人類去火星，再安全返回的5個關鍵要素

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（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（相當于初始發射質量的5%），實際被發射至月面上的質量進一步縮減為可憐的50噸（不足初始發射質量的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，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才能獲得穩定的生存環境。

SpaceX計劃分多次發射貨運航天器，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。

只要以上各個環節順利完成，接下來地球大氣會接手完成后續減速。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。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。