电影《火星救援》科学性探究
内容摘要：《火影救援》是近年来质量较高的科幻电影之一，讲述了因为意外被独自留在火星上的主角努力自救并最终回归地球的故事。从科学的角度上看，制片方还是很认真的，首先在营造火星上的环境就下了大功夫，以往我们都没有机会真正了解到火星的样子，但本片真正给了大家这么一个机会。而且从科学性来说，本片的科学逻辑十分严密，没有填不了的巨坑，而且全片没有什么比较狗血的情节，所有的行为都是以理智为原则，唯一一点遗憾就是在表现中国航天局高伟光的形象的处理上有点生硬，让人觉得并不是要吹捧而是要黑化，还有一点就是主角种土豆的舱室突然爆炸导致土豆都死了这里情节出现的太突然，不太科学，让人觉得是刻意为之。但总体上来说本片还是妥妥的硬科幻电影，科学逻辑严密值得一观。
正文：
火星上的风暴
大风暴是不可能在火星上出现的。火星上的气压很低，不到地球的百分之一。换句话说，即使是火星上的风速达到了160公里每小时，其实风力也就相当于地球上16公里每小时的风力，这点风也就能放个风筝。所以，其实电影中所描写的大风暴不可能出现。虽然原作作者安迪·威尔自己也知道这一点，但是他也有他作为故事的“造物主”的权利：“我需要一个让航天员离开火星的方法，所以我在这里稍微杜撰了一下。而且，难道你不觉得突如其来的大风暴感觉很酷吗？”
火星上的行走方式：
本片所有小伙伴在火星上走路的样子和地球上无疑，可是我们都是到火星也是失重状态呀！火星上的重力马特·达蒙在火星上保持着地球般的移动方式是不科学的，因为在现实中的火星的重力只有地球的三分之一。NASA也曾做过设想，结论是在火星上行走的最有效的方法就是用跳的方式进行大步移动，或是拖着脚进行小步移动。剧中的宇航服参考了2030年之后真实任务使用的太空服为原型，每套至少重达40磅。但是因为重力的原因其实只有三分之一的重量，所以行动起来应该会更轻盈一些才对。
如何在风暴中活下来
沃特尼为什么能在风暴中活下来？虽然，他的宇航服被刺穿，但伤口中渗出的血液及时凝结堵住了创口——且慢，仅仅靠着血液凝结就可以隔开宇航服内外的压力差吗？
火星大气的密度很低，“海平面”气压大约只有地球的0.6%，而宇航服内的气压呢？目前，看似厚重的舱外宇航服并不能在其内部维持1个大气压的环境，而是只有32.4千帕，也就是约0.3个大气压：这倒是让封堵创口的血块压力小了很多。
在相当于珠峰顶端的气压下，宇航员依然可以呼吸自如，原因在于呼吸的几乎是纯氧——虽然气体稀薄，但氧气的密度并不比空气中低。在这32.4千帕的气压里，氧气贡献了20.7千帕，这就是所谓氧气的“分压”，通常用来衡量各种呼吸气体中氧气的有效浓度。
这样看来，我们的主角并不会因为“漏气”而死，这的确是符合逻辑的。不过假如他没有及时苏醒，在氧气耗尽之前，也可能因为氧气中毒而彻底失去知觉——这话听起来怎么自相矛盾？原来，宇航服呼吸系统的一个主要作用就是去除呼出的二氧化碳，Mark 晕倒这么久，吸收二氧化碳的化学制剂早已饱和，为了防止二氧化碳中毒，宇航服开始主动排气，并用备用的氮气填充进来保持气压。当氮气也不够用的时候，只好加入过量的氧气。如果氧分压超过45千帕，中枢神经，视网膜，肺部就很容易受损。不过，如果火星宇航服的气压和目前的舱外宇航服一致的话，Mark活下来的概率还是很大的。
营救需要四年周期
清醒之后，Mark就得考虑自己到底能不能撑到NASA来救他的那一天。从地球发射火箭到火星，最基本的思路就是找到一条连接地球和火星的椭圆轨道。航天器最常用的变轨方式——霍曼转移轨道。走这条轨道所花时间刚好就是椭圆轨道周期的一半，而轨道周期只和椭圆的半长轴有关。
因为这条轨道的半长轴介于地球和火星之间，而一火星年等于1.88地球年，所以从地球到火星至少需要大半年的时间。也许有人觉得这条轨道显然距离太长，为什么不选择短一些。
短的轨道实际上是一个大得多的椭圆轨道的一部分，为了进入这条轨道就需要大量的能量，而人类目前的火箭技术还不足以支持这样的飞行，而且，为了从这条轨道登陆火星，必须进行减速，减速所消耗的推进剂不会比发射时少多少，这都是技术达不到的。
实际上，以人类目前的航天水平，直接走霍曼转移轨道都很困难，目前的大多数载人火星计划都需要空间站进行物资中继，所以刚开始，Mark根本没去想NASA会专门发射飞船去救他，而是静静的等待四年后的下一个火星任务。
自制水资源
沃特尼在种植土豆需要大量水资源的情况下，选择用火箭燃料联氨作为反应为制水，但是就有人有疑问了，联氨N2H4，用铱作为催化剂，会不会有氨气NH3产生，而氨气对人体是有害的，我们可以这样理解：2N2H4=催化剂铱=2N2H4==2NH3↑+N2↑+H2↑，联氨分解成了1氮气、2氢气、3氨气。其中，
N2↑ 氮气进入生活舱空气中无所谓，
2H2 + O2 =点燃= 2H2O 氢气和氧气燃烧反映生成水
4NH3＋3O2＝点燃＝2N2＋6H2O 氨气和氧气也燃烧反映，生成氮气和水
最终产物只有水和氮气，并没有氨气产生。
植物农场
在《火星救援》中，沃特尼把居住舱变为一个自给的的农场，长出的土豆成为第一种火星主食。不过据相关植物学家吐槽，火星小伙伴种植土豆的先后顺序出现了严重的错误！如今，在近地轨道，生菜是太空中供给最充足的农作物。在国际空间站中，Veggie是一个有效的新鲜食物生产系统。使用红、蓝、绿光，Veggie能够使植物生长在一个类似于枕头的东西里，这是一个拥有基质和肥料以及微孔表面的小袋子，宇航员可以从这里收割食物。
核电池保温
现在大家基本上都是谈核色变，而主角把核电池挖出来，就会让人产生疑问，主角难道不会收到过量的核辐射吗？核电池（RTG，放射性同位素热电机）利用钚238放射性衰变的热量进行温差发电，钚238衰变主要放出α射线，穿透率极低，基本是一张纸就挡住了，本身外壳就有屏蔽，小马哥再缠了一层锡纸（也许是铝箔纸或者啥的），足够安全。而衰变热量是可以传导出来的。主要的危险是钚泄漏之后，是剧毒的，微粒吸入人体有危险。所以宇航员们登陆火星首先是把它掩埋起来，是怕它发生泄漏，但是主角在面临极端情况时使用它也是可以理解的。
火星车
一旦人类在火星表面着陆，他们必须在那里居住一年以上才能等到最小地火距离点并返回地球。这样宇航员就会有大量的时间在周围地区开展实验和探索工作。但是宇航员必然不能够被限制在步行距离范围之内进行考察，为了走得更远，他们必须拥有一部有力的、可靠的、灵活的火星车。在《火星救援》中，瓦特尼驾驶他的火星车进行过几次急转弯。甚至为了生存，他不得不对火星车经行了非传统的改装。在今天的地球上，NASA也正致力于让“多任务空间探索车”（MMSEV）能够面对多种环境。MMSEV已经被用于NASA的模拟任务，用来帮助解决某些机构已经想到的一些可能会发生的问题，甚至是用于寻找一些可能被隐藏的问题。
离子推进
阿瑞斯三号计划的成员所搭乘的赫密斯号，就是利用离子推进器來完成的地火转移运输。核推进比冲高，可以节省大量的携带推进剂，是当前正在研发的载人深空探索项目的关键技术之一。这个技术允许像NASA的Dawn飞船用很少的燃料去执行一些疯狂的任务。Dawn飞船已经完成了五年多的持续加速，总加速达到了惊人的25000英里/小时。这比其他飞船的推进系统都要厉害的多。它已经完成了人类对谷神星和灶神星的第一次观测。
引力弹弓
为了让观众弄懂引力弹弓的方案到底是怎么回事儿，黑人小哥还用了一个形象的比喻来说明他的救援方案。引力弹弓并不神奇，我们可以把“赫尔墨斯”号飞船想象成一个乒乓球，当它飞向一面静止的球拍时，反弹速度是相同的，但如果这个球拍向着来球方向移动，那这个球与拍相撞后反弹速度就会变快。在这里，这面移动的球拍就是绕太阳公转的地球，飞船从地球公转中窃取了少量动能，从而获得了更快的速度。跟球拍在球运动轨迹外侧施力碰撞反弹不同的是，“赫尔墨斯”号的“反弹”是受到地球引力的牵引，所以是在绕过地球时，受到来自运动轨迹内侧的力。这样的应用十分常见，我们向地球以外的天体发射飞行器时，常会应用到其他行星或天体做引力弹弓，以此来节省燃料、时间和计划成本。
在美国宇航局的阿波罗13号事故中，遇到爆炸的登月飞船正式利用这一效应，他们绕月球转一个大圈，飞到月球黑暗的另一面，等飞船再次出现时，再立即启动登月舱发动机，将飞船投掷进返回轨道。最后,飞船以每小时5400英里——两倍子弹的速度飞离月球，驶向地球的方向。并最终成功返回地球，这一情节在电影《阿波罗13号》中有反映。
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