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去火星之后人还能活着回来吗?首先要解决这五个问题

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作者 | 辰辰

出品 | 网易科技《知否》栏目组(公众号:tech_163) 


图示:SpaceX登陆火星想象图

目前参与人类登陆火星任务的两大主要机构是美国国家航空航天局(NASA)和太空探索技术公司(SpaceX),这两家机构在国际空间站项目上合作密切,但在如何登陆火星的问题上存在分歧。

但是,在人类踏上前往火星的旅程之前,必须克服重重阻碍。

载荷至关重要

登陆火星最大的挑战是整个旅程所需有效载荷的质量,其中包括航天器、人员、燃料、补给等多个方面。

就目前而言,向太空发射载荷就像发射金子一样开支巨大。而且有效载荷质量通常只是运载火箭总质量的一小部分。例如,将阿波罗11号任务发射到月球的土星5号火箭重达3000吨。

但其只能向近地轨道发射140吨有效载荷,占初始发射质量的5%;只能将50吨有效载荷带到月球发射,不到初始发射质量的2%。

载荷质量限制了登陆火星载人航天器的大小及其在太空中的活动,因为每次活动势必点燃火箭发动机并消耗燃料,而这些燃料目前必须要由航天器自行携带进入太空。


图示:SpaceX用于将人类送往火星的星际飞船

SpaceX的计划是让其载人飞船在太空中通过独立发射的燃料储罐进行补给。这意味着与单次发射相比,可以将更多的燃料送入轨道。

时机很重要

往返火星的另一个挑战是时机。

将无人航天器送往外行星的任务通常会以围绕太阳运行的复杂轨道为飞行轨迹。这些航天器借助行星引力获得额外动力,也就是利用所谓的“弹弓效应”抵达目的地。

这可以节省大量燃料,但会导致任务需要数年才能到达目的地。很明显,这是载人航天任务不希望做的事情。

地球和火星都有近乎圆形的公转轨道,目前使用“霍曼转”是在两颗行星之间旅行最节省燃料的方式。前往火星的航天器先在地球轨道上瞬间加速后,进入一个椭圆形的转移轨道;随后由椭圆轨道的近拱点开始飞行,抵达远拱点后再瞬间加速,进入火星轨道。而整个过程中只需两次引擎推进,相对节省燃料。

航天器在地球和火星之间进行霍曼转移大约需要259天(8~9个月)。由于地球和火星围绕太阳运行的轨道不同,大约每两年才可能遇到一次窗口期。

当然,航天器也可以在更短的时间内到达火星,例如SpaceX声称仅需6个月的时间。但是这样做势必会消耗更多的燃料。

安全着陆

假设宇宙飞船和宇航员顺利到达火星轨道,下一个挑战就是着陆。

进入地球轨道的航天器能够利用与大气相互作用所产生的阻力来减速。这使得飞船只要能承受住与空气摩擦所产生的高温,就可以在地球表面安全着陆。

但是火星上的大气比地球大气层稀薄大约100倍。这意味着阻力更小,所以需要各种干预才能安全着陆。

诸如NASA的探路者号火星探测任务利用安全气囊着陆,而凤凰号任务则使用了反向推进器。但后者需要更多的燃料。

在火星上生存

以地球上的时间计算,火星上的一天是24小时37分钟。

火星上稀薄的大气层意味着其不能像地球那样保存热量,所以火星昼夜循环周期中温度非常极端。

火星的最高温度是30摄氏度,但最低温度是零下140摄氏度,平均温度是零下63摄氏度。相比之下,地球南极冬季的平均温度约为零下49摄氏度。

所以我们有必要选择在火星上生活的地方以及如何在夜间控制温度。

火星上重力仅为地球的38%,空气主要是二氧化碳加上百分之几的氮气,所以人类在火星上完全不能呼吸。为了在火星上生活,人类需要打造一个气候可控的地方。

SpaceX计划专门发射几次货运飞船,将温室、太阳能电池板等在内的关键基础设施送往火星。让人类返回地球的燃料生产设施也会送往火星。

同时,为了观察首批火星登陆者将如何适应,人类在地球上已经进行了几次在火星上生活的模拟试验。

返回地球

最后的挑战是如何让人们安全返回地球。

阿波罗11号返回舱以大约4万公里/小时的速度进入地球大气层,这个速度略低于脱离地球轨道所需的速度。

从火星返回地球的航天器速度将从47000公里/小时到54000公里/小时不等,这取决于它们所抵达的地球轨道具体位置。

在进入大气层之前,航天器可以在绕地球运行的近地轨道上减速至每小时28800公里。但是这也需要额外的燃料。

而地球大气层也将让航天器继续减速,但需要确保宇航员的生命不会因为重力过载或飞船过热而受到威胁。

当然,这些只是登陆火星任务面临的一些挑战,实现这一目标的所有技术基础都已经存在。人类只需要花时间和金钱把所有资源整合起来。(辰辰)

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