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【新要闻】载人登陆火星有哪些难题需要攻克？

来源：科普中国

载人火星探测在探索地外生命、带动科技发展、实现星际移民、促进人类社会进步等方面具有重要意义。经过长期探索实践和研究讨论，国际航天界基本将载人火星探测确定为未来30年载人深空探测的远景目标，并以此为基础开展研究工作和工程规划。那么，载人火星探测要怎样实现？需要攻克哪些难关？

难题来自距离遥远

2000年前后，随着近地轨道载人航天发展成熟和对火星认知的不断深入，各航天大国纷纷提出载人火星着陆探测的方案，如美国的“设计参考任务”、“火星直达”、“星座计划”，俄罗斯的载人火星探测计划等，并持续开展实验研究和技术储备。


(相关资料图)

载人火星探测与载人月球探测有很多相似之处，基本遵循地球表面发射、在轨组合、深空运输、地外天体进入和着陆、航天员登陆探测、地外天体起飞、轨道交会、返回再入地球等任务流程。人类在50多年前就能登上月球，但想要登陆火星还是困难重重。

困难主要来自遥远的距离。由于绕太阳公转速度不同，地球与火星每26个月出现一次交汇窗口，最近距离5500万公里，最远则有4亿公里，以目前常规动力推进系统的能力，飞船去往火星单程时间至少6个月，地球与火星的通信时延在6-44分钟。

从火星返回同样需要等待时间窗口，如果是20天左右的短期任务，到达即返回，火星任务周期大概需要500天。如果是长期任务，航天员在火星表面工作时间在500天左右，整个任务周期将持续3年以上。

这是一段漫长而孤独的旅程，除了探测活动所需的各种设备仪器，最重要的是为航天员提供良好的生活环境和生存物资。粗略计算，载人火星探测需要从地球发射载人飞船、货运飞船、火星着陆器、火星居住舱等，重量大约1000吨，相当于发射200个天问一号探测器。相比之下，载人登月的发射重量只有50吨。

集结装配与深空运输

1000吨重量用现有火箭发射是不可能实现的，载人登陆火星的基础是重型火箭，如果运载能力达到100吨，发射次数可以减少到10次。

“星舰”登陆火星示意图

根据最新的火星任务设想，火星探测首先将各个任务模块发送到地球轨道，在这里集结组装，构建两个庞大的飞行器。一个是载货运载器，负责将登陆和探测设备投送到火星，开展先期无人探测和生产作业。另一个是载人运载器，负责将航天员安全送往火星。

这一阶段主要面临在轨集结装配、轨道设计、空间推进和能源方面的难题。

载人登火飞行器规模庞大，其中推进剂占比最多，占据总重量的四分之三以上。基于当前的推进系统，优化飞行器规模的主要途径是采用比冲最高的低温推进剂，减少重量，提高飞行速度，缩短任务时间，从而降低火星探测的难度，不过这种方法潜力有限，而且低温推进剂的贮存也是个大问题。

终极解决方案还是研发核推进技术。如果开发出新型的核电推进系统，推进剂的重量就能大幅降低，甚至可以把任务系统的总重量控制到150吨左右，任务规模减小了，飞行速度就可以大幅提高，火星任务时间也会缩短。

近些年来，各航天大国都投入很大精力研究核推进技术，目前的重点是解决反应堆小型化、高可靠，以及安全防护的问题，避免航天员和飞船仪器设备受到核污染。

最凶险的火星着陆

火星着陆是载人火星探测最危险的阶段，需要克服下降减速、障碍规避、着陆精度和自主控制等方面的难题。火星有微薄大气，着陆器高速进入时与空气摩擦产生大量气动热，需要做好热防护，同时火星大气稀薄，减速伞效果不明显，需要设计新型反推力器来降低速度。

载人登火的登陆重量远超以往，现有减速装置都不能满足要求，研究人员必须经过反复论证设计和试验验证，采用各种手段，保证设备和航天员安全着陆。

火星大气复杂多变，受温度、季节和光照影响大，会对着陆过程造成严重干扰，火星地形崎岖，可能误导着陆器过早或过晚打开降落伞，甚至与障碍物碰撞，这些都对高精度障碍检测和规避技术提出很高要求。

火星任务中货运飞船和载人飞船分批次到达火星表面，着陆精度要控制好，否则航天员将不得不跨越漫长距离去寻找物资，给任务增加很大的风险和麻烦。

此外，受通信时延影响，以及下降过程中火星大气摩擦引发的通信黑障，地球控制中心难以为着陆过程提供实质性帮助，降落过程主要依靠自主控制，需要研究更先进的制导控制技术，提高载人登火星的自主性、可靠性与安全性。

照顾好航天员生活

火星任务周期长，太空环境恶劣，虽然有生命保护系统的维持，航天员长期在辐射、微重力的狭窄空间中工作生活，与地球交流困难，难以获得补给和帮助，从生理到心理上都面临前所未有的严峻考验。

火星基地想象图

对此，载人火星探测需要更先进的辐射安全和医疗保健技术，提供完善的医疗诊断与治疗设备，同时为航天员提供可长时间保存和营养丰富的食物，以及各种放松和娱乐手段，缓解航天员在孤立狭窄环境中的生理和心理压力，保持身心健康。

在环境控制上，很多国家正在研究生物再生式生命保障技术，利用生物循环，净化空气和水，处理废物、生产食物，减少从地面携带的物资。

这项技术涉及植物、动物、微生物等多学科与综合技术，要控制小型生态系统中的气压、气体成分、温湿度等大气环境，维持环境稳定，解决植物栽培、动物饲养、废物处理等问题。

美国、俄罗斯等开展了一些研究。美国宇航局在月球—火星生保试验中，进行了4人90天的物质闭环试验，实现氧气和水的完全再生，食物25%再生，并把大部分可降解废物降解循环利用。

未来展望 空间广阔

载人火星探测是人类走向深空的重要阶段。载人火星探测任务飞行阶段多，飞行距离远，环境复杂恶劣，面临大量的技术难题。目前基于常规推进系统的载人火星探测任务，部分技术已得到验证，在充足预算支持情况下，人类可以逐步实现登陆火星表面。

美国、俄罗斯等都将载人火星探测确立为载人深空探测的远景目标。美国以载人登月为跳板，瞄准本世纪30年代登陆火星，制定从低地球轨道到地月空间，再到火星轨道，最终抵达火星表面的探索路线，并以此为目标开展演示验证、关键技术研发和能力储备。

俄罗斯将近地轨道空间站、载人登月和载人火星探测作为后续载人航天发展的重点方向，从2009年起陆续开展了两次载人火星探测大型地面模拟试验。

国际航天界以远景目标为牵引，逐步发展和积累关键系统与核心能力，阶段性地开展验证任务。随着航天工程继续取得各方面的革命性进步，尤其是热核推进系统取得突破，人类终将登陆火星，获得更广阔的发展空间。

关键词： 火星探测 火星任务 火星大气

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