电影《火星救援》航天向解读 jwcyber

1、这是本来是一个课程用PPT，加了些文字姑且变成一篇冗长的文章。

2、主要是航天向的解读，但也有些我实在想吐槽的地方不得不说。

3、小说暂时还没有去读，所以有些地方描述会不准确。

4、当然参考资料不止上面那些，大部分资料也都标明了出处。

5、有错的地方希望能指出来交流讨论，共同补完这篇文章。

6、文末会有相关网站和推荐阅读。

1 电影简介

原作: 安迪·威尔

2009年，安迪·威尔陆续将他的小说《火星救援》贴在自己的个人网站上，读者们一边阅读一遍指出书中的问题，这本书就是在这样的情况下创作出来的。在众多读者的强烈要求下，他把书放到了亚马逊，结果收费带来了更多的读者。2013年3月，兰登书屋以六位数买下小说的版权。仅仅四天后，安迪·威尔又接到了来自20世纪福克斯电影公司的橄榄枝。然后2015年9月，电影《火星救援》上映。

作者自嘲自己是书呆子，喜欢学习各种新事物，不善交际（他的商业活动基本由经纪人打理），在写《火星救援》时自学了轨道动力学，植物学，航天发展史，火星概况。

这里有对他的一次采访：《火星救援》作者安迪·威尔：这个故事说穿了就是一道超长数学题

主演: 马特·达蒙

前不久才在《星际穿越》中被困外星球的马特·达蒙这次又被困到了火星，联想起之前在《拯救大兵瑞恩》中的经历，能让人类社会如此大费周折，马特·达蒙果然是最有价值人类。

导演: 雷德利·斯科特

1979年的《异形》，1982年的《银翼杀手》，仅此两部作品，就足以让雷德利·斯科特坐上科幻电影大师的位置。除了科幻题材，他的《角斗士》和《黑鹰坠落》也是备受好评。期待他指导的下一部《异形》的到来。

2 火星概况

2.1 火星属性

这里从NASA扒了一些图，人家的科普工作做得就是好。图片原始地址

2.2 火星探测情况

从1962年，前苏联的‘火星1号’开始，人类就未停止对火星的探索。下图是对火星探测器的一个统计，来自维基词条Exploration of Mars，感兴趣的可以点进去了解所有火星探测器。

当然我们最熟悉的肯定还是NASA的火星探测器，从1975年的海盗号（维京号）探测器，到《火星救援》中出现的火星探路者，再到小时候经常从新闻中听到的被小女孩命名的勇气号和机遇号，以及这两年拍个照片就要上新闻的好奇号。

3 电影解读

3.1 太阳日

和很多电影一样，《火星救援》开场也来了个远景长镜头，只不过地点换成了阿瑞斯3号任务所在地：阿西达里亚平原。红色星球在电影中还是挺漂亮的，当然，这是在地球上约旦的沙漠拍摄的。我们需要注意的是右下角的SOL。

SOL指的是太阳日 Solar Day，与之对应的是恒星日 Sidereal Day。

拿地球来说，恒星日，也就是恒星（可以认为在无限远处）与地心连线与某地经线连续相交的的时间间隔，为23小时56分。由于地球的公转，地球经过一个恒星日后还要经历一段时间才能使得日地中心连线与某地经线相交。所以太阳日要长于恒星日，为24小时。

而在电影SOL指的是火星太阳日，一个火星太阳日大约24小时40分。在后面的场景中，还能经常看到SOL，因为作者写小说的时候就是以SOLXXX为小节标题。

3.2 火星大气

这里有整部电影最大的一个bug，火星上的尘暴不会有如此破坏力，但为了情节只能这样设置。

火星大气主要由二氧化碳组成，还有少量的氩气（Ar）和氮气组成。注意，火星上是有氧气的，含量为0.145%，这是维京号（海盗号）和水手号探测器的探测结果。火星大气的具体组成参见NASA的说明。

火星上会发生尘暴、尘卷风，也会出现云，这些元素都在电影里面出现多次。电影中也提到NASA的boss也提到，马克很快就会被火星尘土所掩埋。下面的图片是2001年9月火星全球性尘暴，实际上水手9号（看不到火星表面），勇气号机遇号（看不到太阳没法发电呀）的探测活动都曾受到过火星尘暴的影响。火星上的云是干冰云。

从这张HUD（平视显示器 Head Up Display ）图上可以看到火星表面以及宇航服内部的气体状况。当马克的宇航服被扎破后气压迅速下降，氧气含量也开始下降。有文章（超推荐）指出这是一个bug，因为即使漏气，氧气的百分比也不应该下降。而小说原文中提到，宇航服漏气后会开启应急模式，使用氮气进行补压，防止二氧化碳进入，所以氧气的百分比下降是有可能的。但显示的气压也迅速下降，考虑到氧气分压的关系，这种浓度的氧气根本无法维持生命，这有点说不通了，还是不纠结于电影为好。

另外，小说原文中，因为应急模式开启，而氮气又被用完，所以是使用氧气进行补压。这就使得马克差点死于氧中毒，而不是缺氧，电影这里的更改应该是为了方便一般人理解。

3.3 地外种植

这里我们跳过马克怎么在尘暴后返回基地，缝合伤口，开始整理东西，安排食物的过程。

马克找到了土豆，作为植物学家的他，打算开辟自己的殖民地。

我们先来看看现在人们在地外空间都种过什么：人类在太空种的百日菊开花了国际空间站宇航员将在太空种植中国小白菜

对于太空和其他星球的种植来说，光照和温湿度的条件还算比较好控制的，但面对无/低重力和宇宙辐射现有的技术就显得乏力了。但也说不定这两个因素恰好能够催生适应新环境的物种。

马克需要种土豆的话首先需要土壤，火星土壤粪便就成了种土豆的基质。但是这里面呀，也存在很多问题，最重要的火星土壤中的无机盐怎么处理，盐碱地里种土豆？关于种土豆的更多问题可以查看：马特达蒙牌火星土豆的五十种死法

其实，最重要的，没有金坷垃，火星农业怎么可能发达。

3.4 生产水

有了土，接下来就需要解决水的问题。幸好，之前队友给力的火星着陆让MDV（火星降落载具）中还有不少联氨，而阿瑞斯3的MAV（火星升空载具）的下半部分还在，可以制造氧气，那么，根据下图的两个化学方程式就可以造出足够的水来。（注意，电影中并未区别MDV和MAV，它们其实是两个东西。）至于铱是哪里来的？联氨作为推进剂使用本来就需要铱进行催化，所以可以直接从发动机里面拆下来。

对于一个点氢气时炸过的人来说（玻璃可乐瓶上橡皮塞像炮弹一样飞出去了），电影中点氢气的方式简直不敢想象。

联氨/肼是一种常见的单组元推进剂（就是燃料只有这一种成分，氧化剂还原剂都是它），用于海盗号、凤凰号和好奇号等多个火星探测器，阿波罗登月舱也使用联氨作为燃料。其他常见的的液体火箭发动机燃料还有偏二甲肼-四氧化二氮，液氢-液氧，液氧-煤油。

3.5 MAV自行制造燃料

听上去很科幻，但其实这种叫ISRU的技术已经开始试验了。仅仅携带量的氢，提前将飞船发射到火星上，让它自行生产燃料，这样可以大大减小从地球发射时的重量。在NASA 2020年的火星计划中，很可能就携带这样的装置，从火星大气中的二氧化碳中分离出氧气作为燃料，让我们拭目以待吧。小说中提到1千克氢生产13千克燃料，难道是乙炔？搜到的资料中生成甲烷的比较多。

3.6 对火星表面的观测精度

其实我就是想展示下面那张照片。

3.7 马克的火星漫步路线

马克开始规划路线了，他需要到3200千米外的阿瑞斯4所在地。从下面的火星地图可以看出，整条路线基本是一个上坡，所以实际情况不可能想电影中那样顺利。另外火星表面实际上是乱石嶙峋，网上能够找到很多这样的图片，后面我们也能看到，好奇号的轮子就被火星石头磕出洞来了。

By ESA/DLR/FU Berlin, CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=44839676

3.8 火星车

火星救援中的火星车续航只有35km，这应该是马克去阿瑞斯4所在地最大的障碍。

NASA早在2008年就发布了全新一代的月球车原型车，并且随后该项目升级为打造一辆可以在任何星球进行探险的全能车辆，NASA管他叫多任务空间探险车MMSEV（Multi-Mission Space Exploration Vehicle）。可以看出电影中火星车基本参考了NASA原型车的整体布局。关于这个有篇文章写的不错：《火星救援》：汽车技术看得见的未来。

根据维基的描述，MMSEV续航有240km，电影中只有35km，即使考虑到火星上的活动不会距基地很远，35千米的续航考虑冗余也确实偏小。

而在最新的概念设计中，SEV的座舱还可以用作空间飞行器。一机多用，变形金刚呀！

3.9 RTG 放射性同位素热电式发电机

为了增加火星车的续航，马克把RTG给挖出来了。

放射性同位素热电式发电机(Radioisotope Thermoelectric Generator RTG)利用热电偶阵列（应用了西贝克效应，一种热电效应）接收了一些合适的放射性物质在衰变时所放出热量再将其转成电能。

很多深空探测器（新视野、旅行者等）都使用了RTG，因为它们距离太阳太远，太阳能电池已经不太起作用。

看到好奇号翘起来的屁股了吗？那就是好奇号上的RTG。好奇号的RTG发热功率有2000W，而发电的功率有100W多一点。现阶段RTG功率普遍不大，估计这也是为什么电影中的火星车未使用RTG供能，但用来取暖还是绰绰有余的。更多请看：靠谱么？《火星救援》中用放射性同位素取暖

3.10 JPL 喷气推进实验室

出现了一个华人面孔，还是JPL的主管。看到一段话：“这（《火星救援》电影）是一个女性宇航员上校，印度裔飞行员，华裔总工程师，青年黑人物理学家，中国航天局共同拯救白人男性的故事，欧洲人民也在大屏幕前贡献了真诚的祈祷。”

鼎鼎大名的喷气推进实验室。著名的实验室我就记得JPL，贝尔实验室，对，还有那个有Titan超算的橡树岭国家实验室。

NASA关于外太空的无人探测都是JPL在主导，所以JPL露脸机会很多。NASA下属有很多实验室和研究中心，就和我们航天X院一样，具体可以参看百度百科-NASA。

3.11 如何在火星着陆

为了和地球通讯，马克找到了多年以前的火星探路者号（Pathfinder）。考虑到航天器的高可靠性，几十年后还是存在能用的可能性…大概…不过需要注意的是火星探路者是利用气囊降落在火星的，降落伞在在减速后已经扔掉了，所以不会存在这种通过降落伞发现探测器的情况。小说原作中也不是这样发现探路者的。

会不会有这样的情况：看到一个火星着陆的视频，但是却不知道是哪个探测器？

这里给出一个总结（NASA的探测器）：海盗号最后阶段（下同）是喷气减速，火星探路者和勇气号机遇号是气囊减速，凤凰号是喷气减速，而最近的勇气号用的是一种天空起重机的形式，超科幻的感觉。同为火星车，勇气号机遇号带有太阳能电池板，而好奇号没有；凤凰号太阳能电池是圆形的，而火星探路者是三角形的，并且带有一个小的火星车旅居者号；海盗号用RTG供能，没有太阳能电池板。

为什么你这么熟练啊！

NASA有一个视频<50 Years of Mars Exploration>，4分钟看完所有火星探测器。原地址，百度云链接密码：2seo

火星探测器的着陆一般先是探测器调整姿态，气动减速；然后利用降落伞进行进一步减速；接下来就可以选择直接喷气减速到达地面或者表面长出鼓包，以气囊形态撞击火星，弹跳几次减速，亦或者像好奇号那样利用“天空起重机”直接把火星车放到地面。可以看这个视频：好奇号已着陆火星 Curiosity Has Landed (NASA现场结合画面)，这里有两篇文章详解好奇号着陆过程：

图解“好奇”号火星车如何降落火星

Inside Huge Mars Rover’s Sky Crane Landing

3.12 深空探测网

聪明人之间的沟通就是这么顺畅，马克找到探路者号后JPL就找到探路者的备份开始与马克进行超远程通讯。但是电影中这个镜头看起来像是两个探路者之间直接进行通讯一样，实际上NASA有专门的系统与外层空间探测器进行通讯。深空探测网（Deep Space Network DSN）就是干深空通讯这事的。得益于三个经度间隔为120度的地面站和多个70m 35m的天线，深空探测网的接收信号的能力超强。DSN目前仍然会每周接收正在探索星际边界的旅行者号的信号。要知道旅行者号发出的信号到达地球后能量仅为普通电子表的两百亿分之一。

这里有一篇文章详细介绍了深空探测网：走进美国深空探测网。

在这个网站你可以看到DSN每个抛物面天线正在干什么：DSN Now

3.13 人造重力

目光回到地球与火星间的方舟——赫尔墨斯号上来。在这个场景中我们可以看到，赫尔墨斯号通过部分舱体的自旋来人为模拟重力。可行吗？不妨简单算一下。

从上图的场景目测出舱体的旋转速度大概为一分钟一圈，代入下图公式，得出飞船需要大约800m的半径才能产生和地球相等的重力。。。能造出这样的飞船的时候人类早已飞出太阳系了吧。当然，提高转速能够有效减小舱体半径，事实上《星际穿越》中飞船的旋转速度就要快得多，“但这样就不会那么优雅了”。具体可以看看这篇文章的分析：《星际穿越》物理学：为什么飞船不断旋转？

太空时代的重力缺乏症（自己编的名字）就是大航海时代的败血症，制约着宇航员在太空中停留的时间。现在比较现实的想法是通过旋转来模拟重力，但或许哪天科幻小说中的反重力就出现了呢？

3.14 霍曼转移

霍曼转移轨道（Hohmann transfer orbit）是一种基本的变轨方式，需要对航天器施加两次速度脉冲，在某些情况下是一种燃料最优的变轨方式。但是实际中，不可能瞬间对航天器施加一个速度脉冲，一般都是小推力发动机持续作用；而且，这只是燃料最优，对于载人航天来说还得考虑时间问题；另外，如截图所示，霍曼变轨是存在窗口的，变轨飞行器进入目标轨道时需要目标飞行器/天体恰巧在那里才行。所以才会有那么多研究轨道的嘛。关于《火星救援》整个过程中赫尔墨斯的运行轨道在下面还会讲到。

3.15 题外话：水在真空中会怎样？

基地炸了。原来种土豆的地暴露在火星大气中，土壤中的水全部结冰，一片惨白。一开始看到这一幕的时候我怀疑水会结冰还是瞬间蒸发，搜了资料才知道，就算你把水放在真空中也不会瞬间蒸发，更何况还是在火星晚上的低温情况下。所以电影中这个场景并没有什么问题。

不过倒是找到一个之前自己从没想到的很有趣的问题。直接看下面的图↓↓↓。更多可以参考果壳这个问题：把水放在真空中会怎么样？

然后，马克用“塑料薄膜” 胶布又把基地给封上了。这是我整部电影看下来最想吐槽的地方：就算薄膜能有这么高的强度，但马克在电影中的操作也太粗糙了吧，怎么可能达到气密的程度；而且内外压差可是接近一个大气压，10米的水柱呀，“塑料薄膜”怎么也得鼓得胀胀的吧，电影中晚上刮风的时候“薄膜”怎么还向内凹了？

电影制作的时候我觉得这一点完全可以做到更加逼真，原作中这个场景也不是这么简单的一件事。

3.16 火星落日

3.17 中国国家航天局

NASA运送补给的火箭炸了，duang duang duang，中国登场了。这里就不讨论为什么中国国家航天局是在布达佩斯歌剧院拍摄的，为什么总部大楼这么“劳命伤财”，为什么对中国的描写还停留在上世纪的刻板形象中。

刚开始接触航天的时候就知道了航天科技集团和航天科工集团，但没听说过国家航天局，所以一直以为它是不存在的。直到有一天我搜了搜国家航天局，才发现是有个部门的，只不过其更接近于一个行政机构，存在感很低。更多可以看看知乎这个问题：为什么看到《火星救援》中中国航天局的剧情会引起笑场？

学航天的毕业后多数去航天科技集团和航天科工集团，两个集团下属的院所分布在全国各地，但重要的部门还是在北京上海。可以先看看：业内人士曝中国军工单位科研人员收入情况。

关于航天科技（CASA）和航天科工（CASIC）的区别，具体可以参考这个问题：能介绍一下航天科技集团和航天科工集团吗？航天科技主要研究我们知道的东西，比如科技下属的航天一院研究运载火箭和战略导弹，长征、东风就是他们家的；航天五院研究空间飞行器，包括神舟、嫦娥、天宫等。而航天科工主要从事国防军事产业，包括各种导弹。但现在二者间产品界限没有那么严格，作为一个企业，肯定是什么效益好做什么，对吧。

3.18 航天上的中美合作

由于时间限制，电影中对于为何中国对于会帮助NASA描写得不多，稍显突兀。小说这一段的翻译见下图。天下没有免费的午餐，NASA你想要太阳神的助推器，就得改变中美航天对立的状态，在下次阿瑞斯5计划中带上一个中国人。细心观察，在电影最后火箭升空时你能看到一个中国面孔。

关于中美航天间的恩怨，首先看一则旧闻：知乎问题：为什么美国国会禁止 NASA 与中国航天部门合作？。最高票回答提到的这枚火箭就是前段时间闹得沸沸扬扬的据传死了500人的事故中爆炸的火箭。基本情况就是长三乙火箭的首次发射失败，休斯公司帮忙分析原因，后来问题解决了，但美国觉得休斯公司帮中国提高了惯性导航技术，由于惯导关系到战略导弹，美方有些别有用心的人就把这件事上升到中国威胁论。结果就是中美在航天上的合作中断，凡是有ITAR（国际武器贸易条例）清单内元件的卫星，就不能进入中国，否则进行制裁。结果就是，中国的运载火箭虽然便宜又好用，却没人（国）敢用，只能连火箭带卫星一起卖；中国没能加入国际空间站计划；很多软件对中国军工业禁售。

因为只在知乎这里看到了这个说法，不是特别确定。个人感觉这件事实际情况应该就是这样，原答案中提到的白宫文件确实还挂在网站上，太长了没去研究。

而后来，佛难克·狼（Frank Wolf）也在这一系列航天排华运动中起了重要作用，上面提到的知乎问题：为什么美国国会禁止 NASA 与中国航天部门合作？中也有详细描述。

隶属于NASA的美国加州艾姆斯研究中心(ARC)将于11月举行学术会议。本次研讨会主题是NASA的开普勒太空望远镜项目，帮助美国和国际团队探索太阳系之外的宇宙空间。对该领域的科学家而言，本次会议至关重要，因此也有中国专家申请参加会议。但是，开普勒项目专家马克·梅瑟史密斯却发出邮件，表示拒绝。邮件中写道：“不幸的是……今年3月通过的联邦法律禁止我们邀请任何中华人民共和国的公民来国家航空航天局开会”。

<“沃尔夫禁令”惹怒国际科学界>

事实上，有一次听一个计算机学院的老师说到，由于哈工大的军工背景，他作为计算机方面的学者出国都会有点麻烦，直接结果就是某次学术会议他学生可以去，他却去不了。但是航天作为这么大一个产业，中美间的合作怎么可能完全中断，所以也会有这样两则新闻：NASA或放行中国人参加研讨会称只禁止双边合作 NASA局长：禁止与中国航天合作是暂时的。好在，沃尔夫退休了。

希望航天上的中美合作不要像《火星救援》中那样再持续20年。

3.19 NASA的超算 Pleiades

为了验证自己设计的轨道是否能够满足要求，我们的黑人小哥用上了NASA的超算Pleiades。关于Pleiades的更多信息可以查看其官网：www.nas.nasa.gov/hecc/resources/pleiades.html。当然，超算排行榜上目前还是我们的天河2号排行第一。

3.20 引力弹弓

我们的黑人青年天体力学家向NASA的boss们介绍引力弹弓，那销魂的眼神。引力弹弓应该算是航天领域的基本常识，但为了一般人的理解，电影这里把它当作高大上的东西来描写。事实上，小说中小哥是根据飞船当前航道算出了一套可以接连使用两次引力弹弓精确来回地球火星的入轨参数。下面是整个航程的动画，可以直观理解赫尔墨斯号在火星救援中的运行轨道。

关于引力弹弓的原理，参见下面百度百科的图，利用相对速度和速度合成的概念很容易理解。航天器在绕过借力天体（地球/水星）后，其相对于借力天体的速度方向发生了变化，这个速度与借力天体在中心天体（太阳）下的绝对速度进行合成，就得到航天器的绝对速度。而不同的进入方向使得速度合成的角度不同，最后也就能得到不同的加速或者减速效果。

维基百科的动图展示得非常直观：

前侧绕飞减速

后侧绕飞加速

3.21 为什么和Hermes对接也需要中国大火箭？

3.22 离子推进器

赫尔墨斯驶向地球，发动机喷出淡蓝色的火焰。赫尔墨斯号在远距离航行中使用的是核反应驱动的离子发动机（Ion thruster），虽然看上去有点科幻，但常规动力的离子发动机确实早就已经投入使用了。

离子发动机最大的优点是比冲大。那什么是比冲呢：

比冲或比冲量是对一个推进系统的燃烧效率的描述。比冲的定义为：火箭发动机单位重量推进剂产生的冲量，或单位重量（重力）流量的推进剂产生的推力。比冲的单位为米/秒（m/s）或牛·秒/千克（N·s/kg）（考虑单位质量流量的推进剂），工程上会考虑单位重量流量的推进剂，而比冲的单位习惯使用秒（s）。比冲越高代表效率越好，亦即可以用相同质量的燃料产生更多的动量。

根据比冲的词条，普通固体发动机比冲在250s左右，而液体火箭发动机比冲稍高，在400s左右。土星5号第一级的液氧-煤油发动机使用最简单的燃气发生器循环，效率最低，真空比冲只有300s，但这样的好处是结构简单，提高了可靠性。而离子发动机比冲能达到3000s，直接高了一个数量级。但比冲和推力无关，离子发动机喷射工质的速度快，所以比冲高，但工质喷射的量少，所以推力很小很小。这也就决定了离子发动机基本只能用在长时间的深空探测或者高精度姿态稳定中。目前“囿于腐蚀和羽流以及很多其他问题，等离子推进器目前的功率和推力都有上限。”（崔忱@知乎）

我们在学离子发动机的的时候用的是另一个说法：电推进。电推进分为电热型、静电型和电磁型，离子发动机属于静电型，是使用最广的电推进方案。直到不久前我才知道原来哈工大有专门的电推进实验室，有同学就在里面测试电推进发动机。