  目前進軍火星的兩股核心力量是NASA與SpaceX,，但雙方雖然在國際空間站任務中密切合作,，卻對載人火星任務有著截然不同的思路。 尺寸很重要 最大的挑戰(zhàn)（或者說限制）在于確定火星旅行所需要的有效載荷,，即航天器本體,、人員、燃料與補給的總質量,。 我們向太空發(fā)射的一切物體,，在本質上是將所對應的質量送入空間軌道。但有效載荷質量只占運載火箭總質量中的一小部分,。 例如,，將阿波羅11號發(fā)射到月球上的土星五號火箭總重量達3000噸。 但它能夠送入近地軌道的質量則僅有140噸（相當于初始發(fā)射質量的5%）,，實際被發(fā)射至月面上的質量進一步縮減為可憐的50噸（不足初始發(fā)射質量的2%）,。 質量直接限制了火星飛船的尺寸以及在太空中所能完成的動作。每一次制動操作都需要啟動火箭發(fā)動機并消耗燃料,，而燃料本身也要占用掉大量寶貴的航天器載荷,。 SpaceX的計劃是讓載人星際飛船通過獨立發(fā)射的“油輪”完成空中加油，這意味著我們可以一次性將更多燃料送入軌道,，不再受限于火箭單次所能運載的燃料質量,。 時間很重要 與燃料問題同等重要的另一大挑戰(zhàn)，則是時間,。 非載人航天器在前往其他星球之前,，往往會繞著太陽以復雜的軌跡運行，這是為了借助所謂“引力彈弓”效應經由各星體的引力積累動能,，最終獲得最經濟的太空航行效率,。 這確實能省下大量燃料，但往往需要數年時間才能抵達目的地,。對載人航天器來說,，這種老辦法顯然不那么靠譜。 地球與火星都擁有近圓形軌道,，而在兩顆行星之間最節(jié)約燃料的旅行方式就是霍曼轉移,。簡單來講，航天器只需要進行一次引擎推進,，就能從當前行星軌道轉移至另一行星的軌道當中,。 但地霍曼轉移的方式由地球抵達火星，共需要259天（相當于8到9個月）,；而且由于地球與火星圍繞太陽的公轉軌道不同,，每兩年才會出現一次最佳變軌時機,。 航天器當然可以縮短抵達火星的航程（SpaceX號稱六個月就能抵達），但大家肯定想得到,，這樣就得消耗更多燃料,。 安全著陸 假如我們的航天器和機組人員順利抵達火星，接下來還有著陸這個大麻煩擺在面前,。 進入地球時,，航天器會利用與大氣層相互摩擦所產生的阻力完成減速，確保本體能夠安全地降落在地球表面（前提是材料能夠承受摩擦產生的高溫）,。 但火星上的大氣密度只相當于地球大氣的百分之一,，這意味著摩擦產生的阻力也小得多，航天器也必然會以更大的速度朝著火星表面下墜,。 此前的非載人航天器曾經采用過安全氣囊方案（例如NASA的探路者計劃）,，也有項目采用反向推進器（NASA的鳳凰計劃），但后一種還是會消耗掉更多燃料,。 火星上的生命維持 火星上的一天有24小時37分,，但這也是火星上唯一與地球相似的環(huán)境屬性了。 由于大氣極度稀薄,，火星大氣層無法像地球那樣維持住熱量,，因此生命必須想辦法適應火星表面晝夜循環(huán)之間的極端溫度變化。 火星上的最高溫度為30℃,，聽起來頗為宜人,；但這里的最低溫度為-140℃，平均溫度則為-63℃,。作為參考，地球上南極冬季的平均氣溫約為-49℃,。 所以我們必須慎重選擇火星上的具體著陸點,，并考慮該如何適應如此夸張的夜間低溫。 火星上的重力相當于地球的38%（所以您會感覺行動更輕松）,，但空氣的主要組成為二氧化碳加少量（百分之幾）氮氣,，人類完全沒辦法直接呼吸。我們需要建造一套氣候控制系統(tǒng)才能獲得穩(wěn)定的生存環(huán)境,。 SpaceX計劃分多次發(fā)射貨運航天器,，將溫室、太陽能電池板等關鍵基礎設施分批送上火星,。有了這些裝置,，隨后抵達的人類就能在火星表面生產能源、為返回地球積累寶貴的燃料,。 在火星上維持生命活動完全可行,，而且我們已經在地球上進行過多輪模擬試驗,，探索人類該如何適應這顆紅色星球的現實條件。 重返地球 最后的挑戰(zhàn)自然是啟動航程,，將人們安全送回地球,。 阿波羅11號當初是以約每小時4萬公里的速度沖入地球大氣層——略微低于脫離地球軌道所需要的速度。 而從火星返回的航天器將擁有47000公里到54000公里不等的載入速度,，具體取決于其通過哪條軌道抵達地球上空,。 在進入地球大氣層之前，航天器會通過減速以每小時28800公里左右的速度進入環(huán)地軌道,，這一階段的減速同樣需要以消耗燃料的方式完成,。 只要以上各個環(huán)節(jié)順利完成，接下來地球大氣會接手完成后續(xù)減速,。這事我們很有經驗,，只要航天器外殼不要過熱、下落速度不要太多,，親愛的宇航員們就能安全回歸地球家園,。 這就是我們在征服火星時面臨的幾大核心挑戰(zhàn)。好消息是,，達成這項目標的所有底層技術都已存在,；壞消息是，我們還得投入大量時間與金錢才能把這些技術要素整合起來,。 |
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