“人类登陆火星究竟难在何处?”

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出品:科普中国制作:中国科学院国家天文台郑永春张硕孔啸陈洁监制:中国科学院计算机网络新闻中心

20年后的火星世界

科幻是基于科学现实的未来展望。 10月2日，好莱坞年度科幻大片《火星救援》在北美上映，真实地表现了20年后人类登陆火星的场景。 作为太阳系八大行星之一，人类为什么独自在火星上？

纵观太阳系的演化历史，人类的命运其实非常脆弱，面对地震和海啸、火山爆发、小天体撞击、地球磁极逆转、超太阳风暴等重大灾害，我们发现这些灾害可能会导致地球生命大灭绝。 因此，人类必须有充分的危机感和紧迫感，在灭绝的灾害到来之前，必须找到能够延续人类火种的避难所。

由于宇宙飞行能力的限制，人类还不能飞出太阳系。 太阳系中，只有火星的自然环境与地球最相似，是人类移居外星的优先目标。 人类迄今为止已经开展了42次火星探测，自1996年以来发射了11个探测器，取得了大量的探测资料。 火星成为了除地球外人类认知度最高的行星，超过了人类登陆的月球。

人类首次实现登月，美国在空之间打败竞争对手，距离最后阿波罗登月已经过去了43年。 载人航天长期受限于地球轨道，这种状态到了必须改变的时候了。 未来，nasa将逐步退出低轨道航天和商业发射，将这些任务承包给民营公司，激活民间热情，明显降低发射价格。 政府集中力量迅速发展月球和更深的深度空探测，载人着陆是其主要目标。 目前载人航天已经到了冲破地球引力束缚，努力实现载人着陆火星的重要阶段。

载人火星登陆不仅需要丰富的知识积累、坚实的技术储备、专业的全面的人才队伍，还需要适当的政治气候和舆论的支持。 美国人对火星有浓厚的兴趣，美国航天局的火星任务一直受到民众的支持。 美国火星任务成功率达到70%，21次任务中有17次成功。 特别是本世纪的火星任务都成功了。 建立一个鼓励冒险、创新、探索精神的移民国家，实现人类首次登陆火星的目标在美国确实具有很强的号召力。

无论载人登月还是载人登小行星，都以载人去火星为目标，但实现途径不同而已。 基于科学对快速发展战术的认识，作为大胆的预测，我们可以考虑人类在今后20年内( 2035年前)首次进入火星表面。 宇航员可能是美国人或美国主导的国际合作集团。 然后人类建立火星前哨站，改造火星环境，朝着火星移民的长远目标前进。

年，荷兰民间企业宣布火星移民计划，选出两名男性和两名女性于2023年登陆火星定居，许多华裔将入选100名候选人。 但是，单程车票去火星的冒险行为是商业炒作，真正的载人着陆必须是往返两条路线，宇航员到达火星后才有返回的机会。

与此相对，《火星救援》是一部具有极强现实感的硬科幻大作，具有坚实的科学基础，其中幻想成分较少，真实模拟了nasa实施的载人火星旅行。

探索《火星救援》整个故事发生的时间和火星使用的技术手段大多是基于nasa的载人着陆火星计划而进化的。 在电影中，使用了很多nasa正在开发中或者实际上应用于太空探索的高科技设备。 在看电影的过程中，你会看到很多火星科学的常识和尖端的宇宙技术，你会被这些触手可及的未来深深感动。 这是因为观看科幻小说的巨大过程也是科学传播的宴会。

随着科学技术的飞速发展，太/ [/k0/]科幻作品与现实宇宙科学技术的界线越来越模糊，昨天想象中的太/ [/k0/]科幻，今天已经成为现实。 与超前的“星际穿越”相比，“火星救援”没有造成大脑缺氧的天体物理公式，只有一个被抛弃的太空农夫在荒芜宁静的火星上种土豆。

二、火箭和宇宙飞船

1 .地火运输的战神火箭

在《火星救援》电影中出现了三种火箭:美国航天局的战神3号、战神4号火箭和中国的太阳神重型火箭。 宇航员将搭载战神3号火箭飞往火星，而马克需要在火星上行走3200公里才能返回地球。 找到的是战神4号火箭的返回舱。 在战神4号之前降落在火星上。 马克用合适的节点发射自己空，用太空等待他的战神3号队员汇合，然后返回地球。

现实中，战神系列火箭是美国航天局正在研制的新一代火箭，有载人火箭和货运火箭两种，首要用于载人飞行和载人着陆火星的航天飞行，这也是以载人飞行和月球基地建设为目标的星座计划的首要任务之一。 2009年，星座计划被取消，但战神系列火箭和载人飞船的研发任务被保存下来。

其中，战神1号火箭是按照星座计划运载宇航员船员的载人火箭。 火箭直径5.5米，高94米，分两级点火，其中第一级为固体燃料发动机，第二级为液氢液氧燃料发动机。 近地轨道的运输能力比较有效载荷为25吨。 作为载人火箭，战神一号具有高安全性、高可靠性和较低的发射价格，对于将猎户座号载人飞船发射到太空，与货船对接，飞往月球和火星是最重要的。

2009年10月28日23时30分，为实施重返月球计划而开发的“战神i-x”火箭美国佛罗里达州在肯尼迪航天中心39b发射台进行了首次试飞，目的是收集飞行数据。 火箭起飞重量为816吨，最大推力为1360吨，总飞行时间为369秒，实验成功。

战神5号火箭是星座计划中的货物火箭。 直径8.40米，高116米，同样分两个阶段点火，均为液氢液氧燃料发动机。 在重返月球计划中，战神5号火箭的牵牛花号登月室和地球出发级在战神1号火箭的猎户座载人宇宙飞船与地球轨道对接后，组合飞往月球。 战神5号将于年首次发射。

在国内，随着中国经济实力逐渐增强，未来也将开展载人深空探测活动，研制新型载人火箭和大型火箭是必然趋势。 据电影介绍，中国将于2030年试飞太阳神号大型火箭。 但是，中国不可能用太阳神命名火箭，我们正在开发的火箭都属于长征系列。

苏亚雷斯5火箭艺术图(美国航天局)

2 .宇宙飞行中的房子——载人宇宙飞船

在“火星救援”中，宇航员乘坐小组载着哈米斯号载人宇宙飞船前往火星。 该船的设计以开发中的猎户座号载人宇宙飞船为参考。 nasa开发猎户座的目标是将来载人登月和火星。

猎户座号是中止的星座计划的重要组成部分，是可替代航天飞机的多用途乘员搜索机( crew exploration vehicle，cev )。 每次可以运送6名宇航员到国际空间车站，也可以运送4名宇航员到月球，还可以经过改造载人在火星着陆。 美国宇航局探测系统任务委员会2006年8月31日宣布，委托洛克希德·马丁企业设计建设“猎户座号”，合同总额达80亿美元。 首次飞行计划不晚于去年，首次登月的时间不晚于去年。 年12月5日，猎户宇宙飞船首次载人飞行成功，宇宙飞船绕地球两周返回地面。

登月舱( 6名宇航员)和登火舱( 4名宇航员)的区别

宇航员的数量和航天飞行时间是载人飞船设计的重要参数，直接影响载人深度空探测任务的技术性能和整体规模。 月球与地球的距离很近，登月舱的乘员人数通常由6人设计，火星与地球的距离太远，火箭运载能力有限，因此载人登陆火星的宇宙飞船物资消耗太大，通常乘员人数限制为4人。

三、登陆火星

1 .登陆火星的三种方法

要通过火星大气“踩踏”火星表面，就需要火星车和着陆机，在这期间必须经历惊险和生死攸关的场面。 探测器必须从131公里的高度空进入火星大气，达到时速21000公里(每秒5.9公里)，在短短7分钟内将探测器的速度降至零，实现安全着陆。 这也是所有火星探测任务中技术难度最大、失败概率最高的关键时刻。 这个阶段被称为“进入、下降、着陆”( edl )阶段，是名副其实的“黑七分”。

回顾世界各国火星探测的历史发现，安全着陆火星表面主要通过三种方式实现。

第一种形式是气囊缓冲。 该方式适用于轻型着陆器着陆，在着陆器着陆火星表面之前，包裹着陆器的气囊膨胀展开，由于气囊在火星上的反弹，高度逐渐降低，着陆成功。 1996年12月4日发射的探测器(火星车)使用气囊缓冲方法成功着陆火星表面，初步验证了火星进入大气、减速、着陆缓冲全过程的可行性，分别于2003年6月和7月发射的勇猛号和机遇号这对双胞胎罗

勇气号和机会号火星车使用气囊缓冲方法成功降落在火星表面

第二种方法是着陆架的缓冲。 2007年8月4日发射的凤凰号着陆机比机遇号和勇气号火星车质量更重，依赖降落伞和气囊着陆需要采用更大面积的降落伞和体积的气囊，但会压迫所搭载的科学仪器的重量。 为此，“凤凰号”使用了火箭反推和着陆架缓冲方法，实现了火星在北极地区的安全着陆。

凤凰号着陆器利用反推火箭实现动力减速，适合重型着陆器着陆，可以准确选择降落点

第三种方法是空中起重机着陆。 这种方式适合于大质量着陆器的登陆，年从美国发射的好奇号火星车首次使用该技术取得了成功。 奇号以每小时2万公里的高速进入火星大气层，火星车搭载在盾形热保护罩中，保护罩受到高温烧蚀和隔热保护，以防止穿越火星大气层时被烧毁。 探测器在距离火星表面11公里处，打开巨大的降落伞降低飞行速度，24秒后热保护罩脱落。 当探测器下降到1.4公里的高度时，背壳分离，探测器上的8枚制动火箭被点燃，通过火箭的反推从每秒80米减速到每秒0.75米。 当探测器到达火星表面20米的高度时，着陆器在空中“悬停”、空中起重机释放尼龙绳索，将“好奇”号火星车从着陆器上吊起来，送到火星表面，实现着陆

奇号火星车是一个功能齐全的移动科学实验室，相当于地球上具备多种分解手段的岩矿分解实验室。 奇号重3.6吨，耗资26亿美元，使用核电，是世界上第一个无太阳能电池板的深度空探测器。

空中起重机释放尼龙绳索，将好奇的火星车悬挂在火星表面

20年后的载人着陆火星上，需要运载到火星表面的着陆船质量更重，不仅需要强力的热保护罩，还需要非常大的降落伞，使用反向推进火箭的动力减速和空中起重机等手段，实现了多种着陆手段的“混合” 目前，作为星座计划核心的战神号货运火箭、载人火箭、猎户座载人宇宙飞船均飞行成功，具备载人登月、小行星、火星的大部分功能。

要登陆火星，热保护罩、大降落伞、反推火箭、空起重机等多种技术手段需要混合，确保宇航员安全登陆火星表面

2、火星宇航服

宇航服是保障宇航员生命安全和工作能力的个体密闭装备，用于保护宇航员在真空和稀薄大气、剧烈温差、强太阳风和宇宙线、微陨石撞击等外星天体表面环境中安全生存。 人体血液中含有氮，真空中的体积会膨胀。 如果不穿加压的密封太空服，宇航员会因体内外压差之差而威胁生命。 降落在月球和火星表面的舱外宇航服还有供氧、温度控制等设施，保障宇航员的舱外活动，实现天体表面的考察。

火星宇航服是电影《火星救援》的重要工具，剧组在调查中发现nasa正在开发的火星宇航服非常巨大，非常沉重。 演员们穿着这样的宇航服进行拍摄不太容易。 正好斯科特导演在电影《普罗米修斯》中也使用了宇航服，将相应的宇航服设计继承到了《火星救援》中。

最终，电影中表现出来的火星宇航服借鉴了nasa设计的原创宇航服，增加了越来越多的实用功能，看起来更具观赏性。 剧组一共制作了15套太空服，每套可供6名宇航员穿着。

火星的表面环境非常恶劣，非常冷，空气体很薄。 宇航员在火星上进行科学考察和建设任务时，必须穿非常厚的太空服。 真正的宇航服相当于完美的生命保障系统，功能强大，是宇航员救命所必需的。 nasa目前正在开发火星宇航服，利用火星探测器得到的火星环境参数，设计适应火星环境、适合载人火星任务的宇航服。

真正的宇航服没有配件。 一切为保障宇航员生命安全的目的服务。 宇航服包括关节、手套、头盔、氧气系统、水循环系统、散热系统、通信系统、电子系统等。 为了防止火星上弥漫的灰尘影响宇航员和着陆舱的运行，美国宇航局正在设计让宇航员脱离背部的太空服。 宇航员进入着陆舱后，宇航服被留在舱外，不将灰尘带入机舱，危害宇航员的健康。

3 .探路者(火星车)

在电影《火星救援》中，被遗弃在火星上的标记为了与地面取得联系，找到了以前被任务遗弃的探矿者号火星车，再次与地面取得了联系，成功地将他活着的新闻送回了地球。 电影中的火星车相当强大，不仅可以翻山越岭，还可以搭载各种大型器具，应对各种突发情况，搭帐篷，扩大内部空之间。

虽然现实中的火星车功能不如电影强，但是历史上真的有这样的火星车。 1997年7月4日，火星探险家号( mars pathfinder )进入火星大气层，用降落伞减速，漂流到火星表面，在着陆前的几秒钟打开9个大的保护气囊，弹着停止。 气囊释放气体后，释放了火星表面着陆器和索杰纳号的火星车。 这也是人类历史上首次登陆火星的火星车。

真正的探矿者号火星车重10公斤，有6个车轮，其前进道路是预先设定的。 最快的行驶速度也是每分钟60厘米，不比蜗牛快多少。 探矿者号在着陆点西南部火星山谷多次暴发洪水，有多块圆形和椭圆形玉石，证明了经过水流的长时间冲击。

4 .火星发电站

火星上没有加油站，载人宇宙飞船和火星车都需要太阳能电池作为能源。 电影中的哈米斯号用太阳能电池发电提供能源，马克也用太阳能电池给火星车充电，开着长途车旅行。

现实中，我们头顶上的国际空间车站有强大的太阳能发电系统。 电力越充足，开展的操作和实验就越多，就越能降低某个系统故障带来的危险。 美国宇航局正在开发的猎户座号载人宇宙飞船也将通过使用太阳能电池发电的方法提供能源。

火星上天气不好怎么办？ 为了在火星上生存，需要绝对可靠性和耐久性良好的电源，同位素温差电池是现实的选择。

同位素温差电池其实是小型的核反应堆。 放射性同位素在衰变过程中产生大量热能，同位素温差电池是将这些热能转换为电能的发电系统。 在电影中，为了防止放射性放射线泄漏，标记被安装在了远离居住室的位置。

事实上，nasa采用同位素温差电池已经40多年了，在20多次太空搜索任务中被采用，包括好奇号火星车、新视野号冥王星探测器、未来的火星任务等。 “新视野”同位素温差电池内置10.9的二氧化钚，在其中的钚-238衰变时释放热量，通过温差发电为航天器提供稳定的电力供应。

正如放射性物质泄漏污染过多空一样，真正的同位素温差电池用多层非常坚固的材料密封包装，即使发生宇宙飞船爆炸等毁灭性事故，也不会产生微小的龟裂。 由于同位素温差电池会释放α射线，不会穿透衣物和皮肤，所以这些放射性也不会对人体造成危害。

四、往返火星500天

电影，马克正要返回地球时，由于钻头操作失误，探矿者号的火星车被电流烧毁，他与地面失去了联系。 为了与地面建立联系，马克必须继续驾驶火星车到达此前登陆的战神4号返回舱。 旅途中，沙尘暴发生在火星上，严重影响火星车太阳能电池的发电效率，延缓火星车的行程。 马克能马上到达战神4号的返回舱吗？ 地面控制中心的专家们进行了紧张的协商。

电影中的这个场面证明了在载人着陆火星的任务中，应该随时随地保持与地面控制中心的通信，获得地面支援。 另一方面，证明了如果火星上发现合适的着陆点，无论是无人火星搜索任务还是载人着陆，历史任务的着陆点都要尽可能近，完全利用各个任务到达火星的设备资源，相互支援。

电影中，已经撤离的战神3号宇航员登上小组，得知马克还活着后，队员们自愿接受任务，延长500天飞行时间，不返回地球，直接绕地球向火星发射，返回队友。 这里提到的科学场景是，为什么往返火星需要500天？

由于地球和火星都是运动的天体，从地球发射的火星探测器并不是随时都会发射，而是每隔两年两个月( 780天)有发射一次，据说是这样的发射机会的发射窗。 也就是说，火星探测器的发射窗口将每隔26个月打开一次。 因为这是每780天太阳、地球、火星排成一条直线，被称为火星撞击，是发射火星探测器的好机会。

为了研究宇航员在飞往火星的旅程中，长时间的密闭环境对机组健康状况和工作人员能力的影响，特别是在超长期飞行、完全自主控制、资源有限、身体和心理治疗、火星表面的开船活动等条件下的人体生理和心理状态。 俄罗斯联合跨国科学家于年6月3日展开了为期520天的火星着陆模拟，模拟了人类历史上首次火星航天往返任务的全过程。

载人着陆的火星往返需要500天，如何克服旅行的寂寞、恐惧和疾病，需要在地上进行很多实验。 图为在俄罗斯进行的“火星-500”生存试验。

封闭试验分为三个部分:前250天为宇宙飞船的发射和实验进行火星之旅，中间30天实验登陆火星，最后240天实验从火星返回地球。 在实验阶段，所有志愿者的生活和工作仅限于实体模型航天器，所需资源需要一次性配备。 志愿者不能直接与外界交流。 通过网络交流会迟到20分钟。 宇宙飞船完全自主控制，医学救援通过远程操作技术实现。 包括中国宇航员王跃在内的6名志愿者经历了火箭发射、星际旅行、从火星登陆到地球返回的全过程。

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来源：成都新闻网