NASA和SpaceX计划如何将人类送往火星并安全返回?

36氪的朋友们2021-04-26
登陆火星最大的挑战是这趟深空旅行所需的有效载荷质量,其中包括航天器、人员、燃料、补给等等。

编者按:本文来自腾讯科技审校 皎晗,36氪经授权发布。

4月26日消息,在人类往返火星的旅程启动之前,有许多事情必须克服。让人类登陆火星这一艰巨任务的主要参与者中有美国宇航局(NASA)和太空探索技术公司SpaceX,它们在国际空间站的任务上密切合作,但在载人火星任务的设想上存在分歧。

飞船大小很重要

登陆火星最大的挑战是这趟深空旅行所需的有效载荷质量,其中包括航天器、人员、燃料、补给等等。

这幅艺术想象图描绘了探索火星的宇航员和火星上的人类栖息地。NASA的毅力号火星车搭载的多项技术更适合探索火星。

目前而言,把东西发射到太空所需的花费就是其等量的黄金价值。

而且有效载荷质量通常只是运载火箭总质量的一小部分。

例如,将阿波罗11号发射到月球轨道的土星5号火箭重达3000吨。

但它只能向近地轨道运送140吨的有效载荷,这只占初始发射质量的5%,向月球轨道输送50吨的有效载荷,这不到初始发射质量的2%。

质量限制了前往火星的飞船大小和其在太空中的机动。每一次机动都需要更多燃料来启动火箭发动机,而这些燃料目前必须由飞船自行携带进入太空。

SpaceX的计划是在地球轨道上用另一艘飞船为前往火星的飞船加注燃料,这意味着相比于单次发射,飞船可以携带更多燃料前往火星。

时间很重要

另一个与燃料密切相关的挑战是时间。

将无人驾驶航天器发射到外行星的任务常常沿着围绕太阳的复杂轨道飞行。它们借助所谓的引力弹弓效应,利用行星引力场进行加速,不断甩向下一个目标点,以获得足够动能抵达目标星球

这节省了大量燃料,但可能需要数年才能到达目标星球。显然,这是人类最不愿意做的事情。

SpaceX载人龙飞船艺术想象图

地球和火星的轨道几乎都是圆形的,霍曼转移是在两颗行星之间旅行最节省燃料的方式。途中只需两次引擎推进,就能让飞船借助一个椭圆转移轨道上从一个行星飞到另一个行星。

地球和火星之间的霍曼转移大约需要259天,也就是8到9个月的时间。由于地球和火星围绕太阳运行的轨道不同,大约每两年才有可能出现一次时间窗口期。

当然,SpaceX声称飞船也可以在6个月的时间抵达火星轨道,但这样做会消耗更多燃料。

安全着陆

假设飞船和宇航员顺利抵达火星轨道,下一个挑战将是着陆。

进入地球的航天器能够利用与大气相互作用产生的阻力来减速。这使得飞船只要能承受住与大气摩擦产生的高温,就可以在地球表面安全着陆。

但是火星大气层比地球稀薄100倍。这意味着火星大气的阻力更小,所以在不借助外力情况下安全着陆是不可能的。

诸如NASA的探路者任务是通过安全气囊着陆,而凤凰号任务等则是使用推进器完成着陆。后者同样需要更多燃料。

在火星上生存

火星上的一天大约是24小时37分钟,但与地球的相似之处仅限于此。

火星上稀薄的大气层意味着不能像地球那样保持热量,所以火星昼夜循环中的温度条件非常极端。

火星和地球几乎没有相似之处

火星最高温度是30℃,听起来很不错,但最低温度是-140℃,平均温度是-63℃。相比之下,地球南极冬季的平均温度仅为-49℃。

所以人类需要选出在火星上合适生存的地方,还要应对夜间的极端低温。

火星重力是地球的38%,但空气主要由二氧化碳和氮气组成,所以完全不能呼吸的。人类需要建一个能控制气候的地方。

这幅艺术想象图显示了NASA宇航员如何在火星表面工作。左边是一架类似于灵巧号的火星直升机。

SpaceX计划发射几架货运飞机,携带物资包括温室、太阳能电池板等关键基础设施,还有返回地球任务所需的燃料生产设施。

返回地球

最后的挑战是如何安全返回地球。

阿波罗11号以大约40000公里/小时的速度进入地球大气层,刚好低于脱离地球轨道所需的逃逸速度。

从火星返回的飞船返回速度将在47000公里/小时到54000公里/小时之间,具体取决于通过什么样轨道抵达地球。

在进入大气层之前,飞船可以减速到约28800公里/小时,但这需要额外的燃料。

如果它们直接进入大气层,地球大气的阻力会让飞船减速,只需要确保飞船能抵御摩擦产生的高温。

这些只是载人火星任务面临的一些挑战,而实现这一目标的所有技术要素都已经摆在面前。人类只需要花费时间和金钱,把所有要素整合在一起

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