太空人為什麼無法從火星返回地球?

2020-12-05 李論科學

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如果單純的想去火星,不用考慮回來的事,確實可以辦到!但想用目前的技術把人類從火星帶回地球確實有點不現實,甚至可以說不可能實現。雖然近年來,火箭推進、製造和硬體的重複使用得到了巨大的發展。但是,科學家和各種航天機構仍然受到60年代nasa面臨的同樣的問題,重力和能源的束縛。從火星返回地球比去月球或去火星的單程任務對人類來說更具挑戰性和危險性。

首先火星比月球的重力更強

火星上的重力是月球上的兩倍多(大約是地球的三分之一)。目前,如果要載人去火星,運載火箭和逃離火星引力所需的燃料成本高得令人望而卻步。從月球表面升起的每千克質量需要從地球發射632千克的硬體、燃料箱和燃料。從火星表面發射1公斤重量要比月球貴10倍以上。有人提議用火星上的自然資源建造火箭發射基地或生產燃料。但是採礦設備非常重,得首先運送到火星。即使不採礦,所有的礦產資源都被事先整齊地堆放在火星上,直接拿來用,但將這些資源轉換成合金材料和可用的火箭燃料所需的製造設備比直接從地球上攜帶硬體和燃料還要重。雖然在火星上生產燃料,理論上可行,但這些方法超出了當前的技術。

火星的距離更遠

阿波羅號太空人花了3天時間,從地球到月球跨越了38萬公裡。地球和火星之間最短的距離大約每2年出現一次,大約是7800萬公裡,是月球旅行距離的203倍。但在軌道轉移的過程中,火星也在運動,因此對霍曼轉移軌道原理的應用表明,如果沒有極高的能量(比如極高的速度),從地球到火星的最短路徑實際上是5.93億公裡,即比月球旅行長了1543倍。

火箭的極限速度

我們可以通過長時間持續加速達到巨大的速度。但是在所有加速過程中,必須帶一臺重型發動機和足夠的燃料以及能容納燃料的油箱。還有,這麼重的設備燃料為了安全著陸在火星上,將需要幾乎等量的燃料來減速。解決這個問題需要的一種方法是,在只運輸有效載荷的同時,讓大量的燃料(也許還有發動機)留在地球上。以光的形式向移動的有效載荷傳輸能量是實現這一目標的一種方式。但是像核引擎、離子驅動和磁力推進一樣,這些都還沒有實現。此外,即使是100%效率的發動機也需要大量的能量才能穿越這段距離。

船員的補給

根據上面的第2和第3條,使用任何技術去火星旅行的最短時間是6-8個月。在這段時間裡,維持一個船員的生活所需的補給,使本已嚴重的重量問題雪上加霜。還要考慮在火星上維持太空人所需的大量補給和避難所。從火星返貨所需的補給更加麻煩,因為你需要帶更多的燃料和油箱來加速火箭離開火星軌道返回地球。如果想在火星上自給自足,在火星上生產食物,這需要時間來建造,也需要更多的設備來設置和維護,這反過來會增加地球發射的有效載荷質量。誘導太空人進入深度睡眠狀態可以減少所需的總供應,但這種技術目前有風險,也未經測試,不是我們當前技術的一部分。

火星載人計劃

美國宇航局2009年的報告「嚴峻的人類火星任務」確定,一個4人返回火星的任務將需要在低地球軌道上組裝多個硬體和燃料的有效載荷,這些有效載荷由擬議中的戰神五號火箭(比土星五號更大)運載。戰神五號總共需要發射13次,僅是為了將所有硬體、設備、燃料和乘員先送入近地軌道。這將是整個阿波羅計劃中土星五號發射的總數。另外四次較小的火箭將把硬體、燃料、補給和機組人員的獨立有效載荷從地球軌道推向火星。其中一些有效載荷最終會下降並降落在火星表面,而另一些則在火星軌道上等待。在完成表面工作後,最小最昂貴的發射將把機組人員和土壤樣本帶進火星軌道,與等待在火星軌道的燃料和補給有效載荷會合,然後飛出火星軌道返回地球。

如果沒有冷戰的壓力,公共或私營部門就沒有足夠的資金或興趣來資助這麼大的工程。但未來肯定會有載人火星任務,可能很快就會有。但從目前來看載人火星任務只是一個單程旅行,要麼就需要發展出今天還不存在的技術。

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  • 太空人是怎麼返回地球的?
    當太空人結束了為期幾天或者十幾天的宇宙飛行之後,他們是要需要及時返回地球的。太空人在飛船正式進入軌道之後,會與空間站進行對接。對接完成後,太空人需要進入空間站進行一些實驗,以及採集數據樣本帶回地球進行數據分析。在以上這些工作完成之後,太空人就需要及時回到地球上了。要返回地球,太空人必須乘坐返回艙。返回艙的空間,並不是很大。
  • 如果登月太空人沒法返回地球,可以怎麼辦?
    登月太空人是怎麼返回地球的目前我們人類沒有再次實施載人登月的項目,主要是將太空人送上月球表面的難度非常大,其中一個硬性條件就是需要有大推力的運載火箭。在歷史上,載人登月的幾個任務的成功實施,太空人都順利返回地球,所以,登月太空人沒法返回地球的情況,並沒有出現。
  • 太空人返回地球後,為什麼一定要坐椅子上?不然就性命不保
    太空人返回地球後,為什麼一定要坐椅子上?不然就性命不保對太空人來說,他們可是一個國家航空航天事業最大的功臣,在地球上的人類升入太空之後,會因為環境的驟然變化,造成一些太空人的身體出現不適的情況。而最重要的一點就是太空是沒有重力的,所以太空人在太空中都是處於失重狀態。那為何太空人在返回地球之後要一直坐在椅子上呢?不然性命不保?當太空人返回地球之後,會發現這些太空人是被人從太空艙中給攙扶出來的,而且出來之後就會立馬坐在椅子上,就算是要走,也是有專門的人抬著椅子和太空人,不會讓太空人自己行走。
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    基本上可以認為,相當於在火星上打造了一座較大規模的火星城市。要知道,即使是在地球上,打造一座規模較大的城市,成本是很高昂的,耗時也會相當長。在遙遠的火星上打造一座同等規模的城市,難度會更大,能否在2050年完成,確實是很難說。在完成基礎設施的建設之前,將這麼多人送上火星表面,其實不現實。人類登陸到火星以後,還能返回地球嗎?