解讀《火星救援》課件

解讀《火星救援》——《火星救援》中的科學(xué)知識

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(dǎo)，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(jù)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(shè)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。

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(xué)家，母親是工程師。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(dān)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(xué)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(wǎng)站上連載。很快聚起來一批死忠讀者，這些讀者都是對科學(xué)細節(jié)極其挑剔的家伙，每當有科學(xué)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(jié)果很快爬上了科幻類作品的榜首，不到三個月賣出了35000本，比他之前網(wǎng)站上免費下載的次數(shù)還多。2013年，小說的版權(quán)被皇冠出版社以超過十萬美元的價格買走。安迪·威爾（AndyWeir）角色介紹（一）馬克·沃特尼演員：馬特·達蒙植物學(xué)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(dǎo)航員、化學(xué)家梅麗莎·劉易斯演員：杰西卡·查斯坦指揮官、地質(zhì)學(xué)家、軍人貝斯·約翰森演員凱特·瑪拉系統(tǒng)操作員、反應(yīng)器技術(shù)員里克·馬丁內(nèi)斯演員：邁克爾·佩納飛行員、軍人角色介紹（二）泰迪·桑德斯演員：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(wù)總指揮NASA朱濤演員：陳數(shù)中國國家航天局副首席科學(xué)家郭明演員：高雄中國國家航天局首席科學(xué)家安妮·蒙特羅斯演員：克里斯汀·韋格媒體關(guān)系部部長NASA里奇·珀內(nèi)爾演員：唐納德·格洛沃軌道動力學(xué)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NASA《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(jù)著中心位置。古人訝異于它的紅色，以及年復(fù)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(mào)易的通道。在《世界大戰(zhàn)》一書中，作者H.G.威爾斯（H.G.Wells）設(shè)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（OrsonWelles）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(chǎn)生了火星上有運河存在的白日幻想。就在50年前，一架經(jīng)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。現(xiàn)在，經(jīng)過數(shù)十年的火星探索，人們發(fā)現(xiàn)火星曾經(jīng)存在過開放水域——生命存在的基本要素?！痘鹦蔷仍钒殃P(guān)于火星的想象和事實結(jié)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(jīng)擁有了電影中出現(xiàn)的許多技術(shù)。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、躺在塵土里度過他們的火星時間。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(wù)，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(wù)。宇航員近期也在利用這一設(shè)施模擬國際空間站的任務(wù)。這些模擬提供了人為因素、行為健康以及處理應(yīng)對方面的寶貴數(shù)據(jù)，有利于加深NASA對未來如何執(zhí)行外太空探索任務(wù)的理解。太空農(nóng)場（PlantFarm）《火星救援》中的宇航員馬克·沃特尼在火星上種植土豆。太空農(nóng)場（PlantFarm）現(xiàn)實世界中，NASA宇航員謝爾·林德格倫（

Kjell

Lindgren）正在國際空間站收割“素生”（Veggie）項目中種植的生菜。太空農(nóng)場（PlantFarm）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(nóng)場，而土豆則成為了火星上的第一項主要農(nóng)產(chǎn)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(yīng)用的新鮮食品生產(chǎn)系統(tǒng)：“Veggie”。使用紅、藍和綠色光，Veggie項目能使植物長在“枕頭”上——含有介質(zhì)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(shù)量和種類，以滿足未來登陸火星的宇航員的營養(yǎng)需求。水回收（WaterRecovery）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?；鹦巧系挠詈絾T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。”在太空中，液體的確會造成一些棘手的問題。水回收系統(tǒng)等相關(guān)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沒有停止過研發(fā)水回收新技術(shù)的腳步。目前，有研究正在試圖提升一次性多用過濾網(wǎng)（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(wù)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(zāi)害的地區(qū)，來為他們提供清潔的飲水。氧氣生成（OxygenGeneration）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(nèi)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(chǎn)品中提取水的系統(tǒng)?；鹦怯詈椒∕arsSpacesuit）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(shè)施時，宇航員要想活下來，宇航服是必不可少的?；鹦怯詈椒∕arsSpacesuit）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(jīng)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(yīng)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(shù)。從穿越火星地貌到采集巖石樣本，設(shè)計工程師需要考慮到宇航員在火星上所需執(zhí)行的一切任務(wù)。Z-2和PrototypeeXploration宇航服是NASA設(shè)計的新型宇航服樣本，它們運用了新技術(shù)解決了一些獨特的問題，日后，這些技術(shù)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(shù)缺口——也就是宇航服完成火星任務(wù)所缺失的功能。宇航服設(shè)計工程師在硬復(fù)合材料和纖維間進行權(quán)衡，尋找耐用性和靈活性的平衡?；鹦怯詈椒∕arsSpacesuit）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(nèi)，會對宇航員和艙內(nèi)設(shè)施造成影響。為了應(yīng)對這一問題，新宇航服的背后加上了宇航服接口（suitport）的設(shè)計，這樣，宇航員們就可以從艙內(nèi)快速跳進宇航服，將宇航服留在艙外，從而使室內(nèi)保持清潔。直接從艙內(nèi)跳進室外宇航服的接口設(shè)計?；鹦擒嚕≧over）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?；鹦擒嚕≧over）今天，在地球上，NASA正在使用多任務(wù)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(wù)項目，以幫助解決NASA已經(jīng)知曉的問題，發(fā)掘尚未發(fā)現(xiàn)的問題。這項技術(shù)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(wù)。目前，MMSEV已經(jīng)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(zhuǎn)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(wù)太空探索車（MMSEV）。圖片來源：NASA離子引擎（IonPropulsion）《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(fēng)一般輕柔，但通過年復(fù)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(shè)計的“新一代”（NEXT）離子引擎。離子引擎（IonPropulsion）這項技術(shù)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(jīng)完成了超過五年的持續(xù)加速，累計速度變化達到了每小時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(shè)計的“新一代”（NEXT）離子引擎。太陽能電池板（SolarPanels）火星上沒有加油站，沒有發(fā)電廠，同時也幾乎沒有風(fēng)能。對這顆紅色星球上的載人任務(wù)來說，太陽能能幫上宇航員們的大忙?！痘鹦蔷仍分?，赫爾墨斯號宇宙飛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。太陽能電池板（SolarPanels）在國際空間站，四套太陽能電池陣能夠產(chǎn)生84到124千瓦的電力——足夠向四十戶人家進行供電?？臻g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(fēng)險?？臻g站的太陽能發(fā)電系統(tǒng)是非?？煽康模允着詈絾T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：NASA太陽能電池板（SolarPanels）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(wù)。在陽光下時，電池陣列能收集能源，為船上的鋰離子電池充電。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。放射性同位素?zé)犭姲l(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(jīng)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?；蛘舭l(fā)，并被吸入或攝入的時候才會對人類的健康產(chǎn)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，被吸入和攝入的可能性實際上是微乎其微的。放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器（RTG）40多年來，NASA已經(jīng)安全地使用放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器（RTGs），為包括阿波羅登月計劃在內(nèi)的二十多個任務(wù)提供了電力?！昂闷嫣枴被鹦擒?，以及即將升空的火星2020探測器等航天器使用的則是經(jīng)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(zhuǎn)化為可靠電力的“太空電池”?！昂闷嫣枴鄙系腞TG產(chǎn)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(chǎn)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(wù)也正在分析火星上的輻射環(huán)境，好讓任務(wù)規(guī)劃者為未來的宇航員設(shè)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。載人航天是個