登陆火星究竟有多难

付毅飞

进入火星大气时，探测器能接收到的遥测信号很微弱;当它运行到火星背面时，地球上又无法准确获取其轨道参数。再加上通信延时的影响，火星着陆过程完全需要探测器自主完成……整个过程被称为“恐怖7分钟”，许多探测器都在此功亏一篑。

2019年8月，国家航天局对外发布我国首次火星探测任务科学目标先期研究团队招募公告。据悉，此次计划将于2020年实现火星环绕、着陆和巡视，对火星开展全球性、综合性的环绕探测。

而据全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩介绍，登陆火星任务分为发射、巡航、下降和着陆、表面操作几个阶段。即使是无人探测器，想要登陆火星也是困难重重，再带上宇航员，难度将倍增。

飞向火星：超远距离带来大困扰

火星距离地球最近时超过5000万公里，最远约4亿公里，是地月距离的上千倍。这样的距离带来了一系列麻烦。

第一个问题是通信。庞之浩介绍，无线电信号在火星与地球间往返一次，延时最长可达40分钟。信号衰减也很严重，其强度仅为从月球发回信号的百万分之一。

因此，对于飞船变轨、近火制动等精度要求极高的操作来说，等待地面指令无疑是行不通的。而要由飞行器独立完成这些操作，就要求它具有很强的自主能力。

由距离造成的另一个问题是飞行时间。基于现有技术，飞行器从地球飞到火星需要8个月。种植蔬菜可以满足宇航员的口味和营养需求，但长期失重环境以及空间辐射对人体健康造成的影响，科学家们还在苦苦寻找对策。

除了健康问题，宇航员还将面临心理上的挑战。试想，6个人在狭小的舱内关8个月，每天飘在一起面面相觑，还要不时经历难以预知的风险，那滋味简直比坐牢还难受。虽然许多国家开展过各种试验，模拟火星飞行、登陆过程，但地面演习毕竟无法跟太空实践相提并论。

最直接有效的解决办法是缩短这段旅程，但这需要宇航运载工具迎来变革。庞之浩介绍，美国与俄罗斯正在联合研制核动力火箭，能将火星旅行时间缩短到2个月。但该方案不仅存在众多技术难题，还有一个严重的副作用——核动力产生的辐射，相当于让宇航员每天拍8次X光片。与核动力相匹配的防辐射措施问题，目前尚待攻克。

另外，拥有四分之一华人血统的美国前宇航员张福林，其成立的公司正在设计一款“可变比冲磁等离子体火箭”。这种核电火箭据说仅需1个月就能飞到火星。但相关技术还处于研究阶段，距离工程应用遥遥无期。

降落着陆：“恐怖7分钟”考验科技力量

目前看来，宇航员需先熬过8个月的“磨炼”，才能看到火星。当飞船精准完成近火制动后，他们将迎来火星旅程中最凶险的阶段——降落着陆。

庞之浩说，进入火星大气时，探测器能接收到的遥测信号很微弱;当它运行到火星背面时，地球上又无法准确获取其轨道参数。再加上通信延时的影响，火星着陆过程完全需要探测器自主完成。这一阶段，探测器的防热措施是否可靠，各种着陆相关设备能否按程序工作都至关重要。整个过程被称为“恐怖7分钟”，许多探测器都在此功亏一篑。

除了上述风险，载人飞船在火星着陆的方式也需要研究。由于火星大气密度仅为地球的1%，降落伞作用有限，只能作为辅助手段之一。截至目前，人类火星探测器的着陆方式主要有三种：包括“勇气号”“机遇号”采用的气囊弹跳式、“洞察号”采用的反推发动机+着陆腿式以及“好奇号”所用的“空中起重机”式。

但是，以上方式都属于无人探测器。即使是最重的“好奇号”，也不过960公斤，就已将现有方案用到了极致。而未来载人火星着陆器的重量可能超过20吨，上述方法均不适用。

为此，美国国家航空航天局（NASA）从2011年就开始进行“低密度超声速减速器”技术验证，并在随后几年间开展了数次试验。

龐之浩介绍，该技术由“超声速充气式气动减速器”和“巨型超声速环帆降落伞”组成。其中，气囊式的减速器部署在碟形着陆器外缘，当着陆器落向火星时，减速器会充气增大阻力面积，把下降速度从3.5倍音速降至2倍音速左右，达到降落伞安全展开条件。随后，直径33米的巨型降落伞展开，把降落速度减至亚音速。

这项技术被誉为“能够颠覆规则的技术”。庞之浩表示，随着该技术的发展，配合由四五个降落伞组成的多伞系统，有望使火星表面软着陆方式所能承受的重量提高到15吨。

但该技术发展并不顺利，高空试验连续遭遇失败。直到2017年，该技术高空试验才终于取得成功。

不过，现在谈论载人火星着陆器还为时过早，NASA目前还在为载人登月着陆器招标。

地表生存：辐射与风暴的死亡威胁

假设宇航员踏上了火星的土地，也不意味着从此就能过上平静安逸的生活，火星上恶劣的环境早已恭候多时。

由于大气密度低，火星上的辐射很强。中国科学院国家天文台研究员郑永春介绍，宇宙中危害健康的辐射粒子主要有两类：一是太阳耀斑和日冕物质抛射时产生的太阳高能粒子;二是剂量较低但长期存在的银河宇宙射线。尤其是后者能量高、穿透性强，即使是30厘米厚的铝板，防护效果也很有限。

对此，只能寄希望于科学家尽早研制出既能有效阻隔辐射，又能穿上走得动的宇航服。

此外，火星上的风暴也让人“闻风色变”。庞之浩说，火星风暴能达到地球12级台风的6倍，掀起的沙尘遮天蔽日，有时能持续几个月。2018年，美国“机遇号”火星车就是遭遇沙尘暴而“阵亡”。

有着这么多“限定条件”，美国能在21世纪30年代实现载人登陆火星的计划吗？

截至目前，NASA并未确定载人登陆火星方案，科学家们倒是提出过各种设想：包括以月球基地为中转站;以月球轨道空间站或地月拉格朗日L2点空间站为跳板;甚至“抓”一颗小行星当跳板等。不过现在人类尚未实现重返月球，这些“跳板”更不知何时才能搭起来。

庞之浩表示，按照当前航天技术的发展，月球中转站等设想并非不能实现。包括美国洛马公司此前披露的“火星大本营”计划，虽然需要进行多次发射入轨，以及复杂的在轨交会对接和在轨加注，但都是基于目前已经掌握的技术，只需十年左右就能实施。

他认为，未来十多年时间内，载人登陆火星涉及的技术问题有望得到解决，但关键在于任务方案能否坚持如一，资金是否能持续投入。如果随着政府更迭，航天计划也不断变更，那将会给推动计划进程带来困扰。

（《科技日报》）