解读《火星救援》课件

解读《火星救援》——《火星救援》中的科学知识

剧情简介《火星救援》是由二十世纪福斯电影公司出品，由雷德利·斯科特执导，马特·达蒙、杰西卡·查斯坦、塞巴斯蒂安·斯坦、阿卡塞尔·亨涅联袂出演的科幻片。该片根据安迪·威尔的同名小说改编，讲述了由于一场沙尘暴，马克与他的团队失联，孤身一人置身于火星面临着飞船损毁，想方设法回地球的故事。影片于2015年10月2日以3D的形式在美国上映，2015年11月25日以IMAX3D格式在中国大陆上映。

作者介绍《火星救援》原著作者为安迪·威尔，出生于加利福尼亚州。安迪是家中独子，父亲是物理学家，母亲是工程师。他从小喜欢阅读黄金时代作家的科幻作品，阿瑟·克拉克和阿西莫夫都是他的偶像。15岁时候，他被美国国家实验室聘为软件工程师，之后又在其他企业担任程序员，并参与开发《魔兽争霸2》。安迪首部小说是一个短篇《蛋》（Egg），这部小说在youtube上被多次改编成短片。安迪的首部长篇小说便是《火星救援》，他自学了大量的航天知识，小说中的每一个日期，都源自他本人的精确计算。2009年，威尔开始在自己的网站上连载。很快聚起来一批死忠读者，这些读者都是对科学细节极其挑剔的家伙，每当有科学错误都会被挑出来修改。而后的2011年，在粉丝的强烈要求下，亚马逊Kindle版上架，价格则是最低的0.99刀。结果很快爬上了科幻类作品的榜首，不到三个月卖出了35000本，比他之前网站上免费下载的次数还多。2013年，小说的版权被皇冠出版社以超过十万美元的价格买走。安迪·威尔（AndyWeir）角色介绍（一）马克·沃特尼演员：马特·达蒙植物学家、机械工程师克里斯·贝克演员塞巴斯蒂安·斯坦飞行外科医生、舱外活动专家阿莱克斯·沃格尔

演员阿卡塞尔·亨涅导航员、化学家梅丽莎·刘易斯演员：杰西卡·查斯坦指挥官、地质学家、军人贝斯·约翰森演员凯特·玛拉系统操作员、反应器技术员里克·马丁内斯演员：迈克尔·佩纳飞行员、军人角色介绍（二）泰迪·桑德斯演员：杰夫·丹尼尔斯美国国家航空航天局（NASA）主管布鲁斯·NG

演员：本尼迪特·王喷气推进实验室主任NASA文森特·卡普尔

演员：切瓦特·埃加福特火星任务总指挥NASA朱涛演员：陈数中国国家航天局副首席科学家郭明演员：高雄中国国家航天局首席科学家安妮·蒙特罗斯演员：克里斯汀·韦格媒体关系部部长NASA里奇·珀内尔演员：唐纳德·格洛沃轨道动力学家明迪·帕克演员：麦肯兹·戴维斯卫星通讯NASA米奇·亨德森

演员：肖恩·宾赫尔墨斯号航行指挥员NASA《火星救援》中真实的NASA科技一直以来，火星都在人类的想象和文化中占据着中心位置。古人讶异于它的红色，以及年复一年循着周期跌宕起伏的亮度。早期的望远镜观测让一些人猜想这颗星球被运河所覆盖，而这些运河则是火星居民用于交通和贸易的通道。在《世界大战》一书中，作者H.G.威尔斯（H.G.Wells）设定了一个将会企图征服地球的火星文明。在1938年，奥森·威尔士（OrsonWelles）将威尔斯的小说改编为广播剧，并惊吓到了一群以为自己正在听真实新闻的听众。相较而言，火星和人类之间的真实故事就没有那么浪漫，但其迷人之处并不减损分毫。望远镜的观测将天上的明亮红点变成了模糊而斑驳的碟形，使人们产生了火星上有运河存在的白日幻想。就在50年前，一架经过火星的航天器拍下了它的第一张照片，显示火星拥有模糊的大气层。现在，经过数十年的火星探索，人们发现火星曾经存在过开放水域——生命存在的基本要素。《火星救援》把关于火星的想象和事实结合在了一起，将故事建立在NASA和其他组织为探索火星所做的共同努力上，并把时间推移至2030年——那时，NASA的宇航员会定期登上火星，并在火星表面上生活一段时间，进行探索工作。尽管小说的故事发生在20年后，NASA实际上已经拥有了电影中出现的许多技术。居住舱（Habitat）在火星上，沃特尼（Watney）花了大量的时间呆在居住舱里，他远离家园时的家。未来登陆火星的宇航员也将需要这样的一个家，要不然，宇航员们就得穿着太空服、躺在尘土里度过他们的火星时间。居住舱（Habitat）NASA的人类探索研究模拟器（HERA）是一个模拟外太空居住舱的独立空间。这个两层楼的空间由生活区、工作区、卫生舱和一个模拟气闸组成。在其中，测试对象们需要执行操作任务，完成负载目标，并共同生存14天（很快将计划增加至60天），在孤立环境中模拟未来的任务。宇航员近期也在利用这一设施模拟国际空间站的任务。这些模拟提供了人为因素、行为健康以及处理应对方面的宝贵数据，有利于加深NASA对未来如何执行外太空探索任务的理解。太空农场（PlantFarm）《火星救援》中的宇航员马克·沃特尼在火星上种植土豆。太空农场（PlantFarm）现实世界中，NASA宇航员谢尔·林德格伦（

Kjell

Lindgren）正在国际空间站收割“素生”（Veggie）项目中种植的生菜。太空农场（PlantFarm）在《火星救援》中，沃特尼将他的居住舱变成了一个自给自足的农场，而土豆则成为了火星上的第一项主要农产品。而现在，在地球的近地轨道附近，生菜是最为充足的作物。在国际空间站有一套可应用的新鲜食品生产系统：“Veggie”。使用红、蓝和绿色光，Veggie项目能使植物长在“枕头”上——含有介质和肥料，表层能进行毛细作用的小袋子，并能被宇航员收获。在2014年，宇航员通过这个系统成功种植了“Outredgeous”红色长叶莴苣，并在最近第一次品尝了这种宇宙蔬菜。这是太空种植上重大的一步，同时，NASA也希望进一步扩展作物的数量和种类，以满足未来登陆火星的宇航员的营养需求。水回收（WaterRecovery）火星表层上没有任何湖泊、河水或者海洋，如果从地球上运水过去则要花上九个月以上的时间。火星上的宇航员必须创建出自己的供水系统。因为战神3号上的水回收装置，宇宙飞船上的全体成员在火星上没有浪费一滴水，而沃特尼则需要凭借自己的聪明才智，来保证自己在这颗红色的星球上不至脱水，并且生存下来。在国际空间站上，没有一滴汗水、眼泪甚至尿液会被浪费。环境控制和维生系统会回收并循环使用从各种地方采集来的水：尿液、洗手水、口腔清洁时使用的水等等。通过水回收系统（WRS），水被回收、过滤，并重新被投入使用。一个宇航员曾这么说过：“昨天的咖啡就是今天的咖啡。”在太空中，液体的确会造成一些棘手的问题。水回收系统等相关系统必须考虑到，在微重力空间中液体的表现是非常不同的。比如，水回收系统处理尿液时必须使用离心机来进行蒸馏，因为在太空中，液体和气体并不会像在地球上那样分离。NASA没有停止过研发水回收新技术的脚步。目前，有研究正在试图提升一次性多用过滤网（用于过滤无机污染物，以及不挥发的有机污染物）的性能，使之成为水回收系统中更具永久性的部件。卤水回收过程则会从尿液蒸馏的“底料”中回收每一滴水。在未来的探索任务中，宇航员对来自地球的水和零部件补给的依赖将会减少。这项科技也被引进给了地球上的一些偏远地区，或者遭受严重自然灾害的地区，来为他们提供清洁的饮水。氧气生成（OxygenGeneration）水，食物，庇护所：它们是在地球生存的三项基本要素。然而，还有一个第四要素往往被我们忽视，因为在地球上，这种要素总是可以免费获取——那就是氧气。在火星上，沃特尼可没法跑出门外，呼吸一口新鲜空气。要想活下来，他无论去哪儿都必须随身携带自己的氧气补给。但首先，他得制造出自己的补给。在他的居住舱中，他用的是“氧合机”——一种用来自火星升空载具（MAV）的燃料制造机富集的二氧化碳来制造氧气的工具。在国际空间站，宇航员们拥有氧气生成系统，它对空间站内的空气进行再处理，高效、可持续地为宇航员们不间断提供可呼吸的空气。这种装置通过电解过程，将水分子中的氢原子和氧原子分离。其中，氧气被释放到空气中，而氢气则会被丢弃到宇宙中，或者被送入萨巴捷系统——一种从空间站大气的副产品中提取水的系统。火星宇航服（MarsSpacesuit）火星表面对于人类来说可并不怎么适宜。那里大气温度非常低，也几乎没有可以呼吸的空气。在居住舱外的火星表面采集样本、维护设施时，宇航员要想活下来，宇航服是必不可少的。火星宇航服（MarsSpacesuit）在他度过的那些火星日（sol，也就是火星上的日出日落一周期）中，马克·沃特尼经常穿着宇航服工作，他最后还需要在火星上长途旅行。因此他的宇航服应当是灵活、舒适而可靠的。现在，NASA正在研究可用于火星探索的宇航服技术。从穿越火星地貌到采集岩石样本，设计工程师需要考虑到宇航员在火星上所需执行的一切任务。Z-2和PrototypeeXploration宇航服是NASA设计的新型宇航服样本，它们运用了新技术解决了一些独特的问题，日后，这些技术将会被用于首批登上火星的宇航员们所穿的宇航服上。它们分别用于解决不同的技术缺口——也就是宇航服完成火星任务所缺失的功能。宇航服设计工程师在硬复合材料和纤维间进行权衡，寻找耐用性和灵活性的平衡。火星宇航服（MarsSpacesuit）行走在火星中的一大挑战是火星上的尘土。在火星表面行走后，火星的红色土壤如果被带入了宇宙飞船内，会对宇航员和舱内设施造成影响。为了应对这一问题，新宇航服的背后加上了宇航服接口（suitport）的设计，这样，宇航员们就可以从舱内快速跳进宇航服，将宇航服留在舱外，从而使室内保持清洁。直接从舱内跳进室外宇航服的接口设计。火星车（Rover）在《火星救援》中，沃特尼开着他的火星车跑了好几趟，他甚至还对他的火星车进行了一些不怎么正统的改装，好让自己生存下来。火星车（Rover）今天，在地球上，NASA正在使用多任务太空探索车（MMSEV），为可能遇到的一切情况做准备。MMSEV已被用于NASA的模拟任务项目，以帮助解决NASA已经知晓的问题，发掘尚未发现的问题。这项技术的用途十分广泛，可被用于支持未来探索小行星、火星、火星的卫星及其他类型的任务。目前，MMSEV已经为解决诸如行驶距离、快速进出和辐射保护等问题发挥了作用。为了保证探测器的机动性，一些版本的探测器装备了6个转向轮。这样，即使有一个爆胎，只要向上收起出了问题的轮胎，火星车依旧可以正常运作。NASA的多任务太空探索车（MMSEV）。图片来源：NASA离子引擎（IonPropulsion）《火星救援》中，在往返火星的旅途中，战神3号上的宇航员们在赫尔墨斯号宇宙飞船上生活了几个月的时间，使用离子引擎这种有效的推进方式，穿越了将近5亿千米的空间。离子引擎的工作方式是向氩气或者氙气通电，以大约每小时35万公里的高速释放出离子。宇宙飞船受到的力像微风一般轻柔，但通过年复一年的持续加速，飞船最终可以达到惊人的速度。离子推进还允许飞船多次改变它的轨道，然后脱离轨道，奔向另一个遥远的世界。NASA设计的“新一代”（NEXT）离子引擎。离子引擎（IonPropulsion）这项技术使NASA今天的航天器，比如曙光号探测器，得以尽可能地减少燃料的消耗，并能够完成一些疯狂的轨道变换。曙光号目前已经完成了超过五年的持续加速，累计速度变化达到了每小时40000千米，超过了任何只靠自身推进系统推进的宇宙飞船。一路上，它完成了人类对矮行星灶神星以及小行星谷神星的第一次造访。NASA设计的“新一代”（NEXT）离子引擎。太阳能电池板（SolarPanels）火星上没有加油站，没有发电厂，同时也几乎没有风能。对这颗红色星球上的载人任务来说，太阳能能帮上宇航员们的大忙。《火星救援》中，赫尔墨斯号宇宙飞船使用了太阳能电池阵来发电，而马克·沃特尼不得不采取一些非传统的方式使用太阳能板，来维持自己的生存。太阳能电池板（SolarPanels）在国际空间站，四套太阳能电池阵能够产生84到124千瓦的电力——足够向四十户人家进行供电。空间站并不需要那么多的能量，但如果出了差错，冗余能够有助于降低风险。空间站的太阳能发电系统是非常可靠的，自首批宇航员在2000年登陆至今，空间站一直安全地向宇航员们提供着电力。国际空间站上的太阳能电池板，背景中的星球是地球。图片来源：NASA太阳能电池板（SolarPanels）NASA的猎户座飞船——一艘将会带着人们到达前所未有距离的飞船——也将会使用太阳能电池阵列来执行日后的任务。在阳光下时，电池阵列能收集能源，为船上的锂离子电池充电。在没有阳光的情况下——比如在月球背后运行时——仍然会有足够的能量供猎户座飞船运作。放射性同位素热电发生器（RTG）在《火星救援》中，宇航员们把基于钚的RTG能源埋在离他们的居住舱很远的地方，以防核泄漏发生。就像电影中所说的一样，为了避免任何可能的泄露，钚-238本身就有几层坚固而先进的材料，即使经历了严重事故也不至于泄露。RTG主要发出阿尔法射线，它只能在空中移动几厘米，也并不会穿透衣服或者人类皮肤。只有当它被分解成微粒或蒸发，并被吸入或摄入的时候才会对人类的健康产生危害。这种同位素是以陶瓷形式制造的，特别地是，它不溶于液体，因此，被吸入和摄入的可能性实际上是微乎其微的。放射性同位素热电发生器（RTG）40多年来，NASA已经安全地使用放射性同位素热电发生器（RTGs），为包括阿波罗登月计划在内的二十多个任务提供了电力。“好奇号”火星车，以及即将升空的火星2020探测器等航天器使用的则是经过改进的新一代发电装置。RTG是一种将钚-238的自然放射性衰变的热量转化为可靠电力的“太空电池”。“好奇号”上的RTG产生的电力不超过110瓦特——仅仅略高于普通的灯泡所需的电力。在现实中，火星环境的自然辐射比RTG产生的辐射要大多了。从外太空落到火星上的电离辐射雨对人类的健康也更加有害。目前，NASA的火星任务也正在分析火星上的辐射环境，好让任务规划者为未来的宇航员设计保护措施。未来的探险家需要在到达火星之前，确保有可靠持久的能源保证他们的生存。电力系统可能包括由更有效的放射性同位素发电系统、太阳能、燃料电池和核裂变组成的一系列组合。载人航天是个