火星基地如何运作：漫步居住舱、制氧厂与全尺寸火星车

尚未有人建成的基地

火星基地如何运作？它需要居住舱、供电和制氧等系统协同工作；本展品将这些设施按全尺寸布置，你可以在 1.6 m 的站立视线高度步行查看。未来火星基地的图片通常画着穹顶、火星车和红色天空，却很少说明每件设施多大、彼此相隔多远，以及在它们之间行走是什么感受。

首先要明确最重要的一点：这座基地并不存在。还没有乘员登陆火星，NASA 也未选定火星居住舱的最终设计。NASA 公布的是研究方案。《Mars Design Reference Architecture 5.0》（2009）描述了约 500 天的地表长期任务：货物先于乘员着陆，从火星空气中制氧，并用加压车进行长途出行。NASA 在 2023 年的火星地表居住舱概念研究中，考虑了专用生活舱搭配敞篷地形车，作为住在大型加压车内的替代方案。模型从这些研究借用主要设施，尺寸、布局和颜色则为模型自行选定。

屏幕上的数值另有依据。重力、气压、气温、日长、地平线距离和无线电通信延迟均来自 NASA 数据，下文逐项说明计算方法。

居住舱为什么用支腿架起，还需要气闸

模型中的居住舱是直径 8 m 的圆舱，六条支腿将地板抬到离地 1.3 m。抬高地板与 NASA 的 2009 年方案运送方式有关：居住舱预先建成，位于自身着陆器上方，而非在地面组装。抬高也有助于应对火星尘土。细尘随风飘移，会在任何贴地设施周围堆积。

南侧伸出一段短管，这就是气闸。乘员进入，关闭内门，先把空气抽回居住舱，再打开外舱门。否则，每次出舱都会把整舱空气排向太空。在所有可呼吸空气都必须制造或运来的星球上，这一步很重要。

东侧停放的加压车展示了另一种出舱方式。后壁有两个航天服接口，航天服从外侧固定到这些圆环上。乘员在舱内从航天服背部钻入，再脱离接口走开，让沾尘的航天服始终留在室外。模型展示它们，是因为它们解决了与气闸相同的问题，却损失更少空气。

较弱阳光下的太阳能板

火星与太阳的平均距离约为地球的 1.52 倍。阳光随距离平方扩散，因此每平方米收到的能量更少。NASA 火星资料表给出的平均日距处日照为 586.2 W/m²，而地球为 1,361 W/m²。计算得到 586.2 / 1,361 = 0.43，即 43%。

模型阵列由三排共 15 块板组成，朝向正午太阳。这个虚构地点位于赤道以北 22°，正午太阳在南方。尘埃也是问题：它落在玻璃上，进一步降低发电量，直到风或乘员将它清除。多年来，火星太阳能着陆器曾因此失去电力。

模型采用太阳能，是因为它容易看见，也方便绕行观察。NASA 的 2009 年参考架构其实更倾向地表核裂变发电，因为反应堆在夜间和沙尘暴中仍能稳定供电，而制氧需要大量电力。真实基地可用其中一种，也可两者并用。

Perseverance 上的 MOXIE 证明了什么

NASA 资料表显示，火星空气按体积计有 95.1% 二氧化碳，氧气仅占 0.16%。这种空气不能呼吸，但二氧化碳本身含氧。分解 CO₂ 分子，可得到氧气和一氧化碳。

NASA 用搭载于 Perseverance 的 MOXIE，即火星氧气原位资源利用实验，在火星检验了这种方法。NASA 形容它约有微波炉大小。装置吸入并压缩火星空气，再通过电化学过程从每个 CO₂ 分子移走一个氧原子。从 2021 年着陆到 2023 年 8 月 7 日最后运行，它共制氧 16 次。NASA 公布的数据如下：

• 总计制氧 122 g，约为一只小狗 10 小时的呼吸用量。
• 最佳速率为每小时 12 g，是 NASA 最初仪器目标的两倍。
• 纯度不低于 98%。
• 第 16 次、也是最后一次运行产氧 9.8 g。

MOXIE 仅是技术演示。NASA 表示，下一步应建造还能液化和储存氧气的全规模系统。任务方案中，大部分氧气将用作把乘员送离火星的上升器推进剂。模型中的制氧厂代表这样的全规模系统，内部金色盒子对应 MOXIE，旁边两个白球是储罐。

在 0.38 g 下行走与跳跃

NASA 资料表给出火星平均地表重力加速度为 3.73 m/s²，地球为 9.82 m/s²。3.73 / 9.82 = 0.38，因此你的重量为地球上的 38%。质量并未改变，所以开始和停止运动所需的力仍与地球相同。

跳跃按钮给出的起跳速度为 2.0 m/s，属于小幅跳跃。在重力加速度 g 下上升，最高高度为 h = v² / 2g，滞空时间为 t = 2v / g：

• 火星：h = 2.0² / (2 × 3.73) = 4 / 7.46 = 0.54 m，t = 2 × 2.0 / 3.73 = 1.07 s。
• 地球：h = 4 / (2 × 9.82) = 0.20 m，t = 4 / 9.82 = 0.41 s。

高度相差 9.82 / 3.73 = 2.63 倍。在控制面板开启地球重力，再跳一次即可比较。左上方读数显示上一次的高度和滞空时间，即使某帧跳过最高点，模型也会准确计算峰值。需要说明：真实航天服会增加许多质量，同样的腿部发力会让穿航天服的人起跳更慢。模型未计入航天服。

稀薄寒冷的空气，以及稍长的一天

居住舱附近的气象桅杆代表火星着陆器携带的气象站。读数显示在左上方方框内。

• **气压。**资料表给出平均半径处气压为 6.36 mb（6.36 hPa），随季节在 4.0 至 8.7 mb 间变化。地球海平面为 1,013 hPa，因此火星约为其 0.6%。没有保护时，人体体液在这种气压下会开始沸腾，因此航天服和加压房间不可缺少。
• **气温。**Viking 1 着陆点的气温从黎明前约 −89 °C 到下午约 −31 °C。资料表给出的全球平均约为 −59 °C。移动时间滑块时，模型按 Viking 1 的极值之间一条简单日变化曲线计算。
• **日长。**火星太阳日称为「sol」，长 24.6597 小时，即 24 h 39 min 35 s。任务团队把它分为 24 个「火星小时」，每小时相当于 24.6597 / 24 = 1.0275 个地球小时，约 61.65 分钟。读数中的时钟采用这种小时。

日落时天空为什么变蓝

火星车照片中的白天天空呈奶糖色或铁锈色，日落时太阳周围却会变蓝。NASA 的 Curiosity 于 2015 年 4 月 15 日，也就是第 956 个火星日，在 Gale 陨石坑拍到了这种景象。

NASA 为该图像（PIA19400）所写的说明给出了解释。火星空气中的细尘使蓝光比长波光更容易穿过大气，因此阳光的蓝色部分仍集中在太阳附近的天空，黄光和红光则散射到天空各处。白天，尘埃的铁锈色充满天空；日落时光线穿过更多空气，太阳附近的蓝色便突出出来。

模型用一个小型着色器按这种描述绘制天空。大部分天穹呈尘埃色，地平线附近较亮，太阳周围有光晕。太阳降低时，光晕由淡黄色转为蓝色，远离太阳的一侧变为棕色。把时间滑块拖到约 17:50，朝西看。

地平线有多远

火星比地球小，地面更快因曲率而离开视线。视线高度为 h、球体半径为 R 时，地平线距离 d = √(2Rh + h²)。采用 NASA 火星体积平均半径 R = 3,389.5 km，视线高 h = 1.6 m：

• d = √(2 × 3,389,500 × 1.6 + 1.6²) = √10,846,402.56 = 3,293 m，约 3.3 km。
• 地球（R = 6,371 km）同样高度可看至约 4,515 m，即 4.5 km。
• 月球（R = 1,737.4 km）约为 2,358 m。

模型地形是一个网格，按 x² / 2R 从平面向下弯曲，使地平线位于公式给出的位置。1 至 3 km 外的低矮台地会露在地平线上方。

带延迟的地球通信

无线电以光速 299,792.458 km/s 传播。NASA 资料表给出的地火距离范围为 5460 万至 40,140 万 km。距离除以光速，就得到单程延迟：

• 最近：54,600,000 / 299,792.458 = 182 s，即 3.0 分钟。
• 平均冲日距离（7834 万 km）：261 s，即 4.4 分钟。
• 最远：401,400,000 / 299,792.458 = 1,339 s，即 22.3 分钟。

最远时，一问一答约需 45 分钟，无法实时交谈。因此乘员需自行解决问题，以更像书信的方式发送消息。控制面板的「地球到火星」滑块改变距离，读数随之重算延迟。大约每 780 天，即 NASA 资料表中的会合周期、约 26 个月，太阳会来到两颗行星之间，这叫太阳合。NASA 此时会暂停向火星探测器发送指令数周（2023 年 11 月为两周），因为太阳的高温带电气体可能干扰无线电信号。

一次步行，十个区域

基地的十个区域分布在同一片平整平原。起点是支腿居住舱、气闸和第一片太阳能阵列。南侧有居住舱内部剖面、航天服室和温室；西侧是能源区，小反应堆藏在土堤后；东侧是制氧厂、冰矿，再往前是车库。东南侧有着陆场，北侧观景点设有路标和岩样，西南侧是长条形航天器模型区。

打开区域可直接前往任一处，打开实地指南可按名称或类别搜索全部 144 件物品，也可使用右上方小地图。点击地图会放大，再次点击便前往选定位置。每个区域在你第一次靠近时才创建，因此页面不必提前加载未访问的内容。

基地区域都是概念。每处都参考真实 NASA 或 ESA 研究、国际空间站试验或地球试验场，资料卡注明来源。航天器区则不同：它展示真实机器的实际大小，着陆日期和地点来自 NASA 与 CNSA 记录。

居住舱内部：休斯敦的 3D 打印建筑

庭院南侧的剖面参照 NASA 位于休斯敦 Johnson Space Center 的 CHAPEA 居住舱 Mars Dune Alpha。它是一座单层建筑，面积 1,700 平方英尺，约 158 m²，用类似水泥的材料逐层打印。2023 年 6 月至 2024 年 7 月，四名志愿者在此生活 378 天，模拟火星任务中的通信延迟、有限物资和舱外行走。

NASA 列出的设施包括四间私人卧室、工作台、医疗站、公共生活空间、厨房和种植站。模型采用同类空间布局。从南门进入就是带圆桌的公共区，西墙沿线为卧室，北侧为厨房和食品库，东侧为健身区和种植架。去掉屋顶，阳光可照进房间，也便于越过墙壁观察。

一些设施附有与火星基地相关的重要数值。角落避难所用水箱和物资围成墙，因为 Curiosity 辐射探测器测得，地表宇宙射线平均每天造成约 0.67 毫希沃特剂量。水再生装置和空气净化器代表空间站已在使用的系统；每人每天呼出约 1 kg 二氧化碳，NASA 生命保障基准给出的吸氧量为 0.82 kg。

航天服室：空气为什么珍贵

居住舱内接近地球海平面气压，为 1,013 hPa；外部平均为 6.36 hPa。每次气闸充气再排空，若不先用泵将空气送回居住舱，里面的空气就会损失。航天服室中的泵会将气压抽至几百帕，只把最后稀薄的残余排向室外。这也是气闸保持小巧的原因。

航天服接口是另一种办法。航天服挂在外墙，背部舱门密封连接圆环，穿戴者从室内由背部钻入再脱离。无需排空任何舱室，沾尘的航天服也永不进入室内。NASA 加压车研究采用接口也是出于同样原因。

尘埃与空气同样重要。火星细尘很容易黏在织物上，Phoenix 还发现土壤中高氯酸盐约占半个百分点。高氯酸盐对人体有害，因此航天服室有刷洗站，土壤样品则在居住舱内的密封手套箱中操作。

在控制面板关闭穿着航天服，可查看直接暴露会怎样。6 hPa 远低于水在体温下沸腾所需的气压，人约在 15 秒内就会失去意识。警告会链接到介绍不穿航天服站在太空中后果的展品。

在红蓝光下种植食物

植物主要利用红光和蓝光。叶绿素强烈吸收约 630 至 660 纳米的红光和约 450 nm 的蓝光，反射大部分绿光。因此空间站植物灯主要为红蓝 LED，并加入少量绿光，让乘员看见叶片的正常颜色，也更容易发现问题。

NASA 空间站 Veggie 装置种出了宇航员于 2015 年 8 月食用的红叶长叶莴苣，以及 2016 年开花的百日菊。后来，更大的先进植物培养装置种植萝卜，并于 2021 年种植辣椒。地球上，德国航空航天中心于 2018 至 2023 年运营南极 EDEN ISS 温室，距离 Neumayer III 站 400 m。第一个种植季，它在 12.5 m² 栽培面积上产出 268 kg 食物，光照保持为每平方米每秒 330 至 600 微摩尔，气温 21 °C，二氧化碳约 1,000 ppm。

模型温室有六组种植床：绿叶菜架、生菜、百日菊、辣椒、萝卜和矮秆小麦。远端放着火星土壤盘，注明使用前需洗去高氯酸盐。火星在这里有一项优势：空气几乎全是植物所需的二氧化碳，因此温室可从外界取用。

沙尘暴需要多少太阳能板

读数根据季节、地点纬度和空气尘埃，累加一块平板在整个火星日收集的阳光。计算步骤如下：

1. **大气顶部日照。**火星日距约为地球的 1.38 至 1.67 倍。通量为 1,361 W/m² 除以距离平方，因此约在 715 至 490 W/m² 之间变化。「季节」滑块让火星沿轨道移动；近日点位于 Ls 251°。
2. **太阳高度。**模型按地点纬度（22° N）和季节赤纬计算火星日内每个时刻的太阳高度，再乘以高度角正弦，得到平板接收量。
3. **尘埃。**直射光乘以 e^(−τ/μ) 衰减，其中 τ 为尘埃光学厚度，μ 为太阳高度角正弦。尘埃散射后仍有部分光到达；模型让这部分光在尘埃很浓时也逐渐减少。最后这一步属于模型设定，使浓尘把全天日照削弱至十分之一以下。
4. **太阳能板。**每块板为 2.5 m × 1.5 m，面积 3.75 m²，将 25% 的光能转为电能，这是模型设定值。

在 Ls 0°、空气清澈（τ 0.5）时，一块板每火星日收集约 2.6 kWh。模型基地持续用电 5 kW，即每火星日 5 × 24.66 = 123 kWh，因此需要约 48 块板。τ 为 5 时，同一块板仅收集约 0.67 kWh，基地需约 184 块。如果像 2018 年 6 月那样，Opportunity 所在地估计达到 τ 10.8，则需超过 400 块。这就是第一项任务，也是 NASA 方案反复考虑裂变发电的原因。

阳光不足时的裂变发电

NASA 的 Kilopower 项目于 2017 年 11 月至 2018 年 3 月，在 Nevada National Security Site 测试小型反应堆 KRUSTY，即采用斯特林技术的千瓦级反应堆。铀-235 堆芯加热钠热管，热管将热量传给斯特林发动机，转为电能。试验包括连续 28 小时的全功率运行。后续工作由 NASA 地表裂变电源项目承接，目标是在月球演示 10 kW 级装置。

反应堆不受夜晚和尘埃影响，缺点则是质量、辐射和废热。模型反应堆位于能源区远端土堤后，散热片排出发动机无法利用的热量。真实装置应远得多，方案讨论的是数百米至一千米。

Curiosity 和 Perseverance 已使用另一种核电。尾部带散热片的圆柱是多任务放射性同位素热电发生器，将二氧化钚衰变热转为电能，任务初期约为 110 W，昼夜均可工作。

呼吸用氧与火箭用氧

MOXIE 证明火星上的机器可以从空气中制氧。要将它的数值扩展为基地，先看人的呼吸需求。NASA 生命保障基准给出每名乘员每天需氧 0.82 kg。四人一个火星日（24.66 小时）需要 4 × 0.82 × 24.66 / 24 = 3.37 kg。

按最高每小时 12 g 计算，一台 MOXIE 大小的装置每火星日产氧 12 × 24.66 = 296 g。3.37 kg 除以 0.296 kg 得 11.4，因此十二台即可满足四人呼吸。这就是展品中的制氧任务。

呼吸只是小部分。NASA 方案将大部分氧气装入送乘员返回轨道的上升器，因为氧气占火箭推进剂质量的大部分。用量以吨计，而不是千克。这解释了模型制氧厂为何占满一个集装箱，也解释了着陆场为何有管线通向火箭。

平原下的冰

水可以饮用、屏蔽辐射，也是制造氧气和火箭燃料的原料。火星有大量冻结的水。NASA 的 Mars Reconnaissance Orbiter 上，SHARAD 雷达在 Utopia Planitia 发现地下冰藏，含水量约等于 Lake Superior。同一轨道器的 HiRISE 相机发现中纬度陡坡上，薄尘下露出近乎纯净的冰层，有些只在地下一两米处。NASA 地下水冰测绘项目综合多台轨道器资料，绘出近地表冰分布图。

模型采冰区有钻机、水箱、将水分成氢氧的电解装置、将二氧化碳与氢结合生成甲烷和水的 Sabatier 反应器、小挖掘机，以及处理含水矿物土壤的加热炉。冰崖模拟的就是上述冰层陡坡。

火星车、车轮与真实最高速度

火星上每台巡视器都被刻意设计得很慢。路线在地球规划，车载相机检查危险，而车轮很珍贵。「火星车速度」控制把基地车设为以下平坦硬地最高速度之一：

站在庭院车辆旁，按 R 或点击驾驶。试试 Curiosity 的速度，看看一分钟能走多远。

车库有带航天服接口的载人车概念、短途敞篷车，以及两种车轮。Curiosity 铝轮直径 50 cm，外皮约厚 0.75 mm，自 2013 年起因尖石出现孔洞和裂口，如今驾驶团队会规划路线来保护车轮。NASA Glenn 的方案是形状记忆合金丝轮胎，能在岩石上弯曲后复原。

着陆场与飞散碎石

火箭在松软地面着陆，会将土石高速向外吹出。Apollo 12 在月球上距 Surveyor 3 探测器 163 m 处着陆，带回的 Surveyor 部件有喷流造成的凹坑。NASA 的喷流与地表相互作用研究正是为月球和火星处理这一问题。模型采用硬化着陆场、拦截飞散物的堆土土堤，以及间隔距离。真实方案将场地设在居住舱约一千米外，模型缩近到约 190 m，方便步行。

场上的着陆器是通用概念，用带支腿的锥形舱代表多种载人着陆器研究，不依照任何公司的飞船。旁边是 NASA 研究过的上升器类型，在地表使用当地产氧补给。

所有曾在火星工作的着陆器与巡视器

探测器区展示每艘着陆并传回数据的航天器全尺寸模型，各附说明牌：

Mars 3 首次实现软着陆，但不到一分钟便失去联系，因此 Viking 1 通常被视为首艘在地表开展工作的探测器。尺寸采用公布数据：Viking 着陆器跨支腿约 3 m，Curiosity 和 Perseverance 长 3 m，InSight 跨两块圆形太阳能板约 6 m，Phoenix 为 5.5 m。细节作了简化，资料卡说明各机器的发现。

Ingenuity 的早期飞行

Ingenuity 质量为 1.8 kg，有两副直径 1.2 m、反向旋转的旋翼。2021 年 4 月 19 日，它升高 3 m，悬停 39.1 秒，完成另一颗行星上的首次受控动力飞行。飞行任务在地面按距起点的真实距离布置后续路线：第 3 次飞出 50 m 后返回，第 4 次飞出 133 m 后返回，第 5 次单程飞行 129 m 到名为 B 起降场的新地点。步行需要几分钟，能帮助你体会一架 1.8 kg 飞行器在密度仅为地球 1% 的空气中飞行「133 m」意味着什么。到 2024 年 1 月旋翼受损前，它共飞行 72 次。

观景点能看到什么

庭院北侧观景点有路标和巡视器研究过的地表样本。

• Gale 陨石坑直径 154 km，中央有高约 5 km 的层状岩山 Mount Sharp。Curiosity 逐层攀登。观景点的层状岩块代表这类岩石。
• Jezero 陨石坑直径 45 km，曾有河流注入的湖泊，留下扇形三角洲。Perseverance 在此工作。
• **「蓝莓」**是 Opportunity 在 Meridiani Planum 发现的灰色赤铁矿小球，赤铁矿是一种氧化铁。它们形成于渗入岩石的水中。站到这片小球上可完成一项任务。
• 玄武岩沙构成的暗色沙丘每年缓慢移动。暖空气上升形成的旋风，即尘卷风，在平原游走；Spirit 曾在 Gusev 陨石坑拍到许多。
• Olympus Mons直径约 600 km，高约 22 km。模型虚构基地位于峰顶以西 330 km，将盾状火山画成无边缘陡崖的简单圆锥。在 330 km 距离上，地表因曲率下降 d² / 2R = 330² / (2 × 3,389.5) = 16 km，因此山顶只应高出地平线约 1°。约 120 km 外较近的山坡升得更高，约为 2°，遮住顶峰。你只能看到东方地平线上的低矮长脊，看不到山顶。

Phobos、Deimos 与昏星

火星有两颗小卫星。Phobos 尺寸为 27 × 22 × 18 km，轨道距地表仅约 6,000 km，公转一周需 7 小时 39 分钟，比火星自转快。因此它从西方升起、东方落下，约四小时横越天空，每火星日两次。地面所见视直径约为地球所见月球的三分之一。Deimos 直径约 12 km，远得多，看起来像亮星。移动时间滑块，可观看两者横越天空。

从火星看，地球是内侧行星，就像地球上的人看金星。它与太阳的角距始终不超过约 47°，因此呈现为蓝色昏星或晨星。模型根据地火距离定位：相距 1.72 亿 km 时，与太阳相隔约 41°，日落后数小时内都能看见。开启今日距离，可使用 NASA JPL 近似轨道根数算出的当前实际位置。Curiosity 于 2014 年 1 月 31 日从 Gale 陨石坑拍到了地球和月球。

模型与真实基地有何不同

• 基地布局和所有尺寸均为模型虚构。NASA 有研究，但尚无最终设计。
• 设施靠得较近，方便步行。真实方案将着陆场和反应堆设在距居住舱数百米至一千米处。
• 居住舱剖面采用 NASA 列出的 CHAPEA 房间清单，不是其平面图。
• 地点纬度（22° N）、位于 Olympus Mons 以西 330 km 的位置，以及周围地形均为虚构。
• 太阳能输出采用 25% 板效率和简化尘埃模型；真实输出还取决于板倾角、温度和玻璃落尘。
• 气温按 Viking 1 极值之间的平滑曲线变化；真实气温受季节、地点和尘埃影响。
• 航天器模型为全尺寸但简化了细节，并集中陈列，而实物散布在整颗行星上。
• 跳跃未计入航天服质量。