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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(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，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(jìn)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(jìn)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(dá)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(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(dá)遠(yuǎn)拱點后再瞬間加速，進(jìn)入火星軌道。而整個過程中只需兩次引擎推進(jìn)，相對節(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(dāng)然，航天器也可以在更短的時間內(nèi)到達(dá)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(dá)火星軌道，下一個挑戰(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(jìn)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。