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　　出品：科普中國

　　作者：矛隼工作室

　　監制：光明網科普事業部

　　探索其他星球，一直人類航天的最大愿望之一。人類在上個世紀登上了月球，并留下了腳印，但這只是個距離地球三十八萬公里的衛星，不是一個真正的行星。

　　而火星，這個距離地球足夠近，又有可能被殖民的行星，是人類自航天時代開始以來就試圖征服的對象。

　　火星與月球截然不同之處的在于距離，地球和火星都在同時距離火星公轉，這使得兩個星球的距離有時極其遠，有的時候相對較近，但是最近的時候也有五千五百萬公里。

　　每過兩年左右，火星和地球就會接近一次，每過15-17年就會最為接近。換言之，每過兩年，才會有一個可供發射的發射窗口，16年才能等到一次最佳時機。

　　然而，趕著窗口期去容易，但是回來可就費勁了，趁著窗口期返航極為困難，而要不然就要足足再等一個窗口期返程。

圖為地火霍曼轉移軌道，也是最為節省燃料的軌道（圖源航天愛好者網）

　　最初的計劃來自于土星五號火箭的設計師沃納·馮·布勞恩，他所設想的是一個龐大的“遠征艦隊”，由十艘宇宙飛船和七十個船員組成。而這只遠征艦隊將在地球軌道上建造，總噸位超過三萬七千噸，而其中的絕大部分都是返程的燃料。但隨著航天逐漸從想象變為現實，大家逐漸意識到人類的航天發射能力并沒有這個計劃中的如此強大，這一計劃也隨之作廢。

圖為上個世紀馮·布勞恩設想的火星遠征艦隊（圖源航天愛好者）

　　三十年前，NASA展開了一項研究，這份研究規劃了1990年之后的NASA發展方向。在新的研究中，NASA計劃了一個重達1300噸的火星飛船，這雖然相對于上一個計劃可以說是十分微縮。但考慮到人類目前最大的太空結構——國際太空站——也不過只有400噸，這一計劃依然顯得非常驚人。

　　經過重重發展，NASA最終產生了現在的登火組合體計劃。登火組合器是一個數百噸的組合飛船，將于軌道上組合建造，然后前往火星。總體而言還算是承接了馮·布勞恩的設想。只不過是飛船噸位越來越小，航天員將在飛船中生存數百天直到返回地球。

　　用于制造登火組合體的火箭的是SLS太空發射系統運載火箭，這種運載火箭的后期貨運型運力高達130噸，甚至可能達到165噸之多。

圖為SLS太空發射系統block2型的結構圖（圖源NASA）

　　登火組合體類似于一個擺渡船，并不具備下降至星球表面的能力，真正用于著陸的是獨立設計的下降體飛船。而其返回則有兩種不同的方案，其中之一是使用類似于阿波羅計劃的方案，那就是上升段是下降飛船的一部分，返航時上升段脫離下降飛船獨立返回。

　　但是，火星不僅重力較大，還有稀薄的大氣層產生阻力，這使得火星上升段的要求遠遠大于阿波羅計劃。另一方面，阿波羅計劃在月球上的停留時間遠遠低于火星任務的時間。

　　方案二則是在計劃開展之前幾年就發射一個飛船，這個飛船將獨立運送加注好燃料的上升飛船（地球返回載具）。在完成長時間探索計劃之后的火星宇航員們，將放棄其著陸飛船，并使用提前預置好的上升飛船返回軌道上的登火組合器。

　　不過，眾所周知的是，著陸時可能有諸多危機。這使得著陸飛船很有可能無法降落在預定位置，也就導致他們將與上升飛船相距極遠，大大增加了計劃的不穩定性不安全性。此外，提前預置的上升飛船將暴露在火星環境下兩年或者更長，一旦上升飛船出現故障，后果不堪設想。

圖為“地球返回載具”（ERV，Earth Retuen Vehicle）的想象圖（圖源航天愛好者）

　　NASA的方案尚未確定，而SpaceX也有自己的火星計劃，這個計劃的相比于NASA的方案更加大膽和激進。其技術設想來自于祖步林博士，最大的特點就是，宇航員們將在火星上自行制造燃料。

　　SpaceX在原計劃中將建造一個起飛重量高達一萬兩千多噸的復用超級火箭，進入軌道之后由加油船補給燃料，然后在三個月的行程里抵達火星。其飛行員將在火星著陸，并使用大氣中的二氧化碳和水反應形成甲烷，并隨后重新加注在其著陸飛行器中，在任務結束時起飛返回地球。

圖為spaceX的火星方案（圖源航天愛好者）

　　如此之多的火星探索方案，其實都寄托了人類試圖探索外星的期盼。地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠在搖籃中生活，NASA的火星計劃，或許能夠真正助力人類成為一個多行星的物種。