目前參與人類登陸火星任務(wù)的兩大主要機(jī)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(jī)構(gòu)在國際空間站項(xiàng)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(gè)旅程所需有效載荷的質(zhì)量，其中包括航天器、人員、燃料、補(bǔ)給等多個(gè)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(yùn)載火箭總質(zhì)量的一小部分。例如，將阿波羅 11 號(hào)任務(wù)發(fā)射到月球的土星 5 號(hào)火箭重達(dá) 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(dòng)，因?yàn)槊看位顒?dòng)勢(shì)必點(diǎn)燃火箭發(fā)動(dòng)機(jī)并消耗燃料，而這些燃料目前必須要由航天器自行攜帶進(jìn)入太空。
圖示：SpaceX 用于將人類送往火星的星際飛船
SpaceX 的計(jì)劃是讓其載人飛船在太空中通過獨(dú)立發(fā)射的燃料儲(chǔ)罐進(jìn)行補(bǔ)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(shí)機(jī)很重要
往返火星的另一個(gè)挑戰(zhàn)是時(shí)機(jī)。
將無人航天器送往外行星的任務(wù)通常會(huì)以圍繞太陽運(yùn)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(dòng)力，也就是利用所謂的 “彈弓效應(yīng)”抵達(dá)目的地。
這可以節(jié)省大量燃料，但會(huì)導(dǎo)致任務(wù)需要數(shù)年才能到達(dá)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)移”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(jìn)入一個(gè)橢圓形的轉(zhuǎn)移軌道；隨后由橢圓軌道的近拱點(diǎn)開始飛行，抵達(dá)遠(yuǎn)拱點(diǎn)后再瞬間加速，進(jìn)入火星軌道。而整個(gè)過程中只需兩次引擎推進(jìn)，相對(duì)節(jié)省燃料。
航天器在地球和火星之間進(jìn)行霍曼轉(zhuǎn)移大約需要 259 天 (8~9 個(gè)月)。由于地球和火星圍繞太陽運(yùn)行的軌道不同，大約每兩年才可能遇到一次窗口期。
當(dāng)然，航天器也可以在更短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)火星，例如 SpaceX 聲稱僅需 6 個(gè)月的時(shí)間。但是這樣做勢(shì)必會(huì)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(dá)火星軌道，下一個(gè)挑戰(zhàn)就是著陸。
進(jìn)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(hào)火星探測(cè)任務(wù)利用安全氣囊著陸，而鳳凰號(hào)任務(wù)則使用了反向推進(jìn)器。但后者需要更多的燃料。
在火星上生存
以地球上的時(shí)間計(jì)算，火星上的一天是 24 小時(shí) 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?dú)?，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(gè)氣候可控的地方。
SpaceX 計(jì)劃專門發(fā)射幾次貨運(yùn)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(huì)送往火星。
同時(shí)，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(jìn)行了幾次在火星上生活的模擬試驗(yàn)。
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(hào)返回艙以大約 4 萬公里 / 小時(shí)的速度進(jìn)入地球大氣層，這個(gè)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(shí)到 54000 公里 / 小時(shí)不等，這取決于它們所抵達(dá)的地球軌道具體位置。
在進(jìn)入大氣層之前，航天器可以在繞地球運(yùn)行的近地軌道上減速至每小時(shí) 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(huì)因?yàn)橹亓^載或飛船過熱而受到威脅。
當(dāng)然，這些只是登陸火星任務(wù)面臨的一些挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的所有技術(shù)基礎(chǔ)都已經(jīng)存在。人類只需要花時(shí)間和金錢把所有資源整合起來。
廣告聲明：文內(nèi)含有的對(duì)外跳轉(zhuǎn)鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時(shí)間，結(jié)果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。