解讀《火星救援》課件

1、解讀火星救援火星救援中的科學知識1解讀火星救援火星救援中的科學知識1 劇情簡介火星救援是由二十世紀福斯電影公司出品，由雷德利斯科特執(zhí)導，馬特達蒙、杰西卡查斯坦、塞巴斯蒂安斯坦、阿卡塞爾亨涅聯(lián)袂出演的科幻片。該片根據安迪威爾的同名小說改編，講述了由于一場沙塵暴，馬克與他的團隊失聯(lián)，孤身一人置身于火星面臨著飛船損毀，想方設法回地球的故事。影片于2015年10月2日以3D的形式在美國上映，2015年11月25日以IMAX3D格式在中國大陸上映。2 劇情簡介火星救援是由二十世紀福斯電影公司出品，由雷德利 作者介紹火星救援原著作者為安迪威爾，出生于加利福尼亞州。安迪是家中獨子，父親是物理學家，母親是工程

2、師。他從小喜歡閱讀黃金時代作家的科幻作品，阿瑟克拉克和阿西莫夫都是他的偶像。15歲時候，他被美國國家實驗室聘為軟件工程師，之后又在其他企業(yè)擔任程序員，并參與開發(fā)魔獸爭霸2。安迪首部小說是一個短篇蛋（Egg），這部小說在youtube上被多次改編成短片。安迪的首部長篇小說便是火星救援，他自學了大量的航天知識，小說中的每一個日期，都源自他本人的精確計算。2009年，威爾開始在自己的網站上連載。很快聚起來一批死忠讀者，這些讀者都是對科學細節(jié)極其挑剔的家伙，每當有科學錯誤都會被挑出來修改。而后的2011年，在粉絲的強烈要求下，亞馬遜Kindle版上架，價格則是最低的0.99刀。結果很快爬上了科幻類作品

3、的榜首，不到三個月賣出了35000本，比他之前網站上免費下載的次數還多。2013年，小說的版權被皇冠出版社以超過十萬美元的價格買走。安迪威爾（Andy Weir）3 作者介紹火星救援原著作者為安迪威爾，出生于加利福尼亞角色介紹（一）馬克沃特尼演員：馬特達蒙植物學家、機械工程師克里斯貝克 演員 塞巴斯蒂安斯坦飛行外科醫(yī)生、艙外活動專家阿萊克斯沃格爾 演員 阿卡塞爾亨涅導航員、化學家梅麗莎劉易斯演員：杰西卡查斯坦指揮官、地質學家、軍人貝斯約翰森 演員 凱特瑪拉系統(tǒng)操作員、反應器技術員里克馬丁內斯演員：邁克爾佩納飛行員、軍人4角色介紹（一）馬克沃特尼克里斯貝克 阿萊克斯沃格爾 梅角色介紹（二）泰迪桑

4、德斯演員：杰夫丹尼爾斯美國國家航空航天局（NASA）主管布魯斯NG 演員：本尼迪特王噴氣推進實驗室主任NASA文森特卡普爾 演員：切瓦特埃加福特火星任務總指揮NASA朱濤演員：陳數中國國家航天局 副首席科學家郭明 演員：高雄中國國家航天局 首席科學家安妮蒙特羅斯演員：克里斯汀韋格媒體關系部部長 NASA里奇珀內爾演員：唐納德格洛沃軌道動力學家明迪帕克 演員：麥肯茲戴維斯衛(wèi)星通訊 NASA米奇亨德森 演員：肖恩賓赫爾墨斯號航行指揮員 NASA5角色介紹（二）泰迪桑德斯布魯斯NG 文森特卡普爾 朱濤火星救援中真實的NASA科技一直以來，火星都在人類的想象和文化中占據著中心位置。古人訝異于它的紅色，

5、以及年復一年循著周期跌宕起伏的亮度。早期的望遠鏡觀測讓一些人猜想這顆星球被運河所覆蓋，而這些運河則是火星居民用于交通和貿易的通道。在世界大戰(zhàn)一書中，作者H.G. 威爾斯（H.G.Wells）設定了一個將會企圖征服地球的火星文明。在1938年，奧森威爾士（Orson Welles）將威爾斯的小說改編為廣播劇，并驚嚇到了一群以為自己正在聽真實新聞的聽眾。相較而言，火星和人類之間的真實故事就沒有那么浪漫，但其迷人之處并不減損分毫。望遠鏡的觀測將天上的明亮紅點變成了模糊而斑駁的碟形，使人們產生了火星上有運河存在的白日幻想。就在50年前，一架經過火星的航天器拍下了它的第一張照片，顯示火星擁有模糊的大氣層

6、。現(xiàn)在，經過數十年的火星探索，人們發(fā)現(xiàn)火星曾經存在過開放水域生命存在的基本要素。火星救援把關于火星的想象和事實結合在了一起，將故事建立在NASA和其他組織為探索火星所做的共同努力上，并把時間推移至2030年那時，NASA的宇航員會定期登上火星，并在火星表面上生活一段時間，進行探索工作。盡管小說的故事發(fā)生在20年后，NASA實際上已經擁有了電影中出現(xiàn)的許多技術。6火星救援中真實的NASA科技一直以來，火星都在人類的想象居住艙（Habitat）在火星上，沃特尼（Watney）花了大量的時間呆在居住艙里，他遠離家園時的家。未來登陸火星的宇航員也將需要這樣的一個家，要不然，宇航員們就得穿著太空服、躺在

7、塵土里度過他們的火星時間。7居住艙（Habitat）在火星上，沃特尼（Watney）花了居住艙（Habitat）NASA的人類探索研究模擬器（HERA）是一個模擬外太空居住艙的獨立空間。這個兩層樓的空間由生活區(qū)、工作區(qū)、衛(wèi)生艙和一個模擬氣閘組成。在其中，測試對象們需要執(zhí)行操作任務，完成負載目標，并共同生存14天（很快將計劃增加至60天），在孤立環(huán)境中模擬未來的任務。宇航員近期也在利用這一設施模擬國際空間站的任務。這些模擬提供了人為因素、行為健康以及處理應對方面的寶貴數據，有利于加深NASA對未來如何執(zhí)行外太空探索任務的理解。8居住艙（Habitat）NASA的人類探索研究模擬器（HER太空農場

8、（Plant Farm）火星救援中的宇航員馬克沃特尼在火星上種植土豆。9太空農場（Plant Farm）火星救援中的宇航員馬克太空農場（Plant Farm）現(xiàn)實世界中，NASA宇航員謝爾林德格倫（KjellLindgren）正在國際空間站收割“素生”（Veggie）項目中種植的生菜。10太空農場（Plant Farm）現(xiàn)實世界中，NASA宇航員謝太空農場（Plant Farm）在火星救援中，沃特尼將他的居住艙變成了一個自給自足的農場，而土豆則成為了火星上的第一項主要農產品。而現(xiàn)在，在地球的近地軌道附近，生菜是最為充足的作物。在國際空間站有一套可應用的新鮮食品生產系統(tǒng)：“Veggie”。使用紅

9、、藍和綠色光，Veggie項目能使植物長在“枕頭”上含有介質和肥料，表層能進行毛細作用的小袋子，并能被宇航員收獲。在2014年，宇航員通過這個系統(tǒng)成功種植了“Outredgeous”紅色長葉萵苣，并在最近第一次品嘗了這種宇宙蔬菜。這是太空種植上重大的一步，同時，NASA也希望進一步擴展作物的數量和種類，以滿足未來登陸火星的宇航員的營養(yǎng)需求。11太空農場（Plant Farm）在火星救援中，沃特尼將他水回收（Water Recovery）火星表層上沒有任何湖泊、河水或者海洋，如果從地球上運水過去則要花上九個月以上的時間。火星上的宇航員必須創(chuàng)建出自己的供水系統(tǒng)。因為戰(zhàn)神3號上的水回收裝置，宇宙飛船

10、上的全體成員在火星上沒有浪費一滴水，而沃特尼則需要憑借自己的聰明才智，來保證自己在這顆紅色的星球上不至脫水，并且生存下來。在國際空間站上，沒有一滴汗水、眼淚甚至尿液會被浪費。環(huán)境控制和維生系統(tǒng)會回收并循環(huán)使用從各種地方采集來的水：尿液、洗手水、口腔清潔時使用的水等等。通過水回收系統(tǒng)（WRS），水被回收、過濾，并重新被投入使用。一個宇航員曾這么說過：“昨天的咖啡就是今天的咖啡?！痹谔罩校后w的確會造成一些棘手的問題。水回收系統(tǒng)等相關系統(tǒng)必須考慮到，在微重力空間中液體的表現(xiàn)是非常不同的。比如，水回收系統(tǒng)處理尿液時必須使用離心機來進行蒸餾，因為在太空中，液體和氣體并不會像在地球上那樣分離。NASA

11、沒有停止過研發(fā)水回收新技術的腳步。目前，有研究正在試圖提升一次性多用過濾網（用于過濾無機污染物，以及不揮發(fā)的有機污染物）的性能，使之成為水回收系統(tǒng)中更具永久性的部件。鹵水回收過程則會從尿液蒸餾的“底料”中回收每一滴水。在未來的探索任務中，宇航員對來自地球的水和零部件補給的依賴將會減少。這項科技也被引進給了地球上的一些偏遠地區(qū)，或者遭受嚴重自然災害的地區(qū)，來為他們提供清潔的飲水。12水回收（Water Recovery）火星表層上沒有任何湖泊氧氣生成（Oxygen Generation）水，食物，庇護所：它們是在地球生存的三項基本要素。然而，還有一個第四要素往往被我們忽視，因為在地球上，這種要素

12、總是可以免費獲取那就是氧氣。在火星上，沃特尼可沒法跑出門外，呼吸一口新鮮空氣。要想活下來，他無論去哪兒都必須隨身攜帶自己的氧氣補給。但首先，他得制造出自己的補給。在他的居住艙中，他用的是“氧合機”一種用來自火星升空載具（MAV）的燃料制造機富集的二氧化碳來制造氧氣的工具。在國際空間站，宇航員們擁有氧氣生成系統(tǒng)，它對空間站內的空氣進行再處理，高效、可持續(xù)地為宇航員們不間斷提供可呼吸的空氣。這種裝置通過電解過程，將水分子中的氫原子和氧原子分離。其中，氧氣被釋放到空氣中，而氫氣則會被丟棄到宇宙中，或者被送入薩巴捷系統(tǒng)一種從空間站大氣的副產品中提取水的系統(tǒng)。13氧氣生成（Oxygen Generati

13、on）水，食物，庇護火星宇航服（Mars Spacesuit）火星表面對于人類來說可并不怎么適宜。那里大氣溫度非常低，也幾乎沒有可以呼吸的空氣。在居住艙外的火星表面采集樣本、維護設施時，宇航員要想活下來，宇航服是必不可少的。14火星宇航服（Mars Spacesuit）火星表面對于人類來火星宇航服（Mars Spacesuit）在他度過的那些火星日（sol，也就是火星上的日出日落一周期）中，馬克沃特尼經常穿著宇航服工作，他最后還需要在火星上長途旅行。因此他的宇航服應當是靈活、舒適而可靠的?，F(xiàn)在，NASA正在研究可用于火星探索的宇航服技術。從穿越火星地貌到采集巖石樣本，設計工程師需要考慮到宇航員

14、在火星上所需執(zhí)行的一切任務。Z-2和Prototype eXploration宇航服是NASA設計的新型宇航服樣本，它們運用了新技術解決了一些獨特的問題，日后，這些技術將會被用于首批登上火星的宇航員們所穿的宇航服上。它們分別用于解決不同的技術缺口也就是宇航服完成火星任務所缺失的功能。宇航服設計工程師在硬復合材料和纖維間進行權衡，尋找耐用性和靈活性的平衡。15火星宇航服（Mars Spacesuit）在他度過的那些火星火星宇航服（Mars Spacesuit）行走在火星中的一大挑戰(zhàn)是火星上的塵土。在火星表面行走后，火星的紅色土壤如果被帶入了宇宙飛船內，會對宇航員和艙內設施造成影響。為了應對這一問

15、題，新宇航服的背后加上了宇航服接口（suitport）的設計，這樣，宇航員們就可以從艙內快速跳進宇航服，將宇航服留在艙外，從而使室內保持清潔。直接從艙內跳進室外宇航服的接口設計。16火星宇航服（Mars Spacesuit）行走在火星中的一大火星車（Rover）在火星救援中，沃特尼開著他的火星車跑了好幾趟，他甚至還對他的火星車進行了一些不怎么正統(tǒng)的改裝，好讓自己生存下來。17火星車（Rover）在火星救援中，沃特尼開著他的火星車跑火星車（Rover）今天，在地球上，NASA正在使用多任務太空探索車（MMSEV），為可能遇到的一切情況做準備。MMSEV已被用于NASA的模擬任務項目，以幫助解決N

16、ASA已經知曉的問題，發(fā)掘尚未發(fā)現(xiàn)的問題。這項技術的用途十分廣泛，可被用于支持未來探索小行星、火星、火星的衛(wèi)星及其他類型的任務。目前，MMSEV已經為解決諸如行駛距離、快速進出和輻射保護等問題發(fā)揮了作用。為了保證探測器的機動性，一些版本的探測器裝備了6個轉向輪。這樣，即使有一個爆胎，只要向上收起出了問題的輪胎，火星車依舊可以正常運作。NASA的多任務太空探索車（MMSEV）。圖片來源：NASA18火星車（Rover）今天，在地球上，NASA正在使用多任務太離子引擎（Ion Propulsion）火星救援中，在往返火星的旅途中，戰(zhàn)神3號上的宇航員們在赫爾墨斯號宇宙飛船上生活了幾個月的時間，使用離

17、子引擎這種有效的推進方式，穿越了將近5億千米的空間。離子引擎的工作方式是向氬氣或者氙氣通電，以大約每小時35萬公里的高速釋放出離子。宇宙飛船受到的力像微風一般輕柔，但通過年復一年的持續(xù)加速，飛船最終可以達到驚人的速度。離子推進還允許飛船多次改變它的軌道，然后脫離軌道，奔向另一個遙遠的世界。NASA設計的“新一代”（NEXT）離子引擎。19離子引擎（Ion Propulsion）火星救援中，在往離子引擎（Ion Propulsion）這項技術使NASA今天的航天器，比如曙光號探測器，得以盡可能地減少燃料的消耗，并能夠完成一些瘋狂的軌道變換。曙光號目前已經完成了超過五年的持續(xù)加速，累計速度變化達到

18、了每小時40000千米，超過了任何只靠自身推進系統(tǒng)推進的宇宙飛船。一路上，它完成了人類對矮行星灶神星以及小行星谷神星的第一次造訪。NASA設計的“新一代”（NEXT）離子引擎。20離子引擎（Ion Propulsion）這項技術使NASA今太陽能電池板（Solar Panels）火星上沒有加油站，沒有發(fā)電廠，同時也幾乎沒有風能。對這顆紅色星球上的載人任務來說，太陽能能幫上宇航員們的大忙?；鹦蔷仍校諣柲固栍钪骘w船使用了太陽能電池陣來發(fā)電，而馬克沃特尼不得不采取一些非傳統(tǒng)的方式使用太陽能板，來維持自己的生存。21太陽能電池板（Solar Panels）火星上沒有加油站，沒太陽能電池板（Sol

19、ar Panels）在國際空間站，四套太陽能電池陣能夠產生84到124千瓦的電力足夠向四十戶人家進行供電。空間站并不需要那么多的能量，但如果出了差錯，冗余能夠有助于降低風險?？臻g站的太陽能發(fā)電系統(tǒng)是非常可靠的，自首批宇航員在2000年登陸至今，空間站一直安全地向宇航員們提供著電力。國際空間站上的太陽能電池板，背景中的星球是地球。圖片來源：NASA22太陽能電池板（Solar Panels）在國際空間站，四套太太陽能電池板（Solar Panels）NASA的獵戶座飛船一艘將會帶著人們到達前所未有距離的飛船也將會使用太陽能電池陣列來執(zhí)行日后的任務。在陽光下時，電池陣列能收集能源，為船上的鋰離子電

20、池充電。在沒有陽光的情況下比如在月球背后運行時仍然會有足夠的能量供獵戶座飛船運作。23太陽能電池板（Solar Panels）NASA的獵戶座飛船放射性同位素熱電發(fā)生器（RTG）在火星救援中，宇航員們把基于钚的RTG能源埋在離他們的居住艙很遠的地方，以防核泄漏發(fā)生。就像電影中所說的一樣，為了避免任何可能的泄露，钚-238本身就有幾層堅固而先進的材料，即使經歷了嚴重事故也不至于泄露。RTG主要發(fā)出阿爾法射線，它只能在空中移動幾厘米，也并不會穿透衣服或者人類皮膚。只有當它被分解成微粒或蒸發(fā)，并被吸入或攝入的時候才會對人類的健康產生危害。這種同位素是以陶瓷形式制造的，特別地是，它不溶于液體，因此，被

21、吸入和攝入的可能性實際上是微乎其微的。24放射性同位素熱電發(fā)生器（RTG）在火星救援中，宇航員們把放射性同位素熱電發(fā)生器（RTG）40多年來，NASA已經安全地使用放射性同位素熱電發(fā)生器（RTGs），為包括阿波羅登月計劃在內的二十多個任務提供了電力。 “好奇號”火星車，以及即將升空的火星2020探測器等航天器使用的則是經過改進的新一代發(fā)電裝置。RTG是一種將钚-238的自然放射性衰變的熱量轉化為可靠電力的“太空電池”?！昂闷嫣枴鄙系腞TG產生的電力不超過110瓦特僅僅略高于普通的燈泡所需的電力。在現(xiàn)實中，火星環(huán)境的自然輻射比RTG產生的輻射要大多了。從外太空落到火星上的電離輻射雨對人類的健康也更加有害。目前，NASA的火星任務也正在分析火星上的輻射環(huán)境，好讓任務規(guī)劃者為未來的宇航員設計保護措施。未來的探險家需要在到達火星之前，確保有可靠持久的能源保證他們的生存。電力系統(tǒng)可能包括由更有效的放射性同位素發(fā)電系統(tǒng)、太陽能、燃料電池和核裂變組成的一系列組合。25放射性同位素熱電發(fā)生器（RTG）40多年來，NASA已經安全載人航天是個危險的行當。NASA計劃在21世紀30年代將人類送上火星，但在這之前，要保證宇航員們安全地返回地球，還需要實現(xiàn)許多里程碑式的進步。斯考特凱里（Scott Kell