解读《火星救援》课件.ppt

1、解读火星救援火星救援中的科学知识1 剧情简介火星救援是由二十世纪福斯电影公司出品，由雷德利斯科特执导，马特达蒙、杰西卡查斯坦、塞巴斯蒂安斯坦、阿卡塞尔亨涅联袂出演的科幻片。该片根据安迪威尔的同名小说改编，讲述了由于一场沙尘暴，马克与他的团队失联，孤身一人置身于火星面临着飞船损毁，想方设法回地球的故事。影片于2015年10月2日以3D的形式在美国上映，2015年11月25日以IMAX3D格式在中国大陆上映。2 作者介绍l 火星救援原著作者为安迪威尔，出生于加利福尼亚州。安迪是家中独子，父亲是物理学家，母亲是工程师。他从小喜欢阅读黄金时代作家的科幻作品，阿瑟克拉克和阿西莫夫都是他的偶像。15岁时候

2、，他被美国国家实验室聘为软件工程师，之后又在其他企业担任程序员，并参与开发魔兽争霸2。l 安迪首部小说是一个短篇蛋（Egg），这部小说在youtube上被多次改编成短片。l 安迪的首部长篇小说便是火星救援，他自学了大量的航天知识，小说中的每一个日期，都源自他本人的精确计算。2009年，威尔开始在自己的网站上连载。很快聚起来一批死忠读者，这些读者都是对科学细节极其挑剔的家伙，每当有科学错误都会被挑出来修改。而后的2011年，在粉丝的强烈要求下，亚马逊Kindle版上架，价格则是最低的0.99刀。结果很快爬上了科幻类作品的榜首，不到三个月卖出了35000本，比他之前网站上免费下载的次数还多。201

3、3年，小说的版权被皇冠出版社以超过十万美元的价格买走。安迪威尔（Andy Weir）3角色介绍（一）马克沃特尼演员：马特达蒙植物学家、机械工程师克里斯贝克 演员 塞巴斯蒂安斯坦飞行外科医生、舱外活动专家阿莱克斯沃格尔 演员 阿卡塞尔亨涅导航员、化学家梅丽莎刘易斯演员：杰西卡查斯坦指挥官、地质学家、军人贝斯约翰森 演员 凯特玛拉系统操作员、反应器技术员里克马丁内斯演员：迈克尔佩纳飞行员、军人4角色介绍（二）泰迪桑德斯演员：杰夫丹尼尔斯美国国家航空航天局（NASA）主管布鲁斯NG 演员：本尼迪特王喷气推进实验室主任NASA文森特卡普尔 演员：切瓦特埃加福特火星任务总指挥NASA朱涛演员：陈数中国国

4、家航天局 副首席科学家郭明 演员：高雄中国国家航天局 首席科学家安妮蒙特罗斯演员：克里斯汀韦格媒体关系部部长 NASA里奇珀内尔演员：唐纳德格洛沃轨道动力学家明迪帕克 演员：麦肯兹麦肯兹戴维斯戴维斯卫星通讯 NASA米奇亨德森 演员：肖恩宾赫尔墨斯号航行指挥员 NASA5火星救援火星救援中真实的中真实的NASA科技科技u 一直以来，火星都在人类的想象和文化中占据着中心位置。古人讶异于它的红色，以及年复一年循着周期跌宕起伏的亮度。早期的望远镜观测让一些人猜想这颗星球被运河所覆盖，而这些运河则是火星居民用于交通和贸易的通道。在世界大战一书中，作者H.G.威尔斯（H.G.Wells）设定了一个将会企

5、图征服地球的火星文明。在1938年，奥森威尔士（Orson Welles）将威尔斯的小说改编为广播剧，并惊吓到了一群以为自己正在听真实新闻的听众。u 相较而言，火星和人类之间的真实故事就没有那么浪漫，但其迷人之处并不减损分毫。望远镜的观测将天上的明亮红点变成了模糊而斑驳的碟形，使人们产生了火星上有运河存在的白日幻想。就在50年前，一架经过火星的航天器拍下了它的第一张照片，显示火星拥有模糊的大气层。现在，经过数十年的火星探索，人们发现火星曾经存在过开放水域生命存在的基本要素。u 火星救援把关于火星的想象和事实结合在了一起，将故事建立在NASA和其他组织为探索火星所做的共同努力上，并把时间推移至2

6、030年那时，NASA的宇航员会定期登上火星，并在火星表面上生活一段时间，进行探索工作。尽管小说的故事发生在20年后，NASA实际上已经拥有了电影中出现的许多技术。6居住舱（居住舱（Habitat）在火星上，沃特尼（Watney）花了大量的时间呆在居住舱里，他远离家园时的家。未来登陆火星的宇航员也将需要这样的一个家，要不然，宇航员们就得穿着太空服、躺在尘土里度过他们的火星时间。7居住舱（居住舱（Habitat）NASA的人类探索研究模拟器（HERA）是一个模拟外太空居住舱的独立空间。这个两层楼的空间由生活区、工作区、卫生舱和一个模拟气闸组成。在其中，测试对象们需要执行操作任务，完成负载目标，并

7、共同生存14天（很快将计划增加至60天），在孤立环境中模拟未来的任务。宇航员近期也在利用这一设施模拟国际空间站的任务。这些模拟提供了人为因素、行为健康以及处理应对方面的宝贵数据，有利于加深NASA对未来如何执行外太空探索任务的理解。8太空农场（太空农场（Plant Farm）火星救援中的宇航员马克沃特尼在火星上种植土豆。9太空农场（太空农场（Plant Farm）现实世界中，NASA宇航员谢尔林德格伦（Kjell Lindgren）正在国际空间站收割“素生”（Veggie）项目中种植的生菜。10太空农场（太空农场（Plant Farm）在火星救援中，沃特尼将他的居住舱变成了一个自给自足的农场，

8、而土豆则成为了火星上的第一项主要农产品。而现在，在地球的近地轨道附近，生菜是最为充足的作物。在国际空间站有一套可应用的新鲜食品生产系统：“Veggie”。使用红、蓝和绿色光，Veggie项目能使植物长在“枕头”上含有介质和肥料，表层能进行毛细作用的小袋子，并能被宇航员收获。在2014年，宇航员通过这个系统成功种植了“Outredgeous”红色长叶莴苣，并在最近第一次品尝了这种宇宙蔬菜。这是太空种植上重大的一步，同时，NASA也希望进一步扩展作物的数量和种类，以满足未来登陆火星的宇航员的营养需求。11水回收（水回收（Water RecoveryWater Recovery）u 火星表层上没有任

9、何湖泊、河水或者海洋，如果从地球上运水过去则要花上九个月以上的时间。火星上的宇航员必须创建出自己的供水系统。因为战神3号上的水回收装置，宇宙飞船上的全体成员在火星上没有浪费一滴水，而沃特尼则需要凭借自己的聪明才智，来保证自己在这颗红色的星球上不至脱水，并且生存下来。u 在国际空间站上，没有一滴汗水、眼泪甚至尿液会被浪费。环境控制和维生系统会回收并循环使用从各种地方采集来的水：尿液、洗手水、口腔清洁时使用的水等等。通过水回收系统（WRS），水被回收、过滤，并重新被投入使用。一个宇航员曾这么说过：“昨天的咖啡就是今天的咖啡。”u 在太空中，液体的确会造成一些棘手的问题。水回收系统等相关系统必须考虑

10、到，在微重力空间中液体的表现是非常不同的。比如，水回收系统处理尿液时必须使用离心机来进行蒸馏，因为在太空中，液体和气体并不会像在地球上那样分离。u NASA没有停止过研发水回收新技术的脚步。目前，有研究正在试图提升一次性多用过滤网（用于过滤无机污染物，以及不挥发的有机污染物）的性能，使之成为水回收系统中更具永久性的部件。卤水回收过程则会从尿液蒸馏的“底料”中回收每一滴水。在未来的探索任务中，宇航员对来自地球的水和零部件补给的依赖将会减少。u 这项科技也被引进给了地球上的一些偏远地区，或者遭受严重自然灾害的地区，来为他们提供清洁的饮水。12氧气生成（氧气生成（Oxygen GenerationO

11、xygen Generation）u 水，食物，庇护所：它们是在地球生存的三项基本要素。然而，还有一个第四要素往往被我们忽视，因为在地球上，这种要素总是可以免费获取那就是氧气。在火星上，沃特尼可没法跑出门外，呼吸一口新鲜空气。要想活下来，他无论去哪儿都必须随身携带自己的氧气补给。但首先，他得制造出自己的补给。在他的居住舱中，他用的是“氧合机”一种用来自火星升空载具（MAV）的燃料制造机富集的二氧化碳来制造氧气的工具。u 在国际空间站，宇航员们拥有氧气生成系统，它对空间站内的空气进行再处理，高效、可持续地为宇航员们不间断提供可呼吸的空气。这种装置通过电解过程，将水分子中的氢原子和氧原子分离。其中

12、，氧气被释放到空气中，而氢气则会被丢弃到宇宙中，或者被送入萨巴捷系统一种从空间站大气的副产品中提取水的系统。13火星宇航服（火星宇航服（Mars SpacesuitMars Spacesuit）火星表面对于人类来说可并不怎么适宜。那里大气温度非常低，也几乎没有可以呼吸的空气。在居住舱外的火星表面采集样本、维护设施时，宇航员要想活下来，宇航服是必不可少的。14火星宇航服（火星宇航服（Mars SpacesuitMars Spacesuit）在他度过的那些火星日（sol，也就是火星上的日出日落一周期）中，马克沃特尼经常穿着宇航服工作，他最后还需要在火星上长途旅行。因此他的宇航服应当是灵活、舒适而可

13、靠的。现在，NASA正在研究可用于火星探索的宇航服技术。从穿越火星地貌到采集岩石样本，设计工程师需要考虑到宇航员在火星上所需执行的一切任务。Z-2和Prototype eXploration宇航服是NASA设计的新型宇航服样本，它们运用了新技术解决了一些独特的问题，日后，这些技术将会被用于首批登上火星的宇航员们所穿的宇航服上。它们分别用于解决不同的技术缺口也就是宇航服完成火星任务所缺失的功能。宇航服设计工程师在硬复合材料和纤维间进行权衡，寻找耐用性和灵活性的平衡。15火星宇航服（火星宇航服（Mars SpacesuitMars Spacesuit）u 行走在火星中的一大挑战是火星上的尘土。在火

14、星表面行走后，火星的红色土壤如果被带入了宇宙飞船内，会对宇航员和舱内设施造成影响。为了应对这一问题，新宇航服的背后加上了宇航服接口（suitport）的设计，这样，宇航员们就可以从舱内快速跳进宇航服，将宇航服留在舱外，从而使室内保持清洁。直接从舱内跳进室外宇航服的接口设计。直接从舱内跳进室外宇航服的接口设计。16火星车（火星车（RoverRover）u 在火星救援中，沃特尼开着他的火星车跑了好几趟，他甚至还对他的火星车进行了一些不怎么正统的改装，好让自己生存下来。17火星车（火星车（RoverRover）u 今天，在地球上，NASA正在使用多任务太空探索车（MMSEV），为可能遇到的一切情况做

15、准备。MMSEV已被用于NASA的模拟任务项目，以帮助解决NASA已经知晓的问题，发掘尚未发现的问题。这项技术的用途十分广泛，可被用于支持未来探索小行星、火星、火星的卫星及其他类型的任务。目前，MMSEV已经为解决诸如行驶距离、快速进出和辐射保护等问题发挥了作用。为了保证探测器的机动性，一些版本的探测器装备了6个转向轮。这样，即使有一个爆胎，只要向上收起出了问题的轮胎，火星车依旧可以正常运作。NASA的多任务太空探索车（MMSEV）。图片来源：NASA18离子引擎（离子引擎（Ion PropulsionIon Propulsion）u 火星救援中，在往返火星的旅途中，战神3号上的宇航员们在赫尔

16、墨斯号宇宙飞船上生活了几个月的时间，使用离子引擎这种有效的推进方式，穿越了将近5亿千米的空间。离子引擎的工作方式是向氩气或者氙气通电，以大约每小时35万公里的高速释放出离子。宇宙飞船受到的力像微风一般轻柔，但通过年复一年的持续加速，飞船最终可以达到惊人的速度。离子推进还允许飞船多次改变它的轨道，然后脱离轨道，奔向另一个遥远的世界。NASANASA设计的设计的“新一代新一代”（NEXTNEXT）离子引擎。）离子引擎。19离子引擎（离子引擎（Ion PropulsionIon Propulsion）u 这项技术使NASA今天的航天器，比如曙光号探测器，得以尽可能地减少燃料的消耗，并能够完成一些疯狂

17、的轨道变换。曙光号目前已经完成了超过五年的持续加速，累计速度变化达到了每小时40000千米，超过了任何只靠自身推进系统推进的宇宙飞船。一路上，它完成了人类对矮行星灶神星以及小行星谷神星的第一次造访。NASANASA设计的设计的“新一代新一代”（NEXTNEXT）离子引擎。）离子引擎。20太阳能电池板（太阳能电池板（Solar PanelsSolar Panels）u 火星上没有加油站，没有发电厂，同时也几乎没有风能。对这颗红色星球上的载人任务来说，太阳能能帮上宇航员们的大忙。火星救援中，赫尔墨斯号宇宙飞船使用了太阳能电池阵来发电，而马克沃特尼不得不采取一些非传统的方式使用太阳能板，来维持自己的

18、生存。21太阳能电池板（太阳能电池板（Solar PanelsSolar Panels）u 在国际空间站，四套太阳能电池阵能够产生84到124千瓦的电力足够向四十户人家进行供电。空间站并不需要那么多的能量，但如果出了差错，冗余能够有助于降低风险。空间站的太阳能发电系统是非常可靠的，自首批宇航员在2000年登陆至今，空间站一直安全地向宇航员们提供着电力。国际空间站上的太阳能电池板，背景中的星球是地球。图片来源：NASA22太阳能电池板（太阳能电池板（Solar PanelsSolar Panels）u NASA的猎户座飞船一艘将会带着人们到达前所未有距离的飞船也将会使用太阳能电池阵列来执行日后的

19、任务。在阳光下时，电池阵列能收集能源，为船上的锂离子电池充电。在没有阳光的情况下比如在月球背后运行时仍然会有足够的能量供猎户座飞船运作。23放射性同位素热电发生器（放射性同位素热电发生器（RTGRTG）u 在火星救援中，宇航员们把基于钚的RTG能源埋在离他们的居住舱很远的地方，以防核泄漏发生。就像电影中所说的一样，为了避免任何可能的泄露，钚-238本身就有几层坚固而先进的材料，即使经历了严重事故也不至于泄露。RTG主要发出阿尔法射线，它只能在空中移动几厘米，也并不会穿透衣服或者人类皮肤。只有当它被分解成微粒或蒸发，并被吸入或摄入的时候才会对人类的健康产生危害。这种同位素是以陶瓷形式制造的，特别

20、地是，它不溶于液体，因此，被吸入和摄入的可能性实际上是微乎其微的。24放射性同位素热电发生器（放射性同位素热电发生器（RTGRTG）u 40多年来，NASA已经安全地使用放射性同位素热电发生器（RTGs），为包括阿波罗登月计划在内的二十多个任务提供了电力。“好奇号”火星车，以及即将升空的火星2020探测器等航天器使用的则是经过改进的新一代发电装置。u RTG是一种将钚-238的自然放射性衰变的热量转化为可靠电力的“太空电池”。“好奇号”上的RTG产生的电力不超过110瓦特仅仅略高于普通的灯泡所需的电力。u 在现实中，火星环境的自然辐射比RTG产生的辐射要大多了。从外太空落到火星上的电离辐射雨对

21、人类的健康也更加有害。目前，NASA的火星任务也正在分析火星上的辐射环境，好让任务规划者为未来的宇航员设计保护措施。u 未来的探险家需要在到达火星之前，确保有可靠持久的能源保证他们的生存。电力系统可能包括由更有效的放射性同位素发电系统、太阳能、燃料电池和核裂变组成的一系列组合。25载人航天是个危险的行当。NASA计划在21世纪30年代将人类送上火星，但在这之前，要保证宇航员们安全地返回地球，还需要实现许多里程碑式的进步。斯考特凯里（Scott Kelly），一位目前已经在国际空间站生活了一年的宇航员，完美地总结道：“太空是艰险的。对航天的每一层面来说，误差幅度都几乎接近于零。然而，在走向火星的

22、征程中，我们得以更深入地理解宇宙；我们学到和带回的所有一切，最终都将惠及全人类。”261.电影中沃特尼用什么方法造水的？27l 肼是什么？又称联氨。一种无色发烟的、具有腐蚀性和强还原性的无色油状液体。有类似于氨的刺鼻气味。极毒！能很好地混溶于水、醇等极性溶剂中，与卤素、过氧化氢等强氧化剂作用能自燃，长期暴露在空气中或短时间受高温作用会爆炸分解，具有强烈的吸水性，贮存时用氮气保护并密封。有毒，能强烈侵蚀皮肤，对眼睛、肝脏有损害作用。它是比氨弱的碱，通常由水合肼脱水制得，主要用作火箭和喷气发动机的燃料部分，用在制备盐(如硫酸盐)及有机衍生物中。l 肼的催化分解反应方程式：282.电影中沃特尼造水时，为什么会发生爆炸？29l 爆炸是怎么发生的？l 电影中的爆炸情节让人莫名其妙。l 小说中的爆炸原因更复杂、也更令人信服。l 成功造水已经几天了；l 沃特尼突然发现居住舱内空气中的氢气含量严重超标，达到64%，原因是氢气没有完全燃烧，一部分氢气漏到居住舱中；l 为了排除隐患，沃特尼想办法除去居住舱中的氧气，然后有控制的让氧气在氢气中燃烧，从而除去氢气。l 在除去氢气的过程中，产生了一次影片中的爆炸，原因是沃特尼忘了穿太空服，忽略了自己呼出的氧气跑到空气中，改变了氢气的浓度。30