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太空城市設(shè)計(jì)大賽-清華集訓(xùn)營現(xiàn)場來稿-Day7

2017年09月05日 15:03
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全球入讀本科入讀高中入讀預(yù)科背景提升

【導(dǎo)讀】太空城市設(shè)計(jì)大賽清華集訓(xùn)營已經(jīng)進(jìn)入到第七天了，期間大家一起觀看了火星救援這部電影，那我們?nèi)绾我哉_的方式觀看這部電影呢？毛勇博士讓大家一起來找下在這部電影中出現(xiàn)了哪些不科學(xué)的地方。到底有哪些呢？

昨天晚上，大家一起觀看了火星救援這部電影，那我們?nèi)绾我哉_的方式觀看這部電影呢？毛勇博士讓大家一起來找下在這部電影中出現(xiàn)了哪些不科學(xué)的地方。

火星上的大風(fēng)暴

大風(fēng)暴是不可能在火星上出現(xiàn)的?；鹦巧系臍鈮汉艿?，不到地球的百分之一。換句話說，即使是火星上的風(fēng)速達(dá)到了160公里每小時(shí)，其實(shí)風(fēng)力也就相當(dāng)于地球上16公里每小時(shí)的風(fēng)力，這點(diǎn)風(fēng)也就能放個(gè)風(fēng)箏。

所以，其實(shí)電影中所描寫的大風(fēng)暴不可能出現(xiàn)。雖然原作作者安迪·威爾自己也知道這一點(diǎn)，但是他也有他作為故事的“造物主”的權(quán)利：“我需要一個(gè)讓航天員離開火星的方法，所以我在這里稍微杜撰了一下。而且，難道你不覺得突如其來的大風(fēng)暴感覺很酷嗎?”

不過這卻是故事最重要的設(shè)定，沒有這火星上的大風(fēng)暴，男主角馬特達(dá)蒙也就不用繼《拯救大兵瑞恩》、《星際穿越》之后，再度耗費(fèi)這么多人力了。

宇宙飛船的模型構(gòu)建

從火星軌道航天器的圓環(huán)直徑和旋轉(zhuǎn)速度來看，模型的構(gòu)建基本是科學(xué)的，可以確定這種設(shè)計(jì)是的確能夠人工創(chuàng)造出一個(gè)介于火星與地球之間的重力水平的。

只是這個(gè)宇宙飛船實(shí)在是太超前了——看起來既龐大又復(fù)雜而且成本也十分高昂。建造宇宙飛船不是為了讓人們能夠坐在上面去看宇宙的，而是為了把來自地球的一小群專家成功送上火星的，是為了讓他們帶回能夠?yàn)榛鹦怯?jì)劃提供參考的有效數(shù)據(jù)的。或許未來的某一天，我們能夠看到這樣的宇宙飛船，就像在哥倫布遠(yuǎn)航幾百年后才有的遠(yuǎn)洋客輪那樣。但是，如果三桅帆船已經(jīng)出現(xiàn)了，甚至是遠(yuǎn)洋巨輪都出現(xiàn)了的話，哥倫布恐怕也就不會(huì)再想著去任何地方了吧。

火星上的重力

馬特·達(dá)蒙在火星上保持著地球般的移動(dòng)方式是不科學(xué)的，因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)中的火星的重力只有地球的三分之一。NASA也曾做過設(shè)想，結(jié)論是要在火星上行走的最有效的方法就是用跳的方式進(jìn)行大步移動(dòng)，或是拖著腳進(jìn)行小步移動(dòng)。劇中的宇航服參考了2030年之后真實(shí)任務(wù)使用的太空服為原型，每套至少重達(dá)40磅。但是因?yàn)橹亓Φ脑蚱鋵?shí)只有三分之一的重量，所以行動(dòng)起來應(yīng)該會(huì)更輕盈一些才對。

自制水資源

火星表面沒有湖泊、河流或者海洋，火星宇航員必須有他們自己的水補(bǔ)給來源。

而馬特·達(dá)蒙選擇了從火箭燃料中分解出了氮和氫，之后他把氫氣與氧氣混合在一起燃燒生成了水。

毋庸置疑，這肯定是可行的，但如果換做是我被困在火星上的話，恐怕只會(huì)想到讓水從土壤中出來吧。火星溫差很大，夏天時(shí)從攝氏零下153度到22度，水在火星上僅以冰的形態(tài)存在，是被凍住的“生命源泉”。雖然在低緯度上土壤內(nèi)僅有約5%的水份(從重量上來說)，但在兩極附近的土壤水份卻高達(dá)60%。

廁所

這是一個(gè)有點(diǎn)奇怪的地方。處理廢棄物最簡單的方法是把它們用袋子裝起來，然后封口，之后每天燒掉即可這是沒錯(cuò)。

但利用溫室系統(tǒng)或物理化學(xué)過程進(jìn)行廢物再利用——將其轉(zhuǎn)化為燃料、水和氧氣，其實(shí)理論上說是更有效率的啊。難道他們真的會(huì)回去分門別類的封裝上，并貼上寫有宇航員名字的標(biāo)簽來作為以后的科學(xué)研究材料嗎?我無法想象會(huì)有誰想要把這些東西帶回地球，或是直接在火星上研究它。你不是去火星上研究你自己的糞便去的，你是要在那里了解火星的好嗎?

不過該片中大部分的情節(jié)還是非常的真實(shí)的，結(jié)合了虛構(gòu)和真實(shí)兩種敘事元素，而這兩種元素都來自于NASA和其他機(jī)構(gòu)已經(jīng)完成的和未來在21世紀(jì)30年代的探索任務(wù)。NASA已經(jīng)研發(fā)出多項(xiàng)在電影中展示的科學(xué)技術(shù)。

棲息地

在火星表面，瓦特尼在居住艙Hab內(nèi)待了相當(dāng)長的一段時(shí)間，這可以說是他遠(yuǎn)離地球的家。未來登陸火星的宇航員也需要這樣一個(gè)家以避免以飛沙為伴度過火星上的歲月。目前，在NASA的約翰遜航天中心，機(jī)組人員就在人類探索研究模擬項(xiàng)目(HERA)中為長航時(shí)深空任務(wù)做訓(xùn)練。

植物農(nóng)場

在《火星救援》中，瓦特尼把居住艙變?yōu)橐粋€(gè)自給的的農(nóng)場，長出的土豆成為第一種火星主食。如今，在近地軌道，生菜是太空中供給最充足的農(nóng)作物。在國際空間站中，Veggie是一個(gè)有效的新鮮食物生產(chǎn)系統(tǒng)。

使用紅、藍(lán)、綠光，Veggie能夠使植物生長在一個(gè)類似于枕頭的東西里，這是一個(gè)擁有基質(zhì)和肥料以及微孔表面的小袋子，宇航員可以從這里收割食物。

污水再生

在國際空間站上，一滴汗、淚甚至是尿都不會(huì)浪費(fèi)。環(huán)境控制和生命支持系統(tǒng)無處不在地對水進(jìn)行再生和循環(huán)，包括尿液，洗手水，漱口水以及其他來源。通過水再生系統(tǒng)(WRS)，水被回收，過濾，準(zhǔn)備再次使用。一位宇航員曾舉例說過：“昨天的咖啡會(huì)變成明天的咖啡。”

氧氣制造

在國際空間站上，宇航員擁有氧氣制造系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)可以循環(huán)處理航天器中的空氣并高效穩(wěn)定地提供可供呼吸的空氣。這個(gè)系統(tǒng)通過電解反應(yīng)生產(chǎn)氧氣，把水分子分解成氧分子和氫原子。氧氣被釋放進(jìn)空氣中，氫氣被排進(jìn)太空或輸入Sabatier系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)利用空間站的大氣的剩余副產(chǎn)品來生產(chǎn)水。

火星宇航服

火星的地表環(huán)境并不歡迎人類。大氣中也幾乎沒有任何可供呼吸的氧氣。宇航員在居住艙外采樣和維修時(shí)必須穿著宇航服。每天瓦特尼都需要身著宇航服在火星地表進(jìn)行很長時(shí)間的艙外工作，而且更為棘手的是他必須要在火星表面長途跋涉，所以他的宇航服必須足夠靈活、舒適、可靠。NASA正在研發(fā)能夠在火星上使用的宇航服。工程師考慮了從火星漫步到巖石采樣的一切需求。

火星車

一旦人類在火星表面著陸，他們必須在那里居住一年以上才能等到最小地火距離點(diǎn)并返回地球。這樣宇航員就會(huì)有大量的時(shí)間在周圍地區(qū)開展實(shí)驗(yàn)和探索工作。

但是宇航員必然不能夠被限制在步行距離范圍之內(nèi)進(jìn)行考察，為了走得更遠(yuǎn)，他們必須擁有一部有力的、可靠的、靈活的火星車。在《火星救援》中，瓦特尼駕駛他的火星車進(jìn)行過幾次急轉(zhuǎn)彎。甚至為了生存，他不得不對火星車經(jīng)行了非傳統(tǒng)的改裝。

在今天的地球上，NASA也正致力于讓“多任務(wù)空間探索車”(MMSEV)能夠面對多種環(huán)境。MMSEV已經(jīng)被用于NASA的模擬任務(wù)，用來幫助解決某些機(jī)構(gòu)已經(jīng)想到的一些可能會(huì)發(fā)生的問題，甚至是用于尋找一些可能被隱藏的問題。

離子推進(jìn)

戰(zhàn)神三號(hào)計(jì)劃的成員所搭乘的赫密斯號(hào)，就是利用離子推進(jìn)器來完成的地火轉(zhuǎn)移運(yùn)輸。核推進(jìn)比沖高，可以節(jié)省大量的攜帶推進(jìn)劑，是當(dāng)前正在研發(fā)的載人深空探索項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)之一。

這個(gè)技術(shù)允許像NASA的Dawn飛船用很少的燃料去執(zhí)行一些瘋狂的任務(wù)。Dawn飛船已經(jīng)完成了五年多的持續(xù)加速，總加速達(dá)到了驚人的25000英里/小時(shí)。這比其他飛船的推進(jìn)系統(tǒng)都要厲害的多。它已經(jīng)完成了人類對谷神星和灶神星的第一次觀測。

太陽能電池板

火星上沒有加油站，沒有油井，也幾乎沒有風(fēng)。只有太陽能才能讓宇航員在火星任務(wù)中走得更遠(yuǎn)。電影中Hermes飛船就使用太陽能列陣來獲得能源，瓦特尼也正是利用了太陽能板才能使自己在火星上成功生存下來。

在國際空間站，4個(gè)太陽能列陣能夠提供84-120千瓦的電力，這些能量足夠40個(gè)家庭使用。空間站并不需要滿功率使用，然而萬一出現(xiàn)事故，能量冗余反而有助于減少事故的風(fēng)險(xiǎn)。

自2000年以來，太陽能系統(tǒng)一直為空間站提供能源，并處于安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)下。NASA研制的Orion飛船將帶人類飛向比以往更遠(yuǎn)的地方，它也是使用太陽能陣列作為未來任務(wù)的能量來源。它的陣列板可以在陽光下獲取能源的同時(shí)給鋰離子電池充電。假如Orion飛船在月球的背面——沒有陽光的位置，電池也能為飛船運(yùn)行提供足夠的能源。

在2017年的春天，奧巴馬的繼任者應(yīng)該會(huì)和1961年的肯尼迪一樣有勇氣和決心說，我們可能會(huì)在他(或她)的第二個(gè)任期結(jié)束前登上火星。

這是一種政治意愿，這是對于《火星救援》而言的真正意義所在。這仿佛就像是在說：“我們可以做到這一點(diǎn)。只要我們肯去思考，一定能夠成功戰(zhàn)勝這些困難。”期待實(shí)現(xiàn)這個(gè)計(jì)劃的人也許就會(huì)從我們這次訓(xùn)練營中的同學(xué)產(chǎn)生了。

老師在測試同學(xué)們做的模型

老師給同學(xué)們講解關(guān)于3D打印的原理。3D打印機(jī)(3D Printers)簡稱(3DP)是一位名為恩里科·迪尼(Enrico Dini)的發(fā)明家設(shè)計(jì)的一種神奇的打印機(jī)，它不僅可以“打印”一幢完整的建筑，甚至可以在航天飛船中給宇航員打印任何所需的物品的形狀。

同學(xué)們在欣賞3D打印作品

3D打印是一種累積制造技術(shù)，3D打印機(jī)是一種可快速成型的機(jī)器，它通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體。其基本原理是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，以可粘合物質(zhì)為材料，通過打印一層層的粘合物來構(gòu)造物體，但3D打印機(jī)堆疊的方式多種多樣，使得其原理又有所不同。下面是幾種3D打印機(jī)常用的堆疊技術(shù)：

1、“噴墨”：3D打印機(jī)噴頭于鑄模托盤上噴出一層液態(tài)塑料物質(zhì)，并置于紫外線下進(jìn)行相應(yīng)處理，使得鑄模托盤下降微小距離以為下一層的堆疊提供空間。

2、“熔積成型”：于3D打印機(jī)噴頭內(nèi)熔化塑料，以沉積塑料纖維的方式形成薄層用于堆疊。

3、“激光燒結(jié)”：3D打印機(jī)以粉末狀微粒為打印原材料，首先于鑄模托盤上噴灑一薄層粉末，熔鑄成指定形狀后，由液態(tài)粘合劑進(jìn)行固化處理。

4、“激光燒結(jié)加強(qiáng)版”：3D打印機(jī)在打印包含孔洞或懸臂這種結(jié)構(gòu)時(shí)，除“激光燒結(jié)”外，還需在材料中加入凝膠劑等物質(zhì)來提供支撐，這部分粉末不會(huì)被熔鑄，最后用水或氣流便可沖洗掉形成空隙，起到占據(jù)空間的作用。