人类去火星，再安全返回的5个关键要素

目前进军火星的两股核心力量是NASA与SpaceX，但双方虽然在国际空间站任务中密切合作，却对载人火星任务有着截然不同的思路。

尺寸很重要

最大的挑战（或者说限制）在于确定火星旅行所需要的有效载荷，即航天器本体、人员、燃料与补给的总质量。

我们向太空发射的一切物体，在本质上是将所对应的质量送入空间轨道。但有效载荷质量只占运载火箭总质量中的一小部分。

例如，将阿波罗11号发射到月球上的土星五号火箭总重量达3000吨。

但它能够送入近地轨道的质量则仅有140吨（相当于初始发射质量的5%），实际被发射至月面上的质量进一步缩减为可怜的50吨（不足初始发射质量的2%）。

质量直接限制了火星飞船的尺寸以及在太空中所能完成的动作。每一次制动操作都需要启动火箭发动机并消耗燃料，而燃料本身也要占用掉大量宝贵的航天器载荷。

SpaceX的计划是让载人星际飞船通过独立发射的“油轮”完成空中加油，这意味着我们可以一次性将更多燃料送入轨道，不再受限于火箭单次所能运载的燃料质量。

时间很重要

与燃料问题同等重要的另一大挑战，则是时间。

非载人航天器在前往其他星球之前，往往会绕着太阳以复杂的轨迹运行，这是为了借助所谓“引力弹弓”效应经由各星体的引力积累动能，最终获得最经济的太空航行效率。

这确实能省下大量燃料，但往往需要数年时间才能抵达目的地。对载人航天器来说，这种老办法显然不那么靠谱。

地球与火星都拥有近圆形轨道，而在两颗行星之间最节约燃料的旅行方式就是霍曼转移。简单来讲，航天器只需要进行一次引擎推进，就能从当前行星轨道转移至另一行星的轨道当中。

但地霍曼转移的方式由地球抵达火星，共需要259天（相当于8到9个月）；而且由于地球与火星围绕太阳的公转轨道不同，每两年才会出现一次最佳变轨时机。

航天器当然可以缩短抵达火星的航程（SpaceX号称六个月就能抵达），但大家肯定想得到，这样就得消耗更多燃料。

安全着陆

假如我们的航天器和机组人员顺利抵达火星，接下来还有着陆这个大麻烦摆在面前。

进入地球时，航天器会利用与大气层相互摩擦所产生的阻力完成减速，确保本体能够安全地降落在地球表面（前提是材料能够承受摩擦产生的高温）。

但火星上的大气密度只相当于地球大气的百分之一，这意味着摩擦产生的阻力也小得多，航天器也必然会以更大的速度朝着火星表面下坠。

此前的非载人航天器曾经采用过安全气囊方案（例如NASA的探路者计划），也有项目采用反向推进器（NASA的凤凰计划），但后一种还是会消耗掉更多燃料。

火星上的生命维持

火星上的一天有24小时37分，但这也是火星上唯一与地球相似的环境属性了。

由于大气极度稀薄，火星大气层无法像地球那样维持住热量，因此生命必须想办法适应火星表面昼夜循环之间的极端温度变化。

火星上的最高温度为30℃，听起来颇为宜人；但这里的最低温度为-140℃，平均温度则为-63℃。作为参考，地球上南极冬季的平均气温约为-49℃。

所以我们必须慎重选择火星上的具体着陆点，并考虑该如何适应如此夸张的夜间低温。

火星上的重力相当于地球的38%（所以您会感觉行动更轻松），但空气的主要组成为二氧化碳加少量（百分之几）氮气，人类完全没办法直接呼吸。我们需要建造一套气候控制系统才能获得稳定的生存环境。

SpaceX计划分多次发射货运航天器，将温室、太阳能电池板等关键基础设施分批送上火星。有了这些装置，随后抵达的人类就能在火星表面生产能源、为返回地球积累宝贵的燃料。

在火星上维持生命活动完全可行，而且我们已经在地球上进行过多轮模拟试验，探索人类该如何适应这颗红色星球的现实条件。

重返地球

最后的挑战自然是启动航程，将人们安全送回地球。

阿波罗11号当初是以约每小时4万公里的速度冲入地球大气层——略微低于脱离地球轨道所需要的速度。

而从火星返回的航天器将拥有47000公里到54000公里不等的载入速度，具体取决于其通过哪条轨道抵达地球上空。

在进入地球大气层之前，航天器会通过减速以每小时28800公里左右的速度进入环地轨道，这一阶段的减速同样需要以消耗燃料的方式完成。

只要以上各个环节顺利完成，接下来地球大气会接手完成后续减速。这事我们很有经验，只要航天器外壳不要过热、下落速度不要太多，亲爱的宇航员们就能安全回归地球家园。

这就是我们在征服火星时面临的几大核心挑战。好消息是，达成这项目标的所有底层技术都已存在；坏消息是，我们还得投入大量时间与金钱才能把这些技术要素整合起来。