“挑戰者”號和“哥倫比亞”號太空梭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。

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“將人類的存在擴充套件到整個太陽系” 。

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迴應，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。

出於安全和執行方面的考慮，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執行的能力，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），然後透過使航天器多次透過大氣層上部使其迴圈（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，航天器的減速是透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元件，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體。使用的程式足夠聰明，可以確定重要的引數：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。”。

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。

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

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）機器人博士專案主席、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年內開發和整合人類火星任務所需的EDL元件。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？”

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裝置。如建造材料、製氧、服裝、燃料、吃住、探測裝置、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。

為什麼去火星旅行這麼難？1960年美國向世界證明了人類可以登上月球。而如今，在執行第一個登月任務幾十年之後，人們再次尋求前往另一個星球，但這一次不再是月球而是火星。

與阿波羅登月計劃任務中使用的火箭相比，登入火星的的火箭功率更大、效率更高、更可靠。如果要登入火星，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？

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:登入火星飛行器想象圖。

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入月球不同。

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。成功發射的視窗僅每兩年開啟一次，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:登入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。

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。

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。

雖然現在出門也不容易，但是去火星旅行更困難。

唐代大詩人李白從長安出發去四川自駕遊，翻越秦嶺的時候累的李白大呼“蜀道之難難於上青天”。如果我們要去火星旅行，首先要做的一點就是要登上青天，飛到地球外邊去。對於現代的人類來講，離開地球也不是什麼難事。航天科技的飛速發展已經實現了人類飛出了地球，並登上了月球。人類製造的火星探測器也成功的登上了火星。但是人類要去火星旅行，親自去看看這顆紅色星球上的巍峨的奧林匹斯火山和寬廣的水手大峽谷還是不現實的。

圖示：火星上的奧林匹斯火山

如果現在我們有足夠的錢和時間，我們就可以去世界上任何地方去旅行。但是去火星可沒有這麼簡單。去火星旅行要面臨哪些困難呢？首先去火星路途遙遠，並且途中沒有什麼美景可以欣賞。我們經常說火星是地球的鄰居，感覺好像火星離我們很近似的。殊不知火星距離地球最近的時候也有5500萬公里。這個距離遠的足以繞地球赤道1375圈，從地球往返月球71次。

踏上前往火星的旅途後，我們將面臨長達6個月宇宙深空飛行。這可不是做高鐵或者是豪華遊輪，還可以享受沿途的美景。在宇宙飛船中前往火星就要忍受幽閉狹小的空間、零重力、致命的宇宙輻射，飛船外面漆黑一片。即便是帶上撲克麻將這六個月黑暗旅途也會讓人瘋掉的。

圖示：飛往火星

其次，我們要在火星上呆兩年。在熬過了漫長的6個月的旅途終於抵達火星。這時候你要祈禱宇宙飛船能夠平安的在火星著陸。當我們成功降落火星後還不能馬上就走出宇宙飛船去欣賞奇妙的火星風光。我們還要適應一下火星上的重力環境。我們在無重力的宇宙中飛行了大半年的時間，來到火星地表後我們可能無法克服火星的重力站起來。雖然火星的重力只有地球的五分之二。這就像我們在水中呆了很長一段時間後又到陸地上一樣，感覺身體很沉重。

圖示：來到火星

身體充分適應後，我們就可以穿上宇航服，背上氧氣罐興高采烈的艙欣賞火星美景了。但是這種興奮勁可能持續不了幾天就沒有了。火星上的空氣稀薄，氣溫可能會降至零下一百度。在寒風中欣賞著荒涼的火星，不知道這是一種什麼滋味。火星和地球上的戈壁沙漠沒有什麼兩樣？早知道是這樣還不如到地球上的沙漠中看看呢？可是這時候想馬上回去已經不可能了。來到了火星就必須要在火星上呆上兩年，不然我們無法再次回到地球。

圖示：地球上最像火星的阿塔卡馬沙漠

兩年後，火星和地球再次距離最近。我們終於可以踏上回家的路了，這是長達半年的回家之路。在返回地球的路上，我們會想“再也不去火星了，還是地球好啊”

朋友們覺得去火星旅行困難嗎？

今天我要跟你說一條大新聞。

7月23號，也就是今天，如果天氣條件合適的話，咱們國家的火星探測器“天問一號”就要發射了。要說這探索火星，是非常不容易的，科學家們甚至給火星起了個外號，叫“探測器的墳墓”。

第69屆國際宇航大會上展出的天問一號模型©Pablo de León‎

那探測火星怎麼這麼難呢？這個問題，我專門請教了《宇宙探秘課》的高爽老師，下面我就給你說一說。

首先，火星離地球的距離非常非常遠。火星離地球最近的時候，也比月亮到地球遠100多倍。探測器飛到火星，得花6-7個月的時間。這個過程裡，要保證探測器不會跑偏了，不出任何故障，這件事本身就很不容易了。

火星

另外你想，既然去一趟火星這麼不容易，探測器上肯定會裝很多探測裝置吧？想把這麼沉的裝置一塊送上天，普通的火箭可搞不定。咱們國家這次就用了最新型的長征五號火箭來發射探測器。

闖過了這兩關還沒完，更難的還在後頭呢。這次，咱們國家的探測器會落在火星表面上。這個降落的環節，才是最大的挑戰。

因為火星的空氣比地球稀薄很多，所以降落傘也兜不住風，減速效果不太明顯。探測器只用7、8分鐘就能降落到火星表面上。

這是什麼概念呢？如果從地球往火星探測器上發一條命令，最快也要4分鐘才能送達。

假如探測器正準備降落呢，你突然發現了一個問題，就給探測器發命令，讓它先別降落。等探測器收到的時候，都已經落了一半了。這時候探測器肯定會發訊息問你該怎麼辦吧？等你收到訊息的時候，探測器早就一頭撞到地面上了。

你看，探測器在往火星降落的這段時間裡，還來不及完成一次通訊。

要怎麼辦呢？火星探測器就只能靠自己了，它得自己躲避障礙物，自己分析狀況，採取措施。

比如裝著好奇號火星車的探測器，它在降落到火星表面的過程中，自己完成了1000多個動作。只要有一個動作沒有控制好，整個任務可能就失敗了。這聽起來就很難對吧？可這還沒完呢。

好奇號

天問一號裡頭，裝著一輛火星車。如果探測器著陸的位置不合適，火星車可能一步也開不動，或者剛一開出去就跌下了懸崖。

另外，除了火星車，探測器上往往還帶著很多科學儀器。這些儀器都是在地球上製造的，到了火星還不能用呢？這就不一定了。這是火星探測的另一個難關。

你看，探測火星是不是很難啊？難怪科學家稱它是探測器的墳墓呢。