登陸火星？可沒那麼容易

火星地球太陽系月球美國國家航空航天局火星探測設計航天飛機技術木星 SpaceX 宇宙飛船金星文章稀星天外 2019-04-23

聽起來可能不可思議，太陽系中人類造訪最多的地外行星——火星——竟然是太陽系中最難訪問的地方之一，特別是如果你想帶上很多行李。

藝術家筆下火星科學實驗室進入繞火星軌道（圖片來源：NASA/噴氣推進實驗室）

隨著人類的雄心日益增長，我們開始考慮派遣宇航員探索火星——甚至可能已經開始未來的殖民活動。這都需要我們解決太空探索中最大的問題之一—要將重型有效載荷成功送達並降落在火星表面真的很難！

登陸火星存在許多挑戰，包括缺乏保護性的磁場，較低的引力，以及寒冷的溫度。還有就是火星大氣的二氧化碳成分很高。如果你不穿太空服站在火星表面的話，即使不被凍死也會因為缺氧而窒息。

但與上述困難相比，最大的問題卻是火星大氣實在太稀薄，以至於火星上的氣壓不到地球的1％。事實證明，這種稀薄的大氣使得將大量有效載荷安全地降到紅色星球表面變得非常具有挑戰性。事實上到目前為止，只有53％的火星任務是按計劃正常運作的。

在這篇文章裡，我將回顧那些之前的火星任務，並且詳細描述載人探索火星的具體挑戰。

登錄火星是最糟的

歷史上，飛往火星的任務基本會在每兩年一次的火星發射窗口期間從地球發射。這段時間發射的飛行器從地球飛往火星的路線相對最短，所需要的時間也相對最少。歐洲空間局和俄羅斯宇航局聯合研製的ExoMars第一部分於2016年3月14日發射升空，當年10月進入火星軌道；美國宇航局的火星觀察者（Insight）在2018年5月5日發射升空，並於當年11月26日在火星表面成功著陸；美國宇航局的火星2020巡遊者（Mars 2020 rover）將於2020年7月17日發生，計劃在2021年2月18日在火星著陸。這些任務都遵循行星間轉移軌道，旨在以最快或最少的燃料到達目的地。

當宇宙飛船進入火星大氣層時，它的速度達到每小時數萬公里。在平緩地降落在紅色星球表面之前，它必須通過某種方式進行減速。

藝術家對火星觀察者著陸器進入火星開始進入、下降和著陸（EDL）階段的想象圖（圖片來源：NASA）

在地球上，我們可以利用厚厚的地球大氣層來減緩下降，使用隔熱罩降低飛船速度。已經退役的航天飛機的隔熱瓦就是設計用於吸收再入大氣層所產生的空氣摩擦熱量，從而將這個重達77噸的軌道飛行器的時速從每小時兩萬八千公里降到零。同樣的技術也適合於在金星和木星登陸，因為它們具有和地球類似的濃密大氣層。

在沒有任何大氣的月亮上降落也是相對簡單的。在沒有任何大氣層的情況下，不需要隔熱罩，只需使用推進器來減慢速度，降低軌道，直到在地面上著陸。只要攜帶足夠的推進劑，我們就可以平穩降落。

回到火星探測任務。一般情況下，飛船會以每小時20,000公里左右的速度進入其稀薄的大氣層。我們既不能採用地球上的降落策略，通過大氣摩擦和阻力令飛船降速，又不能採取月球上的降落策略，完全依靠飛船推進器減速。火星上經常發生的沙塵暴，將進一步增加我們的降落難度。

“好奇（Cuirisity）”號火星探測器已是當前技術極限

傳統上，火星探測任務開始降落時，飛船的整流罩會幫助減少一些飛船的飛行速度。有史以來，送往火星表面最重的探測器是美國宇航局在2011年11月26日在卡納維拉爾角發射的“好奇（Cuirisity）”號火星漫遊車，它的總重達到2200磅（約1噸）。當它在第二年的8月6日進入火星大氣層時，飛船的速度為每秒5.9公里，即每小時22,000公里不到一點。

好奇號是迄今為止發射到火星的最大的飛行器，最長處有4.5米。它那巨大的整流罩有一定的傾斜角度，允許飛船在進入火星的稀薄大氣層時進行機動，以便在選定的著陸區著陸。

在距火星表面大約131公里的高度，飛船的推進器開始點火，將飛船調整到一個完美的著陸軌道。在經過大約80秒的大氣層飛行後，隔熱罩上的溫度升至2100攝氏度。為了不讓飛船燒燬，隔熱罩使用了一種稱為酚醛浸漬碳燒灼（Phenolic Impregnated Carbon Ablator，PICA）的特殊材料。順便提一下，SpaceX在載人“龍”飛船上使用了相同的材料。

好奇號登陸器進入火星大氣直到打開降落傘示意圖

當飛船的速度減慢到低於2.2馬赫後，飛船會釋放一個直徑16米，為火星任務建造過的最大降落傘。這個降落傘可以產生29,000公斤的阻力，進一步降低飛船的下降速度。降落傘的懸掛線由Technora芳綸纖維和凱夫拉（Kevlar）製成，這是我們所知道的迄今為止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飛船的下降速度。當它離火星地表足夠接近時，好奇號使用了一個空中吊車，將火星車緩緩地降低到地面。

好奇號拋棄降落傘，釋放空中吊車，最後著陸示意圖

上面是好奇號著陸過程的一個簡略版本。如果你想全面瞭解好奇號登陸火星的情況，我強烈建議你去讀一讀由Emily Lakdawalla寫的《好奇號的設計和工程建造》（美亞上有購買）一書。

好奇號使用空中吊車完成火星漫遊車著陸的最後一步（藝術想象圖來自NASA噴氣推進實驗室）

同樣的技術不能被放大使用

可是好奇號只有一噸重。我們也許會問，通過使用更大的氣動整流罩，更大的降落傘，更大的空中吊車是不是就能夠將更重的飛船降落到火星表面呢？從理論上講，SpaceX“星艦（Starship）”可以把重達100噸的人員和貨物送到火星表面。

藝術家筆下的SpaceX“星艦”想象圖（圖片來源：SpaceX官網）

這就是問題所在。好奇號在火星大氣中減速的方法不能被有效的放大，以便使用在更重的登陸飛船上。

首先，讓我們從降落傘開始吧。說實話，1噸重的好奇號大概是可以使用降落傘降落的最大重量。工程師目前找不到任何材料可以承受降落更重飛船所需要的減速負載。

幾個月前，美國宇航局的工程師們剛剛慶祝了先進超音速降落傘打開研究實驗（Advanced Supersonic Parachute Inflation Research Experiment，ASPIRE）的成功測試。這是將用於火星2020（著陸器名稱：火星2020巡遊者）探測任務的降落傘。

技術人員把由尼龍，Technora芳綸纖維和凱夫拉等先進複合材料製成的降落傘放在一個探空火箭裡，並將其發射到37公里的高度，模仿太空船到達火星時的體驗。該降落傘在幾分之一秒內被釋放，並完全打開，期間經歷了32,000公斤的拉力。想象一下，如果你當時在飛船上，那麼你承受的拉力相當於繫著安全帶以每小時100公里的速度撞到牆壁時受到的拉力的3.6倍。恕我直言，你在這種情況下會直接掛掉。

忘了乘客本身，目前也沒有任何複合材料織物可以製作出一個降落傘，來承受更重的飛船產生的減速拉力。

美國宇航局一直在嘗試不同的方法，以便在火星上著陸更重，例如多達3噸，的有效載荷。

一個方法被稱為低密度超音速減速器（Low Density Supersonic Decelerator，LDSD）。該想法是使用一個更大的空氣動力學減速器，當它進入火星引力範圍時會像充氣城堡一樣在航天器周圍充氣。

低密度超音速減速器（LDSD）的藝術想象圖（圖像來源：NASA）

2015年，美國宇航局實際測試了這項技術，在一個探空氣球上裝載了一艘原型飛船。該原型飛船在36公里高空點燃了自身的固體火箭，將其繼續推送到海拔55公里處。在向上飛行的同時，它將超音速充氣式空氣動力減速器（Supersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator）充氣至直徑6米（或20英尺）。然後，該減速器把飛船減速至2.4馬赫。不幸的是，在實驗的最後階段，它的降落傘未能正確釋放，飛船最後墜入太平洋。

但這仍然是一個重大勝利。如果我們能夠真正完成工程建造，並能夠在物理上證明其在火星環境中可行。那麼有朝一日，我們可以看到3噸重的宇宙飛船在火星表面降落。

瞄準地面，在最後一分鐘拉起來

把飛船減速並降落到火星表面的燃料每多一公斤，能夠帶到地面的貨物就少一公斤。要解決這一問題，就需要一些新的思路。

最近，伊利諾伊大學厄巴納∙香檳分校航空航天系的一項新研究表明，未來的火星任務可以利用更接近火星表面的更濃厚大氣層。研究人員在一篇題為《火星飛船高彈道係數降落軌道選項》的論文中提出，飛向火星的飛船不需要急於減少它們的速度。當飛船進入大氣層時，它仍然能夠產生大量的氣動升力，可以用來引導它穿過大氣層。

他們進行了計算，發現理想的角度是讓飛船垂直下降直接俯衝向地面。然後，在最後時刻，使用氣動升力向上拉昇，在大氣的最厚部分向側方移動。這會增加阻力，使飛船在啟動下降引擎並完成動力著陸之前，減去其大部分的速度。

目前來看，這是一個值得深入研究的有趣想法。

總結陳詞

如果人類想在火星表面建立一個可行的未來，我們將需要解決這個問題。我們需要開發一系列技術，使登陸火星更加可靠，安全，和有效。