人类探索：过去、现在和未来
Linas Juozėnas分享
知识方舟 · 宇宙 · 第08章 / 第09篇文章
在地球之外，一步一步前行。
月球上的一个脚印。环绕地球运行的实验室。开启遥远世界科学探索的机器人。太空探索通过各种各样的旅程不断发展，也通过我们对如何返回家园的一切认识不断深化。
离开家园需要什么？
想象一下站在月球上回望地球。那景象一定非同寻常。维持你生命的设备也同样令人惊叹：为你提供空气的宇航服、维持各系统运行的电力，以及等待载你回家的航天器。
这种发现与依赖的结合贯穿于太空飞行的历史。我们已经学会穿越太空、在轨道上工作、采集其他世界的样本，并让乘员在地球上空生活数月。每一项成就都揭示了下一个需要解决的问题。
如今，这段故事正走向月球着陆任务的重启，以及人类前往火星的可能旅程。要理解这一历程，就必须同时关注目的地，以及让我们能够抵达这些目的地的能力。
最初的旅程是如何开始的？
这些开创性里程碑出现在冷战期间。1957年10月，苏联发射了斯普特尼克1号，这是人造卫星的先驱。1961年4月，尤里·加加林成为首位进入太空并绕地球运行的人类。这些飞行将太空旅行的问题转化为已经得到验证的可能性。[1]
美国的水星计划积累了将宇航员送入太空并将他们带回地球的经验。随后，双子座计划开展了更长时间的任务、太空行走，以及让航天器会合并对接所需的技能。阿波罗计划将在规模更大的任务中综合运用这些能力：载人月球探险。[1]
进入太空和留在轨道上是两项不同的成就。绕轨道运行的航天器会以足够快的横向速度运动，从而持续绕地球下落。要继续前往月球，它必须再次改变轨道；要安全返回，则必须同时控制飞行轨迹和再入能量。
阿波罗计划取得了什么成就？
1968年12月，阿波罗8号将首批人类送入月球轨道。七个月后，阿波罗11号完成了首次载人登月。尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林探索月面，迈克尔·柯林斯则留在月球轨道上，准备与他们会合并返回地球。[2]，[3]
十二名探索者，382千克样本
表面任务包括阿波罗11号、12号、14号、15号、16号和17号。十二名宇航员共采集了382千克月球岩石和土壤。这些样本使月球成为研究人员可以在地球实验室中进行研究的地方。[4]
阿波罗13号没有着陆。飞船上的紧急情况迫使机组人员放弃登月并返回地球。后来的探险扩展了实地考察范围：阿波罗15号、16号和17号使用月球车，从着陆点前往更远的地方。[2]
进步也需要从失去中学习
1967年，阿波罗1号地面测试期间发生火灾，导致三名宇航员遇难，并促使人们对航天器和安全措施进行重大审查。后来，1986年挑战者号和2003年哥伦比亚号的失事进一步表明，除了硬件之外，也必须审视组织层面的决策。NASA持续开展的经验教训项目认为，铭记这些机组人员是规划和评估未来任务的一部分。[5], [2]
阿波罗计划的持久成就包括支撑那些著名影像的科学工作：选择样本、记录周围环境、安置仪器，并带回可供其他研究人员检验的观测结果。当证据能够超越探险本身留存下来时，探索的价值便会更高。
我们通过留在轨道上学到了什么？
空间站将人们的关注点从短暂访问转向离开地面后的日常生活。苏联的礼炮号空间站、美国的天空实验室以及后来的和平号积累了长期任务的经验。国际空间站（ISS）的建造始于1998年；首批常驻乘员于2000年11月2日抵达，开始了持续有人驻留的历史。[6]，[7]
NASA的航天飞机于1981年至2011年间执行飞行任务，支持科研和国际空间站组装。它具有部分重复使用能力：轨道器和固体火箭助推器会回收再利用，而外部燃料箱则被弃置。航天飞机乘员还部署并维修了哈勃太空望远镜，展示了人类通过在轨复杂作业能够完成的任务。[8]、[9]
中国的天宫空间站增添了另一座正在运行的轨道实验室。持续开展的载人任务支持实验、太空行走和维护工作。因此，如今的载人航天包括多个国家和国际航天计划，使用不同的航天器并开展不同形式的合作。[10]
运输与下一代空间站
商业航天器如今已成为这项基础设施的一部分。载人龙飞船自2020年起已获认证，可执行NASA的运营载人运输任务。波音公司的星际客机在NASA于2026年6月进行的监督审查中仍未获认证，其下一次飞行计划不搭载宇航员，以测试改装效果。[11]
在星际客机2024年载人测试期间，推进系统问题导致NASA让飞船在没有乘员的情况下返回。宇航员于2025年3月搭乘载人龙飞船返回。试飞与获得定期服务认证是两个不同的里程碑。[12]
NASA计划将国际空间站的运行维持到2030年，并支持商业后继空间站的发展。能否顺利过渡取决于这些新目的地是否准备就绪。拟议中的空间站必须证明自己能够支持乘员和有价值的工作，才能接替这一角色。[13]
机器人如何拓展发现的边界？
人类探索也包括通过机器完成的旅程。机器人任务无需携带乘员所需的食物、空气和返程居所，就能探测一个世界。不同设计提供不同类型的探索能力：轨道器负责勘测，探测车在不同地点之间移动，样本返回任务则将材料带回地球上的实验室。
| 任务 | 里程碑 | 它取得的成果 |
|---|---|---|
| 火星探路者 · NASA | 1997 | 一台着陆器抵达火星，并搭载了Sojourner，这辆小型移动探测车。[14] |
| 罗塞塔号和菲莱号 · ESA | 2014 | 罗塞塔号伴随67P彗星飞行；菲莱号在其上着陆。它们在那里进行了测量，而不是带回样本。[15] |
| 隼鸟2号 · JAXA | 2020 | 一个返回舱将从小行星龙宫采集的样本送回地球。[16] |
| 月船3号 · ISRO | 2023 | 维克拉姆和普拉吉扬探测了月球南部的高纬度地区。着陆点并不在地理南极。[17] |
| OSIRIS-REx · NASA | 2023 | 一个返回舱将从小行星贝努采集的物质带回了地球。[18] |
| 嫦娥六号 · CNSA | 2024 | 从月球背面采集的首批样本已抵达地球。[19] |
这些本身就是科学成就。它们还在发展对未来探险至关重要的方法：在陌生地形中导航、处理样本、精准着陆，以及在远离即时支援的地方运行。
人类和机器人可以为同一项研究作出贡献。宇航员可以亲自评估意外暴露的岩石层；仪器则能在宇航员离开很久之后继续监测环境。真正有用的问题是：哪种组合最能回答科学问题。
首次新一轮载人绕月飞行之后会发生什么？
计划状态截至2026年9月8日。下列未来日期均为目标日期，取决于准备情况、测试进度和持续支持。
阿耳忒弥斯Ⅱ于2026年4月完成了载人绕月飞行。该任务搭载宇航员在地球轨道之外测试系统，并将他们安全带回地球。它没有在月球上着陆。[20]
| 任务或计划 | 状态或目标 | 下一项能力 |
|---|---|---|
| 阿耳忒弥斯Ⅲ | 目标是在2027年进行地球轨道演示。 | 测试关键系统和运行流程，包括按计划与商业月球着陆器硬件进行交会和对接。[21] |
| 阿耳忒弥斯Ⅳ | 目标是在2028年初实现登月。 | 将宇航员送往月球南极地区开展月面探测。[22] |
| 中国载人登月计划 | 既定目标是在2030年前后实现着陆。 | 开发并测试月面探险所需的运载火箭、载人飞船和着陆系统。[23] |
更长时间的停留需要基础设施
2026年3月，NASA宣布有意暂停当前形式的Gateway，将重点转向月球表面基础设施。这改变了早先的计划——在早先计划中，这座小型月球轨道空间站发挥着核心作用。拟议中的月面建设是一项分阶段推进的目标，并不是一座现有的、持续有人驻守的月球基地。[24]
月球两极在科学上颇具意义，部分原因是永久阴影区可能保存着水冰。这些区域可以用于研究月球的历史，并探索潜在资源。发现冰只是第一步；还需要了解特定地点有多少冰可供获取。[25]
更长时间的远征可以对同一地形进行反复观测，开展更广泛的实地工作，并积累在另一个世界维护设备的经验。这些远征的价值将取决于乘员在火星停留期间能够学到什么并完成什么。
为什么火星如此难以抵达和离开？
火星的一天与地球相近，约为24.6 小时，但其寒冷的表面上方只有稀薄的大气层，且主要由二氧化碳构成。那些看似熟悉的景观并不意味着那里有可供呼吸的空气或类似地球的生存条件。[26]
适合高效发射前往火星的窗口大约每26 个月出现一次。任务设计人员会瞄准航天器抵达时火星所在的位置。返回窗口也必须纳入规划，因此一次远征的总时长不只是两段飞行时间之和。[30]
乘员必须在没有即时帮助的情况下处理更多事务
与火星之间的信息交换不可能是普通的实时对话。即使是立即回复，也需要再次穿越太空。乘员需要接受培训、配备设备并拥有权限，以便在地面团队提供延迟支持的同时处理有时间限制的问题。[28], [31]
NASA 研究相互影响的挑战：辐射、隔离、重力改变、距离以及航天器的封闭环境。这些因素会影响任务设计，包括防护、锻炼、医疗能力、乘员支持和可靠的生活保障系统。[31]
火星表面的重力约为地球表面重力的 38%。人类在微重力环境中的经历，并不能完全说明人体在这种部分重力环境中度过数年会如何反应。其长期影响以及减轻这些影响的最佳方法仍未得到充分了解。[32]
让载人飞船着陆意味着要让更多质量着陆
载人探险需要大型栖息地、物资和设备。火星大气可以提供一定的减速作用，但要让这些更大的载荷着陆，还需要额外的技术和推进系统。抵达先前运送的物资附近也提出了另一个要求：精准程度与抵达地表同样重要。[33]
返程必须从一开始就纳入设计。着陆、长期驻留地表以及安全离开，是相互关联的工程问题。迄今为止，还没有人类前往过火星。
怎样才能让遥远的前哨站正常运转？
栖息地是一台持续运转的机器。生命保障设备必须管理气压、氧气、通风、废弃物和水质。一个有墙有屋顶的房间，只有在这些系统持续发挥作用时，才会成为适合居住的地方。[34]
回收利用可以让物资更加持久
2023年，NASA报告称，一套配备盐水处理器的国际空间站系统已实现98%的水回收率。这是从废物流中回收水的重要里程碑，其中包括回收呼吸和汗液中的水分。但这并不意味着整个空间站已经不再依赖补给。[35]
当地资源可以减少必须从地球发射的物资
原位资源利用（ISRU）是指利用目的地现有的材料。月球冰或火星大气中的气体可以成为有用的物资，但前提是必须通过能够在当地环境中可靠地获取、处理和储存这些资源的系统。[36]
MOXIE在火星上制取了氧气
在“毅力号”上，MOXIE实验在多次测试中从大气二氧化碳中制取了122克氧气。它展示了一种可用于提供呼吸所需氧气，或提供与火箭燃料配合使用的氧化剂的工艺。载人规模的系统需要大得多的产量、持续的可靠性以及氧气储存能力。[37]
对于月球冰，资源利用需要定位合适的矿藏、提取物质、分离水并储存产物。每一步都需要机械设备和能源。因此，探测到资源并不意味着它会自动成为可用的供给。[36]
同样的务实思维也适用于日常运行：谁能修复发生故障的部件，哪些备件可用，以及在出现故障期间关键服务能够持续多长时间？一个前哨站能否可靠运行，既取决于最先进的技术，也取决于这些平常的问题。
探索可能会变成什么？
一次造访、一个科研前哨站和一个自给自足的定居点，是不同的目标。长期驻留需要可靠的补给和维护；摆脱对地球的依赖则需要更广泛的能力。仅凭拟定的抵达日期，无法证明这些目标都已准备就绪。
进展可以通过已经证明的成就来评判：航天器完成测试、乘组安全返回、栖息地可靠运行，以及其他研究人员能够检验的科学成果。随着测试揭示新的信息，计划可能会发生变化。
保护我们希望了解的地方
行星保护旨在防止生物污染在不同星球之间传播。在火星上引入地球微生物，可能会使寻找本土生命的工作变得复杂。当物质返回地球时，谨慎的任务操作和样本处理同样重要。保护科学证据，是让探索发挥价值的一部分。[38]
长期决策也会引发公众关注的问题：哪些发现应当优先，国际伙伴如何分担工作，以及利益和责任如何分配。这些选择与火箭和航天器一样，会影响探索进程。
目前，最令人信服的未来，是一个能够逐步建造和测试的未来。新的仪器、一次成功的维修，或一个经过仔细记录的样本，其重要性可能不亚于一次戏剧性的首次抵达。这些成就共同决定下一次远征能够走多远。
来源及延伸阅读
官方任务历史、计划更新和技术资源。未来任务的日期反映了截至2026年9月核查的计划。
- NASA — 历史的最高舞台早期太空竞赛，以及通过水星、双子座和阿波罗计划培养的技能。
- NASA — 阿波罗任务阿波罗计划的测试、月球探险，以及阿波罗 13 号的紧急返航。
- NASA — 阿波罗 11 号任务概览首次登月、三名乘组成员及返程。
- NASA 天体材料 — 阿波罗月球样本收藏六次月面任务及其带回的 382 千克月球样本。
- NASA — 阿波罗、挑战者号与哥伦比亚号经验教训计划铭记逝去的乘组，并将安全经验教训融入未来决策。
- NASA — 国际空间站的历史起源礼炮号、天空实验室、和平号，以及国际空间站组装背后的国际合作。
- NASA — 第 1 远征队抵达国际空间站首批长期驻留乘组于 2000 年 11 月 2 日抵达。
- NASA — 航天飞机航天飞机 1981 至 2011 年的飞行历史、科研活动和空间站组装。
- NASA — 航天飞机：组件与轨道器可重复使用的轨道器和助推器、被弃置的外储箱，以及哈勃空间望远镜维修任务。
- 中国载人航天工程办公室 — 神舟二十三号2026 年 5 月支持中国运营中的空间站并持续开展研究的载人发射任务。
- NASA 监察长办公室 — 商业载人项目审查（2026 年 6 月）载人龙飞船的运营认证，以及星舰剩余测试和认证面临的挑战。
- NASA — 星舰发射载人测试调查2024 年的试飞、无人飞船返回，以及宇航员于 2025 年乘坐载人龙飞船返回。
- NASA — 国际空间站过渡问题计划运营国际空间站至 2030 年、商业继任者项目及受控离轨。
- NASA — 火星探路者1997 年的火星着陆器及其移动伴侣车“索杰纳”号。
- 欧洲空间局 — 罗塞塔号与彗星交会、菲莱号于 2014 年着陆，以及在 67P 彗星上开展的测量。
- 日本宇宙航空研究开发机构 — 确认隼鸟2号带回的龙宫样本2020 年 12 月在澳大利亚回收隼鸟2号的样本返回舱。
- 印度空间研究组织 — 发布月船三号科学数据2023 年在月球南部高纬度地区的着陆，以及该任务开展的科学测量。
- NASA — OSIRIS-REx贝努小行星样本的采集及其于 2023 年 9 月送回地球。
- 中国国家航天局 — 嫦娥六号月球背面样品中国首次从月球背面采样返回，于 2024 年 6 月完成。
- NASA — 阿耳忒弥斯 II 任务2026 年 4 月完成的载人绕月飞行及其任务时长。
- NASA — 更新后的阿耳忒弥斯任务序列（2026 年）阿耳忒弥斯 III 的地球轨道测试目标，以及向月球着陆推进的计划顺序。
- NASA — 阿耳忒弥斯 IV目前阿耳忒弥斯载人登月计划在月球南极附近着陆的目标地点。
- 中国政府 — 载人登月目标与开发测试中国载人航天工程办公室提出的目标：到 2030 年实现载人登月。
- NASA — 月球表面与轨道计划（2026 年 3 月）关于以当前形式暂停“门户”计划，以及分阶段建设月球表面基础设施的方案。
- NASA — 月球水与冰月球存在水和冰的证据，包括永久阴影区域中的沉积物。
- NASA — 火星概况火星的自转周期、大气和行星环境。
- NASA — 什么是光日？月球的光行时间与航天器飞行时间的比较。
- Williams 及其同事 — 来自火星距离的高容量通信（2007 年）地球与火星之间单向信号延迟的变化。
- NASA — 重力场与宇航员健康在途中经历数月失重、着陆后的适应，以及身体失去负重所产生的影响。
- NASA — 火星任务时间线发射窗口、行星际旅行，以及机器人火星任务的各个阶段。
- NASA — 载人航天的五大危害距离、辐射、重力变化、隔离，以及封闭环境的种种要求。
- NASA — 重力与长期任务中的未知因素关于部分重力下长期生存的有限证据，以及深空旅行期间相互作用的健康风险。
- NASA 工程师 — 成功着陆火星载人探测为何需要更大的有效载荷、更精准的着陆，以及超越大气阻力的制动。
- NASA — 环境控制与生命保障系统管理航天器上的压力、空气、氧气、废物和回收水。
- NASA — 国际空间站水回收里程碑（2023 年）一套盐水处理系统实现了 98% 的水回收率。
- NASA — 原位资源利用开发提取、加工和储存当地可利用材料的系统。
- NASA — MOXIE 完成火星实验（2023 年）一项小型实验从火星二氧化碳中制取了氧气；扩大规模和储存仍是后续步骤。
- NASA — 行星保护防止生物污染，以维护科学研究并保护已探索的世界和地球。
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