（原標題：How to get people from Earth to Mars and safely back again）
作者 | 辰辰
出品 | 網易科技《知否》欄目組（公眾號：tech_163）
圖示：SpaceX登陸火星想像圖
目前參與人類登陸火星任務的兩大主要機構是美國國家航空航天局(NASA)和太空探索技術公司(SpaceX)，這兩家機構在國際空間站項目上合作密切，但在如何登陸火星的問題上存在分歧。
但是，在人類踏上前往火星的旅程之前，必須克服重重阻礙。
載荷至關重要
登陸火星最大的挑戰是整個旅程所需有效載荷的質量，其中包括太空飛行器、人員、燃料、補給等多個方面。
就目前而言，向太空發射載荷就像發射金子一樣開支巨大。而且有效載荷質量通常只是運載火箭總質量的一小部分。例如，將阿波羅11號任務發射到月球的土星5號火箭重達3000噸。
但其只能向近地軌道發射140噸有效載荷，佔初始發射質量的5%；只能將50噸有效載荷帶到月球發射，不到初始發射質量的2%。
載荷質量限制了登陸火星載人太空飛行器的大小及其在太空中的活動，因為每次活動勢必點燃火箭發動機並消耗燃料，而這些燃料目前必須要由太空飛行器自行攜帶進入太空。
圖示：SpaceX用於將人類送往火星的星際飛船
SpaceX的計劃是讓其載人飛船在太空中通過獨立發射的燃料儲罐進行補給。這意味著與單次發射相比，可以將更多的燃料送入軌道。
時機很重要
往返火星的另一個挑戰是時機。
將無人太空飛行器送往外行星的任務通常會以圍繞太陽運行的複雜軌道為飛行軌跡。這些太空飛行器藉助行星引力獲得額外動力，也就是利用所謂的「彈弓效應」抵達目的地。
這可以節省大量燃料，但會導致任務需要數年才能到達目的地。很明顯，這是載人航天任務不希望做的事情。
地球和火星都有近乎圓形的公轉軌道，目前使用「霍曼轉」是在兩顆行星之間旅行最節省燃料的方式。前往火星的太空飛行器先在地球軌道上瞬間加速後，進入一個橢圓形的轉移軌道；隨後由橢圓軌道的近拱點開始飛行，抵達遠拱點後再瞬間加速，進入火星軌道。而整個過程中只需兩次引擎推進，相對節省燃料。
太空飛行器在地球和火星之間進行霍曼轉移大約需要259天(8~9個月)。由於地球和火星圍繞太陽運行的軌道不同，大約每兩年才可能遇到一次窗口期。
當然，太空飛行器也可以在更短的時間內到達火星，例如SpaceX聲稱僅需6個月的時間。但是這樣做勢必會消耗更多的燃料。
安全著陸
假設宇宙飛船和太空人順利到達火星軌道，下一個挑戰就是著陸。
進入地球軌道的太空飛行器能夠利用與大氣相互作用所產生的阻力來減速。這使得飛船隻要能承受住與空氣摩擦所產生的高溫，就可以在地球表面安全著陸。
但是火星上的大氣比地球大氣層稀薄大約100倍。這意味著阻力更小，所以需要各種幹預才能安全著陸。
諸如NASA的探路者號火星探測任務利用安全氣囊著陸，而鳳凰號任務則使用了反向推進器。但後者需要更多的燃料。
在火星上生存
以地球上的時間計算，火星上的一天是24小時37分鐘。
火星上稀薄的大氣層意味著其不能像地球那樣保存熱量，所以火星晝夜循環周期中溫度非常極端。
火星的最高溫度是30攝氏度，但最低溫度是零下140攝氏度，平均溫度是零下63攝氏度。相比之下，地球南極冬季的平均溫度約為零下49攝氏度。
所以我們有必要選擇在火星上生活的地方以及如何在夜間控制溫度。
火星上重力僅為地球的38%，空氣主要是二氧化碳加上百分之幾的氮氣，所以人類在火星上完全不能呼吸。為了在火星上生活，人類需要打造一個氣候可控的地方。
SpaceX計劃專門發射幾次貨運飛船，將溫室、太陽能電池板等在內的關鍵基礎設施送往火星。讓人類返回地球的燃料生產設施也會送往火星。
同時，為了觀察首批火星登陸者將如何適應，人類在地球上已經進行了幾次在火星上生活的模擬試驗。
返回地球
最後的挑戰是如何讓人們安全返回地球。
阿波羅11號返回艙以大約4萬公裡/小時的速度進入地球大氣層，這個速度略低於脫離地球軌道所需的速度。
從火星返回地球的太空飛行器速度將從47000公裡/小時到54000公裡/小時不等，這取決於它們所抵達的地球軌道具體位置。
在進入大氣層之前，太空飛行器可以在繞地球運行的近地軌道上減速至每小時28800公裡。但是這也需要額外的燃料。
而地球大氣層也將讓太空飛行器繼續減速，但需要確保太空人的生命不會因為重力過載或飛船過熱而受到威脅。
當然，這些只是登陸火星任務面臨的一些挑戰，實現這一目標的所有技術基礎都已經存在。人類只需要花時間和金錢把所有資源整合起來。（辰辰）
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