核电推进发动机（ЯЭРД）：由核反应堆产生电能，为电火箭发动机（离子或等离子体发动机）供电。这类系统的比冲可达5000–10000秒，但能够产生的推力有限。

核动力推进系统既可解决飞船的能源供应问题，又能将飞往火星的时间缩短至3–4个月，并显著提高有效载荷质量。

艺术家构想的俄罗斯国家航天集团“宙斯”核动力太空拖船

然而在我看来，真正高效的解决方案将是聚变动力推进系统。与铀核裂变相比，核聚变反应每单位燃料质量释放的能量约为其四倍，同时造成的放射性污染要小得多。

尽管目前尚无任何一座投入运行的聚变发电站，但多项实验已实现正能量平衡，即产生的能量超过维持反应所消耗的能量。不仅如此，多家公司已签订合同，计划在2020年代末商业供应通过核聚变产生的电力。

对于行星际飞行而言，聚变能源将在三个关键领域带来革命性的可能。

1. 推进系统：聚变反应堆的比冲可达100000–1000000秒（是化学火箭发动机的300–3000倍）。在飞船质量不变的情况下，这可将飞往火星的时间从6–8个月缩短至1–2个月。
2. 防护系统供能：高能装置可支持在飞船周围构建完整的主动磁屏障，按照地球磁层的原理偏转宇宙辐射中的带电粒子。
3. 生命保障系统：充足的能源可支持建立完全闭环的生态系统，实现空气和水的循环再生，甚至生产食物，而无须节省能源。

太空聚变装置的发展前景

ITER（重约23000吨）和NIF等现代实验性聚变装置体量极其庞大。然而，太空环境具备一些独特条件，有望从根本上简化其结构。

1. 天然真空环境无需使用庞大的真空室和抽气系统。
2. 太空低温（阴影处为–270°C）非常适合超导磁体，无须复杂的冷却系统。
3. 失重环境能大幅简化等离子体约束，无须补偿重力效应。
4. 散热不受限制——太空是通过辐射释放多余热量的理想环境。

建造大型太空装置的经济前景也在发生根本性变化。据SpaceX预测，完全可重复使用的Starship火箭问世后，将1千克货物送入轨道的成本可能降至100美元。相比之下，使用航天飞机和一次性火箭时，这项成本为20000–40000美元。

发射成本实现革命性下降（降低200–400倍），再结合创纪录的运载能力——可将多达100吨有效载荷送入近地轨道——使人类有望在太空中建造专门针对太空环境设计的大型能源设施。

尽管如此，我认为行星际飞行仍将分阶段发展：首批探险任务可能会使用结合部分核能技术的化学火箭发动机，随后将研制完整的核动力推进系统；从长远来看，聚变动力系统将使常态化的行星际往来成为现实。

太空推进的其他构想

除火箭技术外，还有一些不同的太空推进构想，其中研究得较为成熟的一种是太阳帆。

太阳帆利用太阳光的压力为航天器加速。尽管这种压力极小（在地球附近，每平方米约为9微牛），但由于不需要燃料，这项技术对长期任务可能颇具吸引力。

日本的IKAROS于2010年、美国的LightSail-2于2019–2022年成功验证了这项技术的可行性。从理论上讲，如果帆面足够大且持续加速时间足够长，这类系统可以达到适合行星际飞行的可观速度。

展开后的LightSail-2太阳帆照片

激光帆是这一理念的进一步发展：它以定向的高功率激光束取代太阳光。Breakthrough Starshot项目提出利用这一原理抵达距离太阳系最近的恒星系统。

至于曲速引擎以及其他设想通过弯曲时空实现超光速航行的奇异构想，目前仍停留在理论物理领域。尽管物理学家米格尔·阿尔库别雷等人的研究提出了这类引擎的数学模型，但这些构想能否实现尚无定论；即使可行，也将是极其遥远的未来。

失重对人体的影响

人体如何适应长期太空生活，是行星际旅行的另一个重要方面。失重会对人体各个系统产生复杂影响。长期轨道飞行的经验表明，如果不采取专门的防护措施，这些变化可能十分显著。

主要生理变化包括骨量和肌肉量减少、体液重新分布以及心血管系统功能改变。在为期六个月的太空飞行中，我的钙流失量约为5%。由于我严格执行防护计划，这一数值低于平均水平。

有一件很有意思的事：第二次飞行前，我能做17个引体向上；返回地球后，我依然完成了相同数量的引体向上。这充分说明，只要在轨期间高质量完成体能训练，就能有效抵御失重带来的不良影响。

目前的防护计划包括每天进行两小时体能训练，使用专用训练器材和负荷服，并辅以药物支持。行星际飞行可能需要研发更先进的方法，包括通过旋转飞船舱段来产生人工重力。

隔离带来的心理挑战

少数人长期与外界隔离，共处于封闭空间，会面临严峻的心理挑战。在行星际飞行中，乘组将在飞船的有限空间内生活数月甚至数年，一旦发生危机，也无法迅速撤离。

要顺利完成此类任务，必须根据心理相容性和抗压能力谨慎选拔乘组。航天员应具备独立工作的能力、在团队中高效协作的能力，以及应对单调环境的能力。

在远距离太空飞行的心理支持方案中，虚拟现实系统是颇具前景的方向之一。它能够营造多样化环境的错觉，让乘组在心理上“走出”飞船的有限空间。

月球与火星探索的近期阶段

载人航天发展的现实路径，是循序推进行星际旅行。未来十年的核心任务将是让人类重返月球，并建立永久性月球基地。

NASA与国际伙伴合作实施的Artemis计划包括载人绕月飞行（Artemis II，2026）、航天员登陆月球南极（Artemis III，2027），以及随后建设永久性基础设施，包括Gateway月球轨道空间站和月球基地。

月球计划不仅本身具有重要意义，也是验证火星任务所需技术的试验场，包括生命保障系统、辐射防护、就地资源利用，以及在低重力环境下长期工作的能力。

艺术家构想的Artemis任务航天员登月场景

至于火星，我赞同专家的判断：首次载人火星探险最早也要到2030年代才可能实现。与此同时，在此类任务中使用化学推进系统的效率并不高。只有应用核推进系统，并在未来采用核聚变推进系统，真正可持续的行星际交通才有可能实现。

长期展望

从长远来看（21世纪下半叶），人类有望在火星建立永久基地，并进一步扩大在太阳系中的活动范围。

木星和土星卫星探测任务尤其值得关注，特别是那些存在地下液态水海洋的天体（木卫二、土卫二）。Europa Clipper（于2024年10月14日发射）和Dragonfly（计划于2028年发射）等无人探测任务，正在为更遥远未来可能开展的载人探险奠定科学基础。

长期太空探索规划中最重要的一环，是形成完善的太空经济。利用其他行星和太阳系小天体的资源，可以为人类在地球之外长期驻留奠定经济基础。这将使我们从远征模式转向真正的太空殖民，并推动人类逐步成为多行星物种。

如果国际社会能够从彼此割裂、相互竞争的项目转向造福全人类文明的系统性合作，发展速度可能提高几个数量级。当我们作为一个统一的人类共同体，以互利共赢的方式（win-win战略）携手探索太空时，那些今天看似无法跨越的技术难题将得到更快解决。

行星际旅行不仅是下一个技术前沿，也是推动人类文明、资源基础和自我认知实现深刻变革的机遇。如今，我们正站在人类历史这一崭新而非凡阶段的门槛上。

俄罗斯联邦宇航员、俄罗斯联邦英雄

亚历山大·米苏尔金