想去火星？這幾道難題先解一下

近日，埃隆·馬斯克表示，要發射1000艘飛船，運送10萬人到火星。由於火星是除地球外太陽系內唯一可能適合生命存在的行星，一些國家提出過不少載人火星探測方案，做了很多技術儲備。而且，今年先後有3個探測器登陸火星，再次掀起“火星熱”。那麼未來人類會怎樣登陸火星呢？

面臨多重技術考驗

載人火星探測任務的過程非常複雜，大致可以分為地球表面發射、地球軌道組裝、地火轉移、火星着陸與上升、火星軌道交會對接、返回地球等階段，每個階段都面臨着重大技術挑戰。

地球與火星距離遙遠

火星距離地球非常遙遠，每26個月會出現火星、地球交會窗口，兩者最近距離也有5500萬公里，最遠可達4億公里。載人飛船去往火星，單程至少6個月，再考慮從火星返回的發射窗口，航天員可能需要在火星表面工作近500天，那麼單次載人火星探測任務可能長達900天。在近3年漫長太空旅途中，航天員幾乎無法獲得第二次物資補給，所以載人火星探測任務需要攜帶大量物資和能源。

考慮到航天員需要在火星表面長時間工作生活，以及從火星表面起飛的上升返回裝置，人類需要向火星表面運送至少40噸物資，再加上地火轉移飛行器、航天員在火星表面使用的居住生活艙、載人飛船等運載器，預計需要把近1000噸任務質量發射入軌。

如此巨大的發射質量遠超當前火箭的運載能力，這就需要將各個模塊分批次發射至地球軌道，在地球軌道進行集結、組裝，再飛往火星。這涉及到載人火星探測總體方案設計、軌道優化、低温推進劑貯存與管理以及在軌組裝等技術難題。

人類乘坐飛船登陸火星想象圖

火星探測飛行旅途漫長，航天員長時間生活在輻射和微重力環境中，需要研究食物營養保持及長時間存儲技術、輻射防護技術與裝備、醫療診斷與治療設備，還要鼓勵航天員在狹窄環境內開展活動，緩解生理和心理壓力，提供周全的健康保障措施。

此外，遙遠距離帶來通信困難，火星與地球雙向通信會延遲6~44分鐘，需要建立新的通信網絡鏈路來維持可靠通信。

地球與火星之間的通信有延時

在進入火星軌道和着陸過程中，由於火星存在微薄大氣，着陸器高超聲速飛行時會產生大量氣動加熱，需要應用熱防護技術。同時，由於火星大氣稀薄，降落時減速傘效果不明顯，需要應用革新技術的反推力器進行減速。此外，受較長時延影響，地球的工作人員難以對降落火星過程提供相關支持，這也對載人火星探測的自主性、可靠性與安全性提出更高要求，必須發展更先進的制導控制技術。

載人火星探測體系構成

為完成載人火星探測任務，未來的探測體系將包括無人探測系統、空間運輸系統、火星表面應用系統和測控系統。

無人探測系統主要包括火星軌道器、任務前期投放到火星的無人漫遊車和無線電信標等設備，用於對航天員探測的火星環境進行考察，選擇航天員着陸點，開展技術驗證和無線電導航等。

空間運輸系統包括針對載人火星探測不同任務階段應用的各類運載器，包括運載火箭、地火轉移級、火星着陸與上升器、火星地面設施等。

其中，運載火箭將所有任務載荷和航天員送入地球軌道，地火轉移級負責地球軌道與火星軌道之間的轉移，把航天員及物資送入火星空間。

載人飛船登陸火星不容易

着陸與上升器主要負責火星軌道與火星表面之間的人員和物資往返運輸，一般由兩級飛行器構成，推進劑可在到達火星表面後利用火星資源與攜帶的部分資源進行生產。

為了保障在火星表面與軌道之間執行運輸任務，還需要在火星表面建設一些基礎設施，包括原位資源利用設備、能源系統、着陸制導系統、發射場。其中，原位資源利用設備可利用火星本身資源生產能源、推進劑等。

火星表面應用系統包括居住艙、科學實驗艙、環控生保系統、火星漫遊車、艙外活動系統和電力系統等。其中，環控生保系統用於保障航天員的生存條件，火星漫遊車幫助航天員在火星表面快速移動和探測。

測控系統包括地面測控系統和天基測控系統，前者包括地面的各種測控網絡，後者包括中繼衞星、導航及通信衞星等。測控系統能夠保證火星表面設備與地球科研人員的通信，傳輸實驗數據，讓地球科研人員介入火星表面設備問題處置等。

航天員地火往返過程

一直以來，美國、俄羅斯等都在積極研究載人火星探測任務的可行性，並提出若干方案設想，總結起來，其過程大致可分為幾個階段。

第一階段是物資轉運。運載火箭將擺渡級、載貨轉移級組件、火星着陸與上升器、火星表面設施等有效載荷分批次送入近地軌道，在軌組裝成載貨轉移級。擺渡級將載貨轉移級轉運到高地球軌道後，返回近地軌道。再由運載火箭發射加註飛行器，對擺渡級進行在軌加註，等待下次擺渡任務。

載人飛船前往火星想象圖

載貨轉移級通過地火轉移軌道，經過漫長旅途，進入環火軌道，等待載人飛船和航天員，同時，釋放火星表面設施，着陸火星表面，進行推進劑製備等工作。

第二階段，由運載火箭將載人轉移級組件和深空居住艙等有效載荷分批次運送至近地軌道，在軌組裝載人轉移級，並由擺渡級將其轉移至高地球軌道。

一旦火星表面設施和在高地球軌道等待的載人轉移級運行良好，並等到合適的發射窗口，運載火箭就將載人飛船發射進入預定軌道，與載人轉移級對接，再由載人轉移級將航天員送入地火轉移軌道。

第三階段，載人轉移級進入環火軌道，載人飛船跟之前進入環火軌道的火星着陸與上升器對接，航天員進入火星着陸與上升器，着陸火星表面，開展作業和科學探測活動。

載人飛船從火星上起飛想象圖

第四階段，航天員完成火星表面任務後，向火星着陸與上升器加註推進劑，乘坐上升器，返回環火軌道，並與等待在環火軌道上的載人轉移級完成對接。

最後，載人轉移級進入火地轉移軌道，返回地球空間。

需要指出的是，目前基於常規推進系統的載人火星探測任務，其部分技術已得到驗證，在充足預算支持下，人類可以逐步實現登陸火星表面，但是，漫長的任務時間造成探測系統規模龐大，對人類現有工程技術水平以及航天員心理、生理都造成巨大壓力。如果想把載人探火任務時間縮短到可以接受的程度，還需要航天工程取得諸多革命性進步，尤其是核熱推進系統。

人類建造的火星基地想象圖

相信，隨着航天技術能力不斷提升，人類終將登陸火星，成為跨星球物種，獲得更廣闊的發展空間。