火星是一個如此有趣的地方，因為它實際上是太陽系中最難去的地方之一，尤其是如果你想帶很多“行李”的話。那顆行星是一些不太成功任務的墓地。
隨著我們不斷增長的雄心壯志，我們將需要解決太空探索中一個最大的問題。成功將重型有效載荷降落在火星表面真的很難。
在火星上面臨著一系列挑戰，包括缺乏保護的磁層和較低的表面重力。但其中最大的一個問題就是它稀薄的二氧化碳大氣層。如果你站在火星表面，不穿宇航服，你會凍死，缺氧窒息。
事實證明，這種稀薄的大氣層使得將重型有效載荷安全地送到火星表面變得極具挑戰性。事實上，實際只有53%的火星任務是正常運行的。
那麼，讓我們來談談火星任務在過去是如何工作的，這將向你展示問題所在。
登陸火星是最糟糕的
從歷史上看，火星任務是在每兩年左右，當地球和火星接近時從地球發射的。2016年的“ExoMars”任務，2018年的“洞察號”，2020年的“火星2020探測器”。
洞察號著陸器開始進入火星，下降和著陸階段的想象圖
這些飛行任務遵循星際轉移軌道，以最快的速度到達那裡，或者用最少的燃料到達那裡。
當宇宙飛船進入火星大氣層時，它正以每小時數萬公里的速度飛行。它必須以某種方式失去所有的速度，然後輕輕地降落在紅色星球的表面。
在地球上，你可以用厚厚的地球大氣層來減緩你的下降速度，用一個隔熱罩來降低你的速度。當77噸的軌道飛行器從每小時28000公里降到了零的過程中，航天飛機的防熱瓦設計用於吸收重返大氣層的熱量。類似的技術也可以用在金星或土衛六上，那裡有厚厚的大氣層。
沒有任何大氣層的月球也相對容易著陸。在沒有任何大氣層的情況下，就不需要防熱罩了，你只需使用推進器來減緩你的軌道並降落在地面上就行了。只要你帶了足夠的推進劑，你就可以著陸。
回到火星上，一艘宇宙飛船以每小時20000公里的速度衝入其稀薄的大氣層。
好奇號是極限
傳統上，飛行任務是從一個大氣層開始下降，以消除航天器的一些速度。發射到火星的最重的任務設備是“好奇號”，它的重量為1噸。
當它進入火星大氣層時，它的速度是每秒5.9公里，即每小時22000公里。
好奇號進入火星大氣層
在大約131公里的高度，宇宙飛船將開始發射推進器，以在接近火星表面時完美地調整軌道。
經過80秒的大氣層飛行，隔熱罩上的溫度上升到2100攝氏度。為了不熔化，防熱罩使用了一種特殊的材料，稱為酚碳熱燒蝕板(PICA)。順便說一句，SpaceX的龍飛船膠囊也用同樣的材料。
一旦它的速度降低到低於2700公里/小時，航天器打開了有史以來最大的降落傘，為火星任務建造的16米寬的降落傘。這個降落傘可以產生29000公斤的阻力，使它的速度更慢。
懸架線是由泰克諾拉縴維（Technora）和凱夫拉縴維（Kevlar）製成的，這兩種材料幾乎是我們所知的最強和最耐熱的材料。
然後，它拋棄了降落傘，並使用火箭發動機進一步減緩了它的下降速度。當它足夠接近時，好奇號部署的一臺天空起重機，將探測器輕輕地降到地面上。
這是快速版本。如果你想全面瞭解好奇號登陸火星的經歷，可以去查閱一下其他資料。
好奇號的天空起重機圖片，它輕輕地將探測器放在火星上
想用更重的有效載荷做同樣的事情嗎？我相信你想象的是更大的降落傘，更大的天空起重機。
理論上，SpaceX星際飛船將把總重100噸的殖民者及物資送到火星表面。問題是，在火星大氣中減速的方法不能很好地擴大。
首先，讓我們從降落傘開始。老實說，在1噸的時候，好奇號的重量相當於你使用降落傘所能達到的重量。在更重的情況下，沒有任何材料工程師能用它來處理減速負荷。
幾個月前，美國宇航局的工程師慶祝了超音速降落傘充氣研究實驗(ASPIRE)的成功測試。這是將用於火星2020探測器任務的降落傘。
ASPIRE有效載荷與其助推器分離
他們把由尼龍、泰克諾拉縴維和凱夫拉縴維等先進複合材料製成的降落傘放在探空火箭上，並將其發射到37公里的高度，模擬飛船到達火星時的情況。
降落傘在不到一秒鐘的時間內展開，並完全充氣，產生了32000公斤的力量。如果你當時在飛機上，你將會感受到3.6倍的力量，就像是帶著安全帶以每小時100公里的速度撞到牆壁上。換句話說，你活不了。如果航天器更重，它將需要由複合材料製成。
美國宇航局一直在嘗試不同的想法，將更重的有效載荷降落在火星上，比如，重達3噸的物體。
一種想法被稱為低密度超音速減速器（LDSD）。這個想法是使用一個更大的空氣動力學減速器，當航天器進入火星引力時，它會像一座有彈性的城堡一樣在太空船周圍膨脹。
低密度超音速減速器（LDSD）插圖
2015年，美國宇航局實際測試了這項技術，在36公里的高度上用氣球攜帶了一個原型飛行器。隨後，該飛行器發射了固體火箭，載著它飛到了55公里的高度。
當它快速上升時，它將超音速充氣式空氣動力減速器充氣至直徑6米，然後將其減速到3000公里/小時。不幸的是，它的降落傘沒有正確地展開，因此墜入了太平洋。
這就是進步。如果他們真的能搞清楚工程學和物理學，我們總有一天能看到3噸重的宇宙飛船在火星表面著陸。
更大的推進力，更少的貨物
下一個擴大火星登陸的想法是使用更多的推進器。從理論上講，你可以攜帶更多的燃料，在到達火星時發射火箭，並減慢速度。當然，問題是你攜帶的減速質量越大，你實際上可以降落在火星表面的質量就越少。
SpaceX星際飛船預計將使用推進式著陸，將100噸重的物品送到火星表面。因為它採取了一種更直接，更快的路徑，星際飛船撞擊火星大氣層的速度超過8.5公里/秒，然後利用空氣動力減緩進入速度。
當然，沒必要這麼快。星際飛船可以使用空氣制動，多次穿過高層大氣以消除速度。實際上，這就是軌道航天器前往火星時所採用的方法。
但是，飛船上的乘客需要花幾個星期的時間才能減速，進入環繞火星的軌道，然後在大氣層中降落。
根據埃隆·馬斯克(Elon Musk)的說法，他處理所有熱量的非直覺策略是用不鏽鋼製造航天器，然後殼體上的小孔將排放甲烷燃料，以保持航天器迎風一側的涼爽。一旦它釋放出足夠的速度，它就會轉向，啟動猛禽引擎，然後輕輕地降落在火星表面。
瞄準地面，在最後一刻停下來
宇宙飛船用來減緩其下降到火星表面的每公斤燃料都是一公斤它不能帶到火星表面的貨物。
我不確定有沒有任何可行的戰略，可以輕鬆地在火星表面降落更重的有效載荷。比一些人認為，如果不使用大量的推進劑，這幾乎是不可能的。
伊利諾伊大學厄巴納香檳分校航空系的一項新研究提出，火星飛行任務可以利用接近火星表面的較厚的大氣層。
在他們題為“火星上高彈道係數飛行器的進入軌道選擇”的論文中，研究人員提出，飛往火星的航天器不必急於擺脫它們的速度。
當航天器穿過大氣層時，它仍然能夠產生大量的空氣動力升力，這些升力可以用來引導它通過大氣層。
他們進行了計算，發現理想的角度是直接指向宇宙飛船並俯衝到地面。然後，在最後一個可能的時刻，利用空氣動力升力向上拉起，在大氣最厚的部分橫向飛行。
這會增加阻力，讓你在打開下降引擎並完成動力著陸之前，擺脫大部分速度。
如果人類要在火星表面建立一個可行的未來，我們就需要解決這個問題。我們需要開發一系列技術，使火星著陸更加可靠和安全。