前往火星的旅程需克服哪些阻礙？載荷至關(guān)重要

目前參與人類登陸火星任務(wù)的兩大主要機構(gòu)是美國國家航空航天局(NASA)和太空探索技術(shù)公司(SpaceX)，這兩家機構(gòu)在國際空間站項目上合作密切，但在如何登陸火星的問題上存在分歧。

但是，在人類踏上前往火星的旅程之前，必須克服重重阻礙。

載荷至關(guān)重要

登陸火星最大的挑戰(zhàn)是整個旅程所需有效載荷的質(zhì)量，其中包括航天器、人員、燃料、補給等多個方面。

就目前而言，向太空發(fā)射載荷就像發(fā)射金子一樣開支巨大。而且有效載荷質(zhì)量通常只是運載火箭總質(zhì)量的一小部分。例如，將阿波羅11號任務(wù)發(fā)射到月球的土星5號火箭重達3000噸。

但其只能向近地軌道發(fā)射140噸有效載荷，占初始發(fā)射質(zhì)量的5%;只能將50噸有效載荷帶到月球發(fā)射，不到初始發(fā)射質(zhì)量的2%。

載荷質(zhì)量限制了登陸火星載人航天器的大小及其在太空中的活動，因為每次活動勢必點燃火箭發(fā)動機并消耗燃料，而這些燃料目前必須要由航天器自行攜帶進入太空。

SpaceX的計劃是讓其載人飛船在太空中通過獨立發(fā)射的燃料儲罐進行補給。這意味著與單次發(fā)射相比，可以將更多的燃料送入軌道。

時機很重要

往返火星的另一個挑戰(zhàn)是時機。

將無人航天器送往外行星的任務(wù)通常會以圍繞太陽運行的復(fù)雜軌道為飛行軌跡。這些航天器借助行星引力獲得額外動力，也就是利用所謂的“彈弓效應(yīng)”抵達目的地。

這可以節(jié)省大量燃料，但會導(dǎo)致任務(wù)需要數(shù)年才能到達目的地。很明顯，這是載人航天任務(wù)不希望做的事情。

地球和火星都有近乎圓形的公轉(zhuǎn)軌道，目前使用“霍曼轉(zhuǎn)”是在兩顆行星之間旅行最節(jié)省燃料的方式。前往火星的航天器先在地球軌道上瞬間加速后，進入一個橢圓形的轉(zhuǎn)移軌道;隨后由橢圓軌道的近拱點開始飛行，抵達遠拱點后再瞬間加速，進入火星軌道。而整個過程中只需兩次引擎推進，相對節(jié)省燃料。

航天器在地球和火星之間進行霍曼轉(zhuǎn)移大約需要259天(8~9個月)。由于地球和火星圍繞太陽運行的軌道不同，大約每兩年才可能遇到一次窗口期。

當然，航天器也可以在更短的時間內(nèi)到達火星，例如SpaceX聲稱僅需6個月的時間。但是這樣做勢必會消耗更多的燃料。

安全著陸

假設(shè)宇宙飛船和宇航員順利到達火星軌道，下一個挑戰(zhàn)就是著陸。

進入地球軌道的航天器能夠利用與大氣相互作用所產(chǎn)生的阻力來減速。這使得飛船只要能承受住與空氣摩擦所產(chǎn)生的高溫，就可以在地球表面安全著陸。

但是火星上的大氣比地球大氣層稀薄大約100倍。這意味著阻力更小，所以需要各種干預(yù)才能安全著陸。

諸如NASA的探路者號火星探測任務(wù)利用安全氣囊著陸，而鳳凰號任務(wù)則使用了反向推進器。但后者需要更多的燃料。

在火星上生存

以地球上的時間計算，火星上的一天是24小時37分鐘。

火星上稀薄的大氣層意味著其不能像地球那樣保存熱量，所以火星晝夜循環(huán)周期中溫度非常極端。

火星的最高溫度是30攝氏度，但最低溫度是零下140攝氏度，平均溫度是零下63攝氏度。相比之下，地球南極冬季的平均溫度約為零下49攝氏度。

所以我們有必要選擇在火星上生活的地方以及如何在夜間控制溫度。

火星上重力僅為地球的38%，空氣主要是二氧化碳加上百分之幾的氮氣，所以人類在火星上完全不能呼吸。為了在火星上生活，人類需要打造一個氣候可控的地方。

SpaceX計劃專門發(fā)射幾次貨運飛船，將溫室、太陽能電池板等在內(nèi)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施送往火星。讓人類返回地球的燃料生產(chǎn)設(shè)施也會送往火星。

同時，為了觀察首批火星登陸者將如何適應(yīng)，人類在地球上已經(jīng)進行了幾次在火星上生活的模擬試驗。

返回地球

最后的挑戰(zhàn)是如何讓人們安全返回地球。

阿波羅11號返回艙以大約4萬公里/小時的速度進入地球大氣層，這個速度略低于脫離地球軌道所需的速度。

從火星返回地球的航天器速度將從47000公里/小時到54000公里/小時不等，這取決于它們所抵達的地球軌道具體位置。

在進入大氣層之前，航天器可以在繞地球運行的近地軌道上減速至每小時28800公里。但是這也需要額外的燃料。

而地球大氣層也將讓航天器繼續(xù)減速，但需要確保宇航員的生命不會因為重力過載或飛船過熱而受到威脅。

當然，這些只是登陸火星任務(wù)面臨的一些挑戰(zhàn)，實現(xiàn)這一目標的所有技術(shù)基礎(chǔ)都已經(jīng)存在。人類只需要花時間和金錢把所有資源整合起來。