登陸火星究竟有多難

付毅飛

進(jìn)入火星大氣時(shí)，探測器能接收到的遙測信號很微弱;當(dāng)它運(yùn)行到火星背面時(shí)，地球上又無法準(zhǔn)確獲取其軌道參數(shù)。再加上通信延時(shí)的影響，火星著陸過程完全需要探測器自主完成……整個(gè)過程被稱為“恐怖7分鐘”，許多探測器都在此功虧一簣。

2019年8月，國家航天局對外發(fā)布我國首次火星探測任務(wù)科學(xué)目標(biāo)先期研究團(tuán)隊(duì)招募公告。據(jù)悉，此次計(jì)劃將于2020年實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視，對火星開展全球性、綜合性的環(huán)繞探測。

而據(jù)全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩介紹，登陸火星任務(wù)分為發(fā)射、巡航、下降和著陸、表面操作幾個(gè)階段。即使是無人探測器，想要登陸火星也是困難重重，再帶上宇航員，難度將倍增。

飛向火星：超遠(yuǎn)距離帶來大困擾

火星距離地球最近時(shí)超過5000萬公里，最遠(yuǎn)約4億公里，是地月距離的上千倍。這樣的距離帶來了一系列麻煩。

第一個(gè)問題是通信。龐之浩介紹，無線電信號在火星與地球間往返一次，延時(shí)最長可達(dá)40分鐘。信號衰減也很嚴(yán)重，其強(qiáng)度僅為從月球發(fā)回信號的百萬分之一。

因此，對于飛船變軌、近火制動等精度要求極高的操作來說，等待地面指令無疑是行不通的。而要由飛行器獨(dú)立完成這些操作，就要求它具有很強(qiáng)的自主能力。

由距離造成的另一個(gè)問題是飛行時(shí)間?；诂F(xiàn)有技術(shù)，飛行器從地球飛到火星需要8個(gè)月。種植蔬菜可以滿足宇航員的口味和營養(yǎng)需求，但長期失重環(huán)境以及空間輻射對人體健康造成的影響，科學(xué)家們還在苦苦尋找對策。

除了健康問題，宇航員還將面臨心理上的挑戰(zhàn)。試想，6個(gè)人在狹小的艙內(nèi)關(guān)8個(gè)月，每天飄在一起面面相覷，還要不時(shí)經(jīng)歷難以預(yù)知的風(fēng)險(xiǎn)，那滋味簡直比坐牢還難受。雖然許多國家開展過各種試驗(yàn)，模擬火星飛行、登陸過程，但地面演習(xí)畢竟無法跟太空實(shí)踐相提并論。

最直接有效的解決辦法是縮短這段旅程，但這需要宇航運(yùn)載工具迎來變革。龐之浩介紹，美國與俄羅斯正在聯(lián)合研制核動力火箭，能將火星旅行時(shí)間縮短到2個(gè)月。但該方案不僅存在眾多技術(shù)難題，還有一個(gè)嚴(yán)重的副作用——核動力產(chǎn)生的輻射，相當(dāng)于讓宇航員每天拍8次X光片。與核動力相匹配的防輻射措施問題，目前尚待攻克。

另外，擁有四分之一華人血統(tǒng)的美國前宇航員張福林，其成立的公司正在設(shè)計(jì)一款“可變比沖磁等離子體火箭”。這種核電火箭據(jù)說僅需1個(gè)月就能飛到火星。但相關(guān)技術(shù)還處于研究階段，距離工程應(yīng)用遙遙無期。

降落著陸：“恐怖7分鐘”考驗(yàn)科技力量

目前看來，宇航員需先熬過8個(gè)月的“磨煉”，才能看到火星。當(dāng)飛船精準(zhǔn)完成近火制動后，他們將迎來火星旅程中最兇險(xiǎn)的階段——降落著陸。

龐之浩說，進(jìn)入火星大氣時(shí)，探測器能接收到的遙測信號很微弱;當(dāng)它運(yùn)行到火星背面時(shí)，地球上又無法準(zhǔn)確獲取其軌道參數(shù)。再加上通信延時(shí)的影響，火星著陸過程完全需要探測器自主完成。這一階段，探測器的防熱措施是否可靠，各種著陸相關(guān)設(shè)備能否按程序工作都至關(guān)重要。整個(gè)過程被稱為“恐怖7分鐘”，許多探測器都在此功虧一簣。

除了上述風(fēng)險(xiǎn)，載人飛船在火星著陸的方式也需要研究。由于火星大氣密度僅為地球的1%，降落傘作用有限，只能作為輔助手段之一。截至目前，人類火星探測器的著陸方式主要有三種：包括“勇氣號”“機(jī)遇號”采用的氣囊彈跳式、“洞察號”采用的反推發(fā)動機(jī)+著陸腿式以及“好奇號”所用的“空中起重機(jī)”式。

但是，以上方式都屬于無人探測器。即使是最重的“好奇號”，也不過960公斤，就已將現(xiàn)有方案用到了極致。而未來載人火星著陸器的重量可能超過20噸，上述方法均不適用。

為此，美國國家航空航天局（NASA）從2011年就開始進(jìn)行“低密度超聲速減速器”技術(shù)驗(yàn)證，并在隨后幾年間開展了數(shù)次試驗(yàn)。

龐之浩介紹，該技術(shù)由“超聲速充氣式氣動減速器”和“巨型超聲速環(huán)帆降落傘”組成。其中，氣囊式的減速器部署在碟形著陸器外緣，當(dāng)著陸器落向火星時(shí)，減速器會充氣增大阻力面積，把下降速度從3.5倍音速降至2倍音速左右，達(dá)到降落傘安全展開條件。隨后，直徑33米的巨型降落傘展開，把降落速度減至亞音速。

這項(xiàng)技術(shù)被譽(yù)為“能夠顛覆規(guī)則的技術(shù)”。龐之浩表示，隨著該技術(shù)的發(fā)展，配合由四五個(gè)降落傘組成的多傘系統(tǒng)，有望使火星表面軟著陸方式所能承受的重量提高到15噸。

但該技術(shù)發(fā)展并不順利，高空試驗(yàn)連續(xù)遭遇失敗。直到2017年，該技術(shù)高空試驗(yàn)才終于取得成功。

不過，現(xiàn)在談?wù)撦d人火星著陸器還為時(shí)過早，NASA目前還在為載人登月著陸器招標(biāo)。

地表生存：輻射與風(fēng)暴的死亡威脅

假設(shè)宇航員踏上了火星的土地，也不意味著從此就能過上平靜安逸的生活，火星上惡劣的環(huán)境早已恭候多時(shí)。

由于大氣密度低，火星上的輻射很強(qiáng)。中國科學(xué)院國家天文臺研究員鄭永春介紹，宇宙中危害健康的輻射粒子主要有兩類：一是太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射時(shí)產(chǎn)生的太陽高能粒子;二是劑量較低但長期存在的銀河宇宙射線。尤其是后者能量高、穿透性強(qiáng)，即使是30厘米厚的鋁板，防護(hù)效果也很有限。

對此，只能寄希望于科學(xué)家盡早研制出既能有效阻隔輻射，又能穿上走得動的宇航服。

此外，火星上的風(fēng)暴也讓人“聞風(fēng)色變”。龐之浩說，火星風(fēng)暴能達(dá)到地球12級臺風(fēng)的6倍，掀起的沙塵遮天蔽日，有時(shí)能持續(xù)幾個(gè)月。2018年，美國“機(jī)遇號”火星車就是遭遇沙塵暴而“陣亡”。

有著這么多“限定條件”，美國能在21世紀(jì)30年代實(shí)現(xiàn)載人登陸火星的計(jì)劃嗎？

截至目前，NASA并未確定載人登陸火星方案，科學(xué)家們倒是提出過各種設(shè)想：包括以月球基地為中轉(zhuǎn)站;以月球軌道空間站或地月拉格朗日L2點(diǎn)空間站為跳板;甚至“抓”一顆小行星當(dāng)跳板等。不過現(xiàn)在人類尚未實(shí)現(xiàn)重返月球，這些“跳板”更不知何時(shí)才能搭起來。

龐之浩表示，按照當(dāng)前航天技術(shù)的發(fā)展，月球中轉(zhuǎn)站等設(shè)想并非不能實(shí)現(xiàn)。包括美國洛馬公司此前披露的“火星大本營”計(jì)劃，雖然需要進(jìn)行多次發(fā)射入軌，以及復(fù)雜的在軌交會對接和在軌加注，但都是基于目前已經(jīng)掌握的技術(shù)，只需十年左右就能實(shí)施。

他認(rèn)為，未來十多年時(shí)間內(nèi)，載人登陸火星涉及的技術(shù)問題有望得到解決，但關(guān)鍵在于任務(wù)方案能否堅(jiān)持如一，資金是否能持續(xù)投入。如果隨著政府更迭，航天計(jì)劃也不斷變更，那將會給推動計(jì)劃進(jìn)程帶來困擾。

（《科技日報(bào)》）