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(shí)

劇情簡(jiǎn)介《火星救援》是由二十世紀(jì)福斯電影公司出品，由雷德利·斯科特執(zhí)導(dǎo)，馬特·達(dá)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(shuō)改編，講述了由于一場(chǎng)沙塵暴，馬克與他的團(tuán)隊(duì)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(guó)上映，2015年11月25日以IMAX3D格式在中國(guó)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(dú)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(shí)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(shí)候，他被美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(kāi)發(fā)《魔獸爭(zhēng)霸2》。安迪首部小說(shuō)是一個(gè)短篇《蛋》（Egg），這部小說(shuō)在youtube上被多次改編成短片。安迪的首部長(zhǎng)篇小說(shuō)便是《火星救援》，他自學(xué)了大量的航天知識(shí)，小說(shuō)中的每一個(gè)日期，都源自他本人的精確計(jì)算。2009年，威爾開(kāi)始在自己的網(wǎng)站上連載。很快聚起來(lái)一批死忠讀者，這些讀者都是對(duì)科學(xué)細(xì)節(jié)極其挑剔的家伙，每當(dāng)有科學(xué)錯(cuò)誤都會(huì)被挑出來(lái)修改。而后的2011年，在粉絲的強(qiáng)烈要求下，亞馬遜Kindle版上架，價(jià)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(gè)月賣出了35000本，比他之前網(wǎng)站上免費(fèi)下載的次數(shù)還多。2013年，小說(shuō)的版權(quán)被皇冠出版社以超過(guò)十萬(wàn)美元的價(jià)格買走。安迪·威爾（AndyWeir）角色介紹（一）馬克·沃特尼演員：馬特·達(dá)蒙植物學(xué)家、機(jī)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(dòng)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(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）主管布魯斯·NG

演員：本尼迪特·王噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(guó)國(guó)家航天局副首席科學(xué)家郭明演員：高雄中國(guó)國(guó)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(zhǎng)NASA里奇·珀內(nèi)爾演員：唐納德·格洛沃軌道動(dòng)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(hào)航行指揮員NASA《火星救援》中真實(shí)的NASA科技一直以來(lái)，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(yuǎn)鏡觀測(cè)讓一些人猜想這顆星球被運(yùn)河所覆蓋，而這些運(yùn)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(gè)將會(huì)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(shuō)改編為廣播劇，并驚嚇到了一群以為自己正在聽(tīng)真實(shí)新聞的聽(tīng)眾。相較而言，火星和人類之間的真實(shí)故事就沒(méi)有那么浪漫，但其迷人之處并不減損分毫。望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)將天上的明亮紅點(diǎn)變成了模糊而斑駁的碟形，使人們產(chǎn)生了火星上有運(yùn)河存在的白日幻想。就在50年前，一架經(jīng)過(guò)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(guò)數(shù)十年的火星探索，人們發(fā)現(xiàn)火星曾經(jīng)存在過(guò)開(kāi)放水域——生命存在的基本要素。《火星救援》把關(guān)于火星的想象和事實(shí)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(shí)間推移至2030年——那時(shí)，NASA的宇航員會(huì)定期登上火星，并在火星表面上生活一段時(shí)間，進(jìn)行探索工作。盡管小說(shuō)的故事發(fā)生在20年后，NASA實(shí)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(shí)間呆在居住艙里，他遠(yuǎn)離家園時(shí)的家。未來(lái)登陸火星的宇航員也將需要這樣的一個(gè)家，要不然，宇航員們就得穿著太空服、躺在塵土里度過(guò)他們的火星時(shí)間。居住艙（Habitat）NASA的人類探索研究模擬器（HERA）是一個(gè)模擬外太空居住艙的獨(dú)立空間。這個(gè)兩層樓的空間由生活區(qū)、工作區(qū)、衛(wèi)生艙和一個(gè)模擬氣閘組成。在其中，測(cè)試對(duì)象們需要執(zhí)行操作任務(wù)，完成負(fù)載目標(biāo)，并共同生存14天（很快將計(jì)劃增加至60天），在孤立環(huán)境中模擬未來(lái)的任務(wù)。宇航員近期也在利用這一設(shè)施模擬國(guó)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(duì)方面的寶貴數(shù)據(jù)，有利于加深NASA對(duì)未來(lái)如何執(zhí)行外太空探索任務(wù)的理解。太空農(nóng)場(chǎng)（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(chǎng)（PlantFarm）現(xiàn)實(shí)世界中，NASA宇航員謝爾·林德格倫（

Kjell

Lindgren）正在國(guó)際空間站收割“素生”（Veggie）項(xiàng)目中種植的生菜。太空農(nóng)場(chǎng)（PlantFarm）在《火星救援》中，沃特尼將他的居住艙變成了一個(gè)自給自足的農(nóng)場(chǎng)，而土豆則成為了火星上的第一項(xiàng)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(guó)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(lán)和綠色光，Veggie項(xiàng)目能使植物長(zhǎng)在“枕頭”上——含有介質(zhì)和肥料，表層能進(jìn)行毛細(xì)作用的小袋子，并能被宇航員收獲。在2014年，宇航員通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)成功種植了“Outredgeous”紅色長(zhǎng)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(shí)，NASA也希望進(jìn)一步擴(kuò)展作物的數(shù)量和種類，以滿足未來(lái)登陸火星的宇航員的營(yíng)養(yǎng)需求。水回收（WaterRecovery）火星表層上沒(méi)有任何湖泊、河水或者海洋，如果從地球上運(yùn)水過(guò)去則要花上九個(gè)月以上的時(shí)間。火星上的宇航員必須創(chuàng)建出自己的供水系統(tǒng)。因?yàn)閼?zhàn)神3號(hào)上的水回收裝置，宇宙飛船上的全體成員在火星上沒(méi)有浪費(fèi)一滴水，而沃特尼則需要憑借自己的聰明才智，來(lái)保證自己在這顆紅色的星球上不至脫水，并且生存下來(lái)。在國(guó)際空間站上，沒(méi)有一滴汗水、眼淚甚至尿液會(huì)被浪費(fèi)。環(huán)境控制和維生系統(tǒng)會(huì)回收并循環(huán)使用從各種地方采集來(lái)的水：尿液、洗手水、口腔清潔時(shí)使用的水等等。通過(guò)水回收系統(tǒng)（WRS），水被回收、過(guò)濾，并重新被投入使用。一個(gè)宇航員曾這么說(shuō)過(guò)：“昨天的咖啡就是今天的咖啡?！痹谔罩校后w的確會(huì)造成一些棘手的問(wèn)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(shí)必須使用離心機(jī)來(lái)進(jìn)行蒸餾，因?yàn)樵谔罩校后w和氣體并不會(huì)像在地球上那樣分離。NASA沒(méi)有停止過(guò)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(guò)濾網(wǎng)（用于過(guò)濾無(wú)機(jī)污染物，以及不揮發(fā)的有機(jī)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(guò)程則會(huì)從尿液蒸餾的“底料”中回收每一滴水。在未來(lái)的探索任務(wù)中，宇航員對(duì)來(lái)自地球的水和零部件補(bǔ)給的依賴將會(huì)減少。這項(xiàng)科技也被引進(jìn)給了地球上的一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，或者遭受嚴(yán)重自然災(zāi)害的地區(qū)，來(lái)為他們提供清潔的飲水。氧氣生成（OxygenGeneration）水，食物，庇護(hù)所：它們是在地球生存的三項(xiàng)基本要素。然而，還有一個(gè)第四要素往往被我們忽視，因?yàn)樵诘厍蛏?，這種要素總是可以免費(fèi)獲取——那就是氧氣。在火星上，沃特尼可沒(méi)法跑出門外，呼吸一口新鮮空氣。要想活下來(lái)，他無(wú)論去哪兒都必須隨身攜帶自己的氧氣補(bǔ)給。但首先，他得制造出自己的補(bǔ)給。在他的居住艙中，他用的是“氧合機(jī)”——一種用來(lái)自火星升空載具（MAV）的燃料制造機(jī)富集的二氧化碳來(lái)制造氧氣的工具。在國(guó)際空間站，宇航員們擁有氧氣生成系統(tǒng)，它對(duì)空間站內(nèi)的空氣進(jìn)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(guò)電解過(guò)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(huì)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)。火星宇航服（MarsSpacesuit）火星表面對(duì)于人類來(lái)說(shuō)可并不怎么適宜。那里大氣溫度非常低，也幾乎沒(méi)有可以呼吸的空氣。在居住艙外的火星表面采集樣本、維護(hù)設(shè)施時(shí)，宇航員要想活下來(lái)，宇航服是必不可少的。火星宇航服（MarsSpacesuit）在他度過(guò)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(zhǎng)途旅行。因此他的宇航服應(yīng)當(dāng)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(jì)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(jì)的新型宇航服樣本，它們運(yùn)用了新技術(shù)解決了一些獨(dú)特的問(wèn)題，日后，這些技術(shù)將會(huì)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(jì)工程師在硬復(fù)合材料和纖維間進(jìn)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(huì)對(duì)宇航員和艙內(nèi)設(shè)施造成影響。為了應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，新宇航服的背后加上了宇航服接口（suitport）的設(shè)計(jì)，這樣，宇航員們就可以從艙內(nèi)快速跳進(jìn)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(jìn)室外宇航服的接口設(shè)計(jì)?；鹦擒嚕≧over）在《火星救援》中，沃特尼開(kāi)著他的火星車跑了好幾趟，他甚至還對(duì)他的火星車進(jìn)行了一些不怎么正統(tǒng)的改裝，好讓自己生存下來(lái)。火星車（Rover）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(zhǔn)備。MMSEV已被用于NASA的模擬任務(wù)項(xiàng)目，以幫助解決NASA已經(jīng)知曉的問(wèn)題，發(fā)掘尚未發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。這項(xiàng)技術(shù)的用途十分廣泛，可被用于支持未來(lái)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(jìn)出和輻射保護(hù)等問(wèn)題發(fā)揮了作用。為了保證探測(cè)器的機(jī)動(dòng)性，一些版本的探測(cè)器裝備了6個(gè)轉(zhuǎn)向輪。這樣，即使有一個(gè)爆胎，只要向上收起出了問(wèn)題的輪胎，火星車依舊可以正常運(yùn)作。NASA的多任務(wù)太空探索車（MMSEV）。圖片來(lái)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(hào)上的宇航員們?cè)诤諣柲固?hào)宇宙飛船上生活了幾個(gè)月的時(shí)間，使用離子引擎這種有效的推進(jìn)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(shí)35萬(wàn)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(guò)年復(fù)一年的持續(xù)加速，飛船最終可以達(dá)到驚人的速度。離子推進(jìn)還允許飛船多次改變它的軌道，然后脫離軌道，奔向另一個(gè)遙遠(yuǎn)的世界。NASA設(shè)計(jì)的“新一代”（NEXT）離子引擎。離子引擎（IonPropulsion）這項(xiàng)技術(shù)使NASA今天的航天器，比如曙光號(hào)探測(cè)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(hào)目前已經(jīng)完成了超過(guò)五年的持續(xù)加速，累計(jì)速度變化達(dá)到了每小時(shí)40000千米，超過(guò)了任何只靠自身推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)的宇宙飛船。一路上，它完成了人類對(duì)矮行星灶神星以及小行星谷神星的第一次造訪。NASA設(shè)計(jì)的“新一代”（NEXT）離子引擎。太陽(yáng)能電池板（SolarPanels）火星上沒(méi)有加油站，沒(méi)有發(fā)電廠，同時(shí)也幾乎沒(méi)有風(fēng)能。對(duì)這顆紅色星球上的載人任務(wù)來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能能幫上宇航員們的大忙。《火星救援》中，赫爾墨斯號(hào)宇宙飛船使用了太陽(yáng)能電池陣來(lái)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(yáng)能板，來(lái)維持自己的生存。太陽(yáng)能電池板（SolarPanels）在國(guó)際空間站，四套太陽(yáng)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(jìn)行供電?？臻g站并不需要那么多的能量，但如果出了差錯(cuò)，冗余能夠有助于降低風(fēng)險(xiǎn)?？臻g站的太陽(yáng)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(guó)際空間站上的太陽(yáng)能電池板，背景中的星球是地球。圖片來(lái)源：NASA太陽(yáng)能電池板（SolarPanels）NASA的獵戶座飛船——一艘將會(huì)帶著人們到達(dá)前所未有距離的飛船——也將會(huì)使用太陽(yáng)能電池陣列來(lái)執(zhí)行日后的任務(wù)。在陽(yáng)光下時(shí)，電池陣列能收集能源，為船上的鋰離子電池充電。在沒(méi)有陽(yáng)光的情況下——比如在月球背后運(yùn)行時(shí)——仍然會(huì)有足夠的能量供獵戶座飛船運(yùn)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(yuǎn)的地方，以防核泄漏發(fā)生。就像電影中所說(shuō)的一樣，為了避免任何可能的泄露，钚-238本身就有幾層堅(jiān)固而先進(jìn)的材料，即使經(jīng)歷了嚴(yán)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(dòng)幾厘米，也并不會(huì)穿透衣服或者人類皮膚。只有當(dāng)它被分解成微?；蛘舭l(fā)，并被吸入或攝入的時(shí)候才會(huì)對(duì)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(shí)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(lái)，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(jì)劃在內(nèi)的二十多個(gè)任務(wù)提供了電力。“好奇號(hào)”火星車，以及即將升空的火星2020探測(cè)器等航天器使用的則是經(jīng)過(guò)改進(jìn)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?hào)”上的RTG產(chǎn)生的電力不超過(guò)110瓦特——僅僅略高于普通的燈泡所需的電力。在現(xiàn)實(shí)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(duì)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(lái)的宇航員設(shè)計(jì)保護(hù)措施。未來(lái)的探險(xiǎn)家需要在到達(dá)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(yáng)能、燃料電池和核裂變組成的一系列組合。載人航天是個(gè)