登陆火星？可没那么容易

　　听起来可能不可思议，太阳系中人类造访最多的地外行星——火星——竟然是太阳系中最难访问的地方之一，特别是如果你想带上很多行李。
　　艺术家笔下火星科学实验室进入绕火星轨道（图片来源：NASA/喷气推进实验室）
　　随着人类的雄心日益增长，我们开始考虑派遣宇航员探索火星——甚至可能已经开始未来的殖民活动。这都需要我们解决太空探索中最大的问题之一—要将重型有效载荷成功送达并降落在火星表面真的很难！
　　登陆火星存在许多挑战，包括缺乏保护性的磁场，较低的引力，以及寒冷的温度。还有就是火星大气的二氧化碳成分很高。如果你不穿太空服站在火星表面的话，即使不被冻死也会因为缺氧而窒息。
　　但与上述困难相比，最大的问题却是火星大气实在太稀薄，以至于火星上的气压不到地球的1％。事实证明，这种稀薄的大气使得将大量有效载荷安全地降到红色星球表面变得非常具有挑战性。事实上到目前为止，只有53％的火星任务是按计划正常运作的。
　　在这篇文章里，我将回顾那些之前的火星任务，并且详细描述载人探索火星的具体挑战。登录火星是最糟的
　　历史上，飞往火星的任务基本会在每两年一次的火星发射窗口期间从地球发射。这段时间发射的飞行器从地球飞往火星的路线相对最短，所需要的时间也相对最少。欧洲空间局和俄罗斯宇航局联合研制的ExoMars第一部分于2016年3月14日发射升空，当年10月进入火星轨道；美国宇航局的火星观察者（Insight）在2018年5月5日发射升空，并于当年11月26日在火星表面成功着陆；美国宇航局的火星2020巡游者（Mars 2020 rover）将于2020年7月17日发生，计划在2021年2月18日在火星着陆。这些任务都遵循行星间转移轨道，旨在以最快或最少的燃料到达目的地。
　　当宇宙飞船进入火星大气层时，它的速度达到每小时数万公里。在平缓地降落在红色星球表面之前，它必须通过某种方式进行减速。
　　艺术家对火星观察者着陆器进入火星开始进入、下降和着陆（EDL）阶段的想象图（图片来源：NASA）
　　在地球上，我们可以利用厚厚的地球大气层来减缓下降，使用隔热罩降低飞船速度。已经退役的航天飞机的隔热瓦就是设计用于吸收再入大气层所产生的空气摩擦热量，从而将这个重达77吨的轨道飞行器的时速从每小时两万八千公里降到零。同样的技术也适合于在金星和木星登陆，因为它们具有和地球类似的浓密大气层。
　　在没有任何大气的月亮上降落也是相对简单的。在没有任何大气层的情况下，不需要隔热罩，只需使用推进器来减慢速度，降低轨道，直到在地面上着陆。只要携带足够的推进剂，我们就可以平稳降落。
　　回到火星探测任务。一般情况下，飞船会以每小时20,000公里左右的速度进入其稀薄的大气层。我们既不能采用地球上的降落策略，通过大气摩擦和阻力令飞船降速，又不能采取月球上的降落策略，完全依靠飞船推进器减速。火星上经常发生的沙尘暴，将进一步增加我们的降落难度。＂好奇（Cuirisity）＂号火星探测器已是当前技术极限
　　传统上，火星探测任务开始降落时，飞船的整流罩会帮助减少一些飞船的飞行速度。有史以来，送往火星表面最重的探测器是美国宇航局在2011年11月26日在卡纳维拉尔角发射的＂好奇（Cuirisity）＂号火星漫游车，它的总重达到2200磅（约1吨）。当它在第二年的8月6日进入火星大气层时，飞船的速度为每秒5.9公里，即每小时22,000公里不到一点。
　　好奇号是迄今为止发射到火星的最大的飞行器，最长处有4.5米。它那巨大的整流罩有一定的倾斜角度，允许飞船在进入火星的稀薄大气层时进行机动，以便在选定的着陆区着陆。
　　在距火星表面大约131公里的高度，飞船的推进器开始点火，将飞船调整到一个完美的着陆轨道。在经过大约80秒的大气层飞行后，隔热罩上的温度升至2100摄氏度。为了不让飞船烧毁，隔热罩使用了一种称为酚醛浸渍碳烧灼（Phenolic Impregnated Carbon Ablator，PICA）的特殊材料。顺便提一下，SpaceX在载人＂龙＂飞船上使用了相同的材料。
　　好奇号登陆器进入火星大气直到打开降落伞示意图
　　当飞船的速度减慢到低于2.2马赫后，飞船会释放一个直径16米，为火星任务建造过的最大降落伞。这个降落伞可以产生29,000公斤的阻力，进一步降低飞船的下降速度。降落伞的悬挂线由Technora芳纶纤维和凯夫拉（Kevlar）制成，这是我们所知道的迄今为止最强和最耐热的材料。
　　然后它抛弃了降落伞，并使用火箭发动机进一步减缓飞船的下降速度。当它离火星地表足够接近时，好奇号使用了一个空中吊车，将火星车缓缓地降低到地面。
　　好奇号抛弃降落伞，释放空中吊车，最后着陆示意图
　　上面是好奇号着陆过程的一个简略版本。如果你想全面了解好奇号登陆火星的情况，我强烈建议你去读一读由Emily Lakdawalla写的《好奇号的设计和工程建造》（美亚上有购买）一书。
　　好奇号使用空中吊车完成火星漫游车着陆的最后一步（艺术想象图来自NASA喷气推进实验室）同样的技术不能被放大使用
　　可是好奇号只有一吨重。我们也许会问，通过使用更大的气动整流罩，更大的降落伞，更大的空中吊车是不是就能够将更重的飞船降落到火星表面呢？从理论上讲，SpaceX＂星舰（Starship）＂可以把重达100吨的人员和货物送到火星表面。
　　艺术家笔下的SpaceX＂星舰＂想象图（图片来源：SpaceX官网）
　　这就是问题所在。好奇号在火星大气中减速的方法不能被有效的放大，以便使用在更重的登陆飞船上。
　　首先，让我们从降落伞开始吧。说实话，1吨重的好奇号大概是可以使用降落伞降落的最大重量。工程师目前找不到任何材料可以承受降落更重飞船所需要的减速负载。
　　几个月前，美国宇航局的工程师们刚刚庆祝了先进超音速降落伞打开研究实验（Advanced Supersonic Parachute Inflation Research Experiment，ASPIRE）的成功测试。这是将用于火星2020（着陆器名称：火星2020巡游者）探测任务的降落伞。
　　技术人员把由尼龙，Technora芳纶纤维和凯夫拉等先进复合材料制成的降落伞放在一个探空火箭里，并将其发射到37公里的高度，模仿太空船到达火星时的体验。该降落伞在几分之一秒内被释放，并完全打开，期间经历了32,000公斤的拉力。想象一下，如果你当时在飞船上，那么你承受的拉力相当于系着安全带以每小时100公里的速度撞到墙壁时受到的拉力的3.6倍。恕我直言，你在这种情况下会直接挂掉。
　　忘了乘客本身，目前也没有任何复合材料织物可以制作出一个降落伞，来承受更重的飞船产生的减速拉力。
　　美国宇航局一直在尝试不同的方法，以便在火星上着陆更重，例如多达3吨，的有效载荷。
　　一个方法被称为低密度超音速减速器（Low Density Supersonic Decelerator，LDSD）。该想法是使用一个更大的空气动力学减速器，当它进入火星引力范围时会像充气城堡一样在航天器周围充气。
　　低密度超音速减速器（LDSD）的艺术想象图（图像来源：NASA）
　　2015年，美国宇航局实际测试了这项技术，在一个探空气球上装载了一艘原型飞船。该原型飞船在36公里高空点燃了自身的固体火箭，将其继续推送到海拔55公里处。在向上飞行的同时，它将超音速充气式空气动力减速器（Supersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator）充气至直径6米（或20英尺）。然后，该减速器把飞船减速至2.4马赫。不幸的是，在实验的最后阶段，它的降落伞未能正确释放，飞船最后坠入太平洋。
　　但这仍然是一个重大胜利。如果我们能够真正完成工程建造，并能够在物理上证明其在火星环境中可行。那么有朝一日，我们可以看到3吨重的宇宙飞船在火星表面降落。更多的推进剂，更少的货物
　　增加火星着陆重量的下一个想法是使用更多的推进剂。理论上，我们可以携带更多的燃料。当到达火星后，启动火箭发动机将速度完全降到零。当然，问题在于用于减速的质量越大，实际可以降落在火星表面的有效载荷质量就越小。
　　预计SpaceX的＂星舰＂将使用这种反推式着陆将100吨的负载降落到火星表面。由于采取更直接，更快的路径，＂星舰＂将以超过8.5公里/秒的速度进入火星大气层，然后使用空气动力来减速。当然，它实际并不需要这么快。星舰可以使用空中制动，通过多次穿过高层大气以削减速度。事实上，这是前往火星的轨道太空船所使用的减速方法。但是使用这种方法的话，船上的乘客就需要花费数周的时间等宇宙飞船减速并进入火星周围的轨道，然后再下降到大气层。
　　艺术家笔下SpaceX的＂星舰＂在火星降落（图像来源：SpaceX）
　　根据埃隆∙马斯克的说法，他处理这些热量令人愉快的，不直观的策略是用不锈钢制造飞船。然后通过分布在外壳上的小孔将甲烷燃料排出，以保持飞船的迎风面冷却。瞄准地面，在最后一分钟拉起来
　　把飞船减速并降落到火星表面的燃料每多一公斤，能够带到地面的货物就少一公斤。要解决这一问题，就需要一些新的思路。
　　最近，伊利诺伊大学厄巴纳∙香槟分校航空航天系的一项新研究表明，未来的火星任务可以利用更接近火星表面的更浓厚大气层。研究人员在一篇题为《火星飞船高弹道系数降落轨道选项》的论文中提出，飞向火星的飞船不需要急于减少它们的速度。当飞船进入大气层时，它仍然能够产生大量的气动升力，可以用来引导它穿过大气层。
　　他们进行了计算，发现理想的角度是让飞船垂直下降直接俯冲向地面。然后，在最后时刻，使用气动升力向上拉升，在大气的最厚部分向侧方移动。这会增加阻力，使飞船在启动下降引擎并完成动力着陆之前，减去其大部分的速度。
　　目前来看，这是一个值得深入研究的有趣想法。总结陈词
　　如果人类想在火星表面建立一个可行的未来，我们将需要解决这个问题。我们需要开发一系列技术，使登陆火星更加可靠，安全，和有效。