载人航天如果要走向深空，需解决哪些基础技术问题？
W Yao，太空生存法则探究
首先祝贺天宫二号发射成功。我们终于建立了自己的空间实验室，航天员将能够在近地轨道工作和生活 30 天，开展一定规模的科学研究。再过几年，我们就将拥有自己的空间站了。
今天恰逢中秋。仰望明月，我们不禁想，有没有可能真正在月球建造“广寒宫”呢？或者更远，人类有没有可能登陆火星呢？实际上，这些梦想可能会在不远的将来变成现实。比如，我国的科学家们正在论证思考载人登月的可行性[1]，美国从布什政府提出的“重返月球计划”也早已切换到奥巴马政府更加具有野心的“载人火星计划”（图 1）。今年，一些航天公司也来凑热闹。5 月 23 日，洛克希德马丁公司透露，将在 2028 年前发射一艘命名为“火星大本营”的载人飞船搭载 6 名宇航员于 2028 年进入环火星轨道[2](链接有震撼视频)。6 月 2 日，艾伦 - 马斯克宣布，SpaceX 将于 2024 年开始执行载人火星登陆计划，并将在 2025 年到达火星[3]。月球已被纳入地球经济圈，美国政府首开先河，批准私营公司开展登月活动[4]。且不说月球是否能开采到有用的资源，美国政府的鼓励是否会掀起月球圈地运动？不管怎样，随着人类文明发展和科技进步，人类的探索疆域逐步向海洋、大气、近地轨道甚至月球拓展。二十一世纪，人类将有望实现地外移民，小行星、火星等地外星体将留下人类的足迹。正如航海时代创造的奇迹一样，载人深空探索将会创造人类发展史的下一个奇迹。
图 1 NASA 的载人深空探索路线图（摘自 NASA）
言归正传，面对一个遥远的、存在众多未知因素的星球，载人深空探索会面临一系列前所未有的技术挑战，包括刚才前几位讨论者提到的动力推进技术、进入着陆技术、再生式环控生保技术、航天员的生理心理问题、长期失重问题等等。我想再从人类在地外星球生存与发展面临的根本问题，跟大家进一步探讨可能涉及的技术。我们知道，航天员平均每天要消耗约 0.9kg 的氧气，并排出大约 1kg 左右的二氧化碳，并且每天需要饮用大约 2.5kg 的水，食用约 0.6kg 的食物，还需保持合适的温湿度环境。以载人火星探测为例，为保障最小乘员组（假定 6 人）一个任务周期（假定 2 年）长期生存的基本物资需求约 18 吨，也难怪 NASA 曾设计出一个重达 400 吨的“火星船”。因此，若人类想真正实现地外生存，则必须要摆脱对地球母亲的依赖，充分利用原位资源，就地取材，满足自身需求。因此，美国 NASA 最新发布的载人探索技术路线图的核心就是原位资源利用（ISRU），包括原位资源的探测、提取与利用。事实上，通过利用原位资源，将大大减少必须从地球携带的物资，因此将会大大降低航天任务的成本。原位资源利用是人类“脱离地球的生存能力”。对火星移民者来说，火星上两种潜在的资源，即大气中的二氧化碳和浅表土壤中的水，是生存与发展的基础。有证据显示火星浅表广泛存在水，即使在赤道区域也是如此。如果这些水可提取，这不仅可为人类提供饮用水，而且将可制备氢和氧。但这种形式的原位资源利用其主要难点不在于方法本身，而在于浅表水资源的勘探。这需要利用气球、飞机或滑翔机、着陆器、轨道器等多种平台携带探测仪器进行大范围浅表观测。在获取了氢资源的基础上，还可以利用火星大气的二氧化碳与氢反应生产甲烷和氧气，为返回地球提供推进燃料。另外，火星移民者还需利用土壤资源生产建筑材料、提取金属材料，进行基地建设和工业生产。这可能需要突破颗粒输运、分离，激光 / 微波加热、化学处理萃取、3D 打印原位制造等技术，感觉像需要建一系列工厂啊。
最后，还需强调的是（NASA 的路线图有点忽略啊），以上的一切一切都需要能源啊！因此，原位的能源收集与转换也是非常重要的，这也是我们团队研究的重点方向之一。火星上可原位获取的能源形式主要包括太阳能和风能，月球上可能只有太阳能是可以直接获取的。但是，和无人探测器相比，有人地外基地的能源需求(电能 + 热能)要大的多。月夜和火夜无法获取太阳能时，无人探测器采用的同位素电源区区数十瓦，最多上百瓦的能量对载人系统来说根本不够用。靠化学储能电池的话需要数吨的重量，但这都需要从地球提供。因此，利用地外天体土壤储能也是原位资源利用的一种重要方式。
我们再次反观地球，我们赖以生存的家园。正如著名经济学家鲍尔丁（Kenneth E. Boulding）所形容的“地球就是太空船”，人类唯一赖以生存的地球仅仅是茫茫无垠的太空中一艘小小的飞船。人口和经济的不断增长将使我们人类面临与载人深空探索一样“有限资源的窘境”。只有可持续的能源与资源利用，才能使我们的地球飞船足够容纳我们大家。
参考资料链接
[1] 张柏楠：中国实现载人登月的日子不会太远 -- 科技 -- 人民网
[3] 马斯克：2024 年开始执行载人火星登陆计划_TechWeb
[4] 美国首次批准私营公司登月
深空探测如何解决空间辐射问题？
ZX Huo，核专业博士，研究空间天文技术，业余段子手，特贫研究猿
空间辐射防护方面我知道些零星的皮毛，尝试回答一下。
航天器由空间辐射环境造成的故障中，充放电造成的比例是 70%，辐射损伤和粒子翻转占的比例相对较小。而低地球轨道不考虑充放电，所以题主说的深空探测，主要就是考虑充放电，以及辐射损伤和单粒子翻转。
先说充放电。宇宙空间中充满了等离子体，比如太阳风、地球磁层等等，等离子体带电荷，又是良好导体，因此就会与航天器相互作用，使得航天器表面充放电，或者太阳能帆板供电泄露，甚至出现弧光放电等等。具体来说，带电粒子与航天器相互作用时，使得电荷在航天器表面积累，航天器局部出现电压，电压如果超过特定的阈值，就会引起非预期的放电，可能导致设备故障甚至损坏。
对空间充放电的防护措施，首先是任务层面的，然后才是技术层面的。
- 先对任务进行分析，对飞行区域进行建模，研究是否有产生空间充放电效应的可能
- 对航天器进行分析，定位敏感部组件
- 如果可能，优化飞行程序，走安全的轨道
- 航天器外面包裹导电的铝箔，让充放电都沿着铝箔进行；内部敏感元器件装到法拉第笼子里
所以，我们看到的卫星、探测器，常常是金光闪闪的，那是为了防范空间充放电而包裹上的铝箔。当然，铝箔还有别的用处，比如用来做被动的隔热。
再说辐射损伤。主要是空间环境高能射线（例如宇宙射线）中能量较高的质子、氦核等原子核，与航天器物质的发生反应。比如高能粒子可以敲掉航天器材料的化学键，改变材料特性，或者直接与航天器物质发生原子核反应，引起核嬗变（从一种原子核变成另一种原子核，比如氮 14 被高能氦核砸一下，变成放射性的氧 17 以及一个质子）。
辐射损伤的防护就是用屏蔽层。一般来说，原子序数高的材料屏蔽效果好。而屏蔽层越厚，高能粒子穿透屏蔽层的几率越小。
最后说单粒子翻转。我们都知道，集成电路中的存储器靠电荷数来存储布尔数或者整数。当宇宙射线或者其他高能粒子穿透了航天器的外层材料，恰好打中集成电路的敏感区域，有可能造成电荷数错误，进而导致数字电路出错。这种故障和上面两种不一样，上面的故障是永久性的，而这里的单粒子翻转更像是软件的 Bug。读出速度越快、存储电荷深度越小的器件对这种错误越是脆弱。而且这种错误是偶发的，对一个器件同时发生两次事例的几率几乎可以忽略。因此，防范单粒子翻转的方法就是优化电路设计，比如加入校验、降低读出速度、增加深度（类似数码相机的 CMOS，像素越大信噪比越好）等等。
综上所述，空间辐射防护有成熟的技术。要素是：1、对辐射环境建模；2、定位辐射过程和敏感部件；3、设计防护方法。
但不管是增加铝箔、法拉第笼子、屏蔽层，还是使用抗单粒子翻转的电路，都是要增加成本的（航天器体积越做越大、重量增加）。所以最终的效果是成本增加、风险下降，所以最后也是一笔投入产出的账。
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