科技愛好者427

為什麼去火星旅行這麼難？

與阿波羅登月計劃任務中使用的火箭相比，登錄火星的的火箭功率更大、效率更高、更可靠。如果要登錄火星，我們將需要航天器、材料和設計方面的創新，而新一代的工程師和科學家正在應對這些挑戰。到火星旅行將需要複雜的太空飛船，不僅要把人們帶到那裡，而且要在他們到達時保護他們。

圖注:1975年發射的NASA維京號太空船上的火星照片。

如今，載人航天的各個方面都已經有了實質性的發展。那麼，如果我們要登陸火星，我們會面臨怎樣的困難呢？

到火星旅行面臨的難題

前往火星的行程規模之大和複雜性將會令人難以置信。例如，在探索火星的航天發射中就有近三分之二的任務以失敗告終。並且這些都不是載人的！可想而知其中的困難。

圖注:登錄火星飛行器想象圖。

火星離地球的距離約為月球的150倍。聽起來可能不算很多，但請考慮一下這在增加燃料方面意味著什麼。更多的燃料意味著更多的重量。更大的重量意味著更大的更大的火箭。僅這些挑戰就使火星之旅的規模與登錄月球不同。

除此之外，還有另一個挑戰：時間。由於火星距離地球很遠，並且以與地球不同的速度繞太陽公轉，因此將人送入火星時必須非常精確地計算發射時間。任務計劃者必須等到最佳的“機會之窗”，才能使行星處於正確的軌道排列狀態。前往火星以及從火星返回都是如此。成功發射的窗口僅每兩年打開一次，因此時機至關重要。另外，安全到達火星還需要時間，單程旅行需要幾個月甚至一年的時間。

圖注:登錄火星後在站在火星表面的宇航員。

儘管有可能使用目前正在開發的先進推進技術將旅行時間縮短至一兩個月，但宇航員一旦到達火星的表面，就需要等到地球和火星再次正確對準後才能返回。多久才能做到？至少一年半。

除此之外，往返火星的時間很長，旅行者如何獲得足夠的氧氣、水、還有食物呢？以及它們如何防範太陽風的輻射？而且，還有微小的隕石有可能刺穿宇航員的太空服。

這些難題的解決辦法

解決這些問題的方法比較棘手。但是它們將得到解決，這將使前往火星的旅程變得可行。想要在太空中保護宇航員我們只需要用堅固的材料建造航天器，並使其免受太陽的有害射線的傷害。

食物和空氣的問題必須通過創造性的手段解決。種植同時產生食物和氧氣的植物將是一個不錯的選擇。但是，我們要時刻保護這些植物，如果這些植物枯萎了，宇航員們將會失去氧氣和食物來源。

圖注:藝術家對火星上一個食品生產單位的構想，圖片顯示了殖民者所需的植物。

宇航員可以隨身攜帶食物、水和氧氣，但是在整個旅程中足夠的補給將增加航天器的重量和尺寸。一種可能的解決方案可能是將要在火星上使用的材料用無人火箭先運送到火星上，等到人類到達那裡後再取來使用。這是一些任務計劃者正在考慮的非常可行的解決方案。

總的來說，到火星旅行固然是困難重重，但這些困難並不是不能解決的。

我是科普子期君，期待你的評論、轉發哦！

科普子期君

“挑戰者”號和“哥倫比亞”號航天飛機的災難或許是最突出的兩個提醒，提醒我們，航天器返回太空和成功返回地球的一切工作都恰到好處，這是多麼重要。

無論是用來阻止熱氣滲透的密封失效，還是破壞熱保護系統的一塊泡沫絕緣材料，科學家和工程師們都必須對飛行中可能出現的所有問題做出成千上萬的預測。

美國宇航局的人類火星任務提出了更大的挑戰，將人類安全送到更遠的距離和更危險的環境。設計一種能夠安全進入和退出火星不可預知的環境的飛行器是一個巨大的挑戰。

“每次我們飛往火星，我們都會學到更多，變得更聰明。”美國宇航局蘭利研究中心的沃爾特·恩格倫德說，“我們瞭解到的一件事是，火星大氣確實是一個很大的變數。它比我們地球的大氣層更具活力。” 對於需要進入和重返大氣層的任務，航天器的設計通常由其EDL（進入、下降和著陸）系統指導。

恩格倫德和其他幾位美國宇航局的同事在最近一本題為“人類火星任務”的書中，發表了一篇對目前提出的未來載人火星任務的EDL系統的評論。這本書是一個由70多位科學家組成的團隊所寫的研究報告的彙編，其中包括4名宇航員（其中兩名在月球上行走），為如何成功完成人類火星任務提供了詳細的指導。恩格倫德是EDL研究的主要作者。

飛行器重量

到目前為止，美國航天局已經有六個成功的火星登陸者：維京一號和二號，探路者號，火星勇氣號和機遇號，以及鳳凰號。然而，所有這些任務都是機器人任務，運載工具要比運載宇航員、補給和燃料的往返飛船輕得多。

開發載人火星任務的系統需要在儘可能減少重量和找出如何使用最少的燃料之間進行仔細的平衡。

2004年1月14日，美國總統布什在美國宇航局總部發表演講，概述了太空計劃的“新方向”，即“將人類的存在擴展到整個太陽系” 。

布什總統提醒人們，自從美國研製出一種用於太空探索的新型飛行器以來，已經過去了將近四分之一個世紀的時間，他呼籲研製一種新型載人航天飛行器。

布什說：“我們將建造新的飛船，把人類帶進宇宙，在月球上獲得新的立足點，併為新的旅程做好準備。”

作為對布什總統太空探索願景的回應，美國宇航局於2005年5月開始了探索系統架構研究（ESAS），該研究為未來的航天器提供了藍圖，最終將人類送回月球和火星。美國航天局可能會也可能不會使用本研究中概述的設計規範，但不管它最終使用什麼架構，它都將與今天使用的機器人任務架構有很大不同。

恩格倫德說：“當我們想把人類送上火星表面時，我們需要一個EDL系統，它的質量和體積至少是目前火星機器人任務的10倍。在過去幾年中，美國宇航局實際上一直在認真考慮這個問題。”

火星和地球之間至少有5472萬公里的距離（這兩顆行星在圍繞太陽的橢圓軌道上的距離不同）。

工程師們面臨的最大的設計障礙之一是處理在這樣一個往返距離上發射航天器所需的燃料量。更多的燃料意味著更多的重量，更多的重量意味著需要更多的燃料來運輸這些重量。

燃料較少的火星軌道

出於安全和運行方面的考慮，前往火星的航天器在抵達這顆紅色行星後，很可能不會立即降落在火星表面。

恩格倫德說：“對於一次人類規模的任務，我們很可能擁有一艘飛船，它將攜帶食物和補給在軌道上，用於回家的旅程，同時也是萬一地面出了問題時的‘避風港’。”

科學家們的設想是讓整個宇宙飛船首先進入火星軌道，然後將著陸器部署到地表。宇航員在登陸前首先環繞地球運行的能力，也將使他們有機會觀察大氣層，以確保在他們計劃登陸的地點沒有沙塵暴或危險天氣。

為了進入火星軌道，科學家們正在計劃使用一種以前從未嘗試過的叫做空氣捕捉的方法。

恩格倫德解釋說：“把航天器送到另一顆行星上的一個問題是，我們首先必須把它從地球軌道上弄出來。”所以我們必須把它加速到足以打破地球引力場的速度。然後，當飛船到達目的地行星時，它必須放慢足夠的速度，以便“捕獲”到圍繞該行星引力場的軌道上。”

一種叫做空氣制動的方法在以前的任務中已經成功地使用過。

空氣制動利用推進力首先將航天器插入軌道（軌道捕獲），然後通過使航天器多次通過大氣層上部使其循環（或達到所需軌道，又稱軌道微調）。另一方面，航天器在一次穿越較深大氣層的過程中同時執行軌道捕獲和軌道修正。

通常，航天器的減速是通過發射返回火箭來實現的，或者發射的火箭與航天器的飛行方向相反。

根據恩格倫德的說法，這種方法需要大量的燃料，在飛船到達火星之前，這些燃料必須一直攜帶。它增加了額外的重量，一個已經較重的航天器，是非常昂貴的。

相反，這次的空中捕獲行動利用了地球上層大氣造成的阻力來減慢飛行器的速度。在這種情況下，大氣起到了車輛的“剎車”作用，不需要額外的燃料。

儘管使用空氣捕獲方法有很多優點，但科學家們也一直在研究一些缺點，以及如何處理可能出現的一些潛在問題。

根據這份報告的作者，歷史研究表明，空氣捕獲是一種相當低風險的技術。然而，其中許多研究是基於最適合機器人任務的小有效載荷。

在空中捕捉機動中，航天器必須在火星大氣層中進行深入。在航天器進入過程中所經歷的摩擦會使速的能量轉化為熱量。

這種加熱需要一個額外的氣動外殼和一個熱保護系統來保護航天器和裡面的一切。恩格倫德說，即使有了這些額外的組件，使用氣動捕獲仍然比使用燃料驅動的推進方法進入火星軌道所需的總重量要少。

另一個潛在的問題是在飛行捕獲過程中引導航天器的計算機軟件。使用的程序足夠聰明，可以確定重要的參數：航天器需要進入大氣層的深度，如何實時監測進展情況，以及預測何時從大氣層返回到正確的軌道。

然而，精確性是關鍵。

“太深了，航天器就燒起來了，”恩格倫德解釋說，“太淺了，捕獲不能減少足夠的速度能量，當你回來時，要麼沒有足夠的能量使航天器進入正確的軌道，要麼更糟的是，航天器根本就沒有進入軌道，直接在行星上航行。”

對火星大氣的深入瞭解將有助於科學家對這一過程進行微調。

恩格倫德說：“但這些都是我們多年來一直在研究的東西，有些甚至是幾十年前的事情，而且（我們）有信心可以利用現有技術設計一個空中捕捉系統。”。

火星飛行的預算限制

去年4月，美國總統在美國宇航局肯尼迪航天中心的一次會議上重申，美國承諾將一個人送上火星。

“到2025年，我們預計為長途旅行而設計的新航天器將使我們能夠開始首次載人飛行任務。”美國總統說，“我們將從歷史上第一次把宇航員送上小行星開始。到20世紀30年代中期，我相信我們可以將人類送入火星軌道，並將其安全返回地球。隨後將登陸火星，我希望能看到它。”

然而，從那時起，美國宇航局一直在進行預算削減，這將對各種項目產生影響，包括那些為長途飛行設計航天器的項目。

恩格倫德說：“我確實認為美國宇航局已經決定後退一步，並考慮進行廣泛的技術投資，以使未來的太空探索能夠超越我們自己的地球軌道。”

其中一些削減很可能會進入火星計劃，並決定人類是否以及何時能夠探索這顆紅色星球。

喬治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）機器人博士項目主席、電子與計算機工程副教授阿亞娜•霍華德（Ayanna Howard）說：“不幸的是，研發與預算緊密相關。”如果有足夠的資金，那麼科學家（和工程師）應該能夠在未來30年內開發和集成人類火星任務所需的EDL組件。如果沒有分配足夠的資源，這個時間表可能不可行。”

由於載人火星任務仍然需要大量的研究和投資，科學家和政府如果想看到人類——來自任何國家——登陸火星，可能必須考慮其他選擇。

“我認為，人們確實感覺到，美國宇航局無法獨自承擔這項工作，將尋求國際合作與夥伴關係。” 恩格隆德說，“就我個人而言，我認為有巨大的潛力將人類送上火星——還有什麼比全球行動讓許多國家合作更好的方法呢？”

科技領航人

人類目前進行宇宙探索分為兩大類：一是有人星際探索，或叫星際移民；二是無人星際探索，即星際探測。前者由於要有生命支持系統，實現困難的多，後者相對簡單的多；人類除了在1969年美國進行了登月、有人星際探索以外，到目前為止人的星際探索只是、只能發射探測器，而且也只有美國有技術發射到太陽系內各行星的探測器，人類其他國家到目前為止沒有一個國家對“人類的院子”進行探測，沒這個能力。

為什麼去火星旅行、移民火星這麼困難呢？首先，人類的宇航動力系統還是初等智慧生物的動力系統---噴射反衝動力系統；這種動力系統需攜帶大量物質，通過加熱或燃燒，然後向飛行器後面高速噴出，從而形成向前的飛行動力；這種動力系統完全限制了人類星際移民，使人類基本上“駛不出”太陽系，即便是離我們最近的行星，進行十人以上的“星遊”都非常困難。人類目前宇航動力系統是燃燒化學燃料的火箭；人類目前的宇航動力效率---燃料載荷比在150:1以上，即運送20噸載荷需耗費燃料3000噸；這種宇航動力效率可以肯定地說，人類根本沒法在太陽系內進行小規模、若干人的星際移民，最多可以進行幾個人的“星遊”，而且在未來的六十年內都是“死亡星遊”，即沒法返程的星遊！

有人說，未來人類發明了“聚變堆”、利用核能做動力了，人類就可大規模星際移民了，這就是錯覺，即使人類可把“核鍋爐”安裝到火箭上，核火箭仍然是要攜帶物質，通過“核鍋爐”加熱後，向核火箭後面噴出來形成向前的動力；這也僅僅是使火箭效率提高了而已，即使這樣也不會使燃料載荷比下降到10:1，因為“核鍋爐”很重，而且還不能燒的很熱，否則就爆炸了，能流輸出密度還不如化學火箭高。

其次，星際移民的生命支持系統是非常複雜而困難的。在地球近地軌道的太空實驗室的、僅幾個人生存的、簡單靜態生命支持系統已是人類目前能做到的最大極限了。火星移民需要的生命支持系統是，動態的、極其複雜的、生態生存系統，不能像太空實驗室這樣，不斷運送維持生命存活的各種元素，它是需要一種自持生態系統。

即使是發送幾個人到火星上，其生命維持系統都是非常龐大的；太空實驗室大概是300多噸；發射到火星上的幾個人的火星實驗室，至少3000噸；這也只能讓這幾個人在火星上生活不到一年，然後又要送生命生存必須元素了，運輸時間要半年；所以說，馬斯克“火星移民”的首期發射量，至少需要發射150次至200次，因為馬斯克的發射成功率在80%左右；關鍵是如果出現了發射失敗，其破壞影響力遠遠超過飛機失逝，這不僅僅是損失生命和錢的問題，可能對整個“星際移民”活動可能是致命打擊。

總之，美國馬斯克的“火星移民”，基本上在1百年內都沒可能，在三十年內完成“火星移民”，要麼是“肉包子餵狗”模式，要麼就是有其它“目的”，大家都可以給美國馬斯克的“火星移民”項目做個見證！

譚宏21

要知道我們上月球38萬公里都很困難，要上火星4至5億公里就不必多說了，上火星來回9億公里，火星上的地理環境也非常複雜，按照目前最快飛船每秒18公里飛行計算，不知需要多少天才能返回地球，況且我們現在的飛船科技水平還沒有具備去火星的各種完善設備。如建造材料、製氧、服裝、燃料、吃住、探測設備、通迅、著陸火星及返回的各種科技等等，不然的話，我們有去就回不來了，所以我們必須做好各種萬全對應之策，才敢冒險旅行火星。

陳健光1959

因為火星太遠，近距離的月球難以征服，火星更有難度。

自然風161212381

宇宙環境人類無法克服

法醫張學

因為人類技術太落後

關鍵字: 登月 不一樣的旅途 科學