目前進(jìn)軍火星的兩股核心力量是NASA與SpaceX，但雙方雖然在國際空間站任務(wù)中密切合作，卻對載人火星任務(wù)有著截然不同的思路。

尺寸很重要

最大的挑戰(zhàn)（或者說限制）在于確定火星旅行所需要的有效載荷，即航天器本體、人員、燃料與補(bǔ)給的總質(zhì)量。

我們向太空發(fā)射的一切物體，在本質(zhì)上是將所對應(yīng)的質(zhì)量送入空間軌道。但有效載荷質(zhì)量只占運(yùn)載火箭總質(zhì)量中的一小部分。

例如，將阿波羅11號發(fā)射到月球上的土星五號火箭總重量達(dá)3000噸。

但它能夠送入近地軌道的質(zhì)量則僅有140噸（相當(dāng)于初始發(fā)射質(zhì)量的5%），實(shí)際被發(fā)射至月面上的質(zhì)量進(jìn)一步縮減為可憐的50噸（不足初始發(fā)射質(zhì)量的2%）。

質(zhì)量直接限制了火星飛船的尺寸以及在太空中所能完成的動作。每一次制動操作都需要啟動火箭發(fā)動機(jī)并消耗燃料，而燃料本身也要占用掉大量寶貴的航天器載荷。

SpaceX的計(jì)劃是讓載人星際飛船通過獨(dú)立發(fā)射的“油輪”完成空中加油，這意味著我們可以一次性將更多燃料送入軌道，不再受限于火箭單次所能運(yùn)載的燃料質(zhì)量。

時(shí)間很重要

與燃料問題同等重要的另一大挑戰(zhàn)，則是時(shí)間。

非載人航天器在前往其他星球之前，往往會繞著太陽以復(fù)雜的軌跡運(yùn)行，這是為了借助所謂“引力彈弓”效應(yīng)經(jīng)由各星體的引力積累動能，最終獲得最經(jīng)濟(jì)的太空航行效率。

這確實(shí)能省下大量燃料，但往往需要數(shù)年時(shí)間才能抵達(dá)目的地。對載人航天器來說，這種老辦法顯然不那么靠譜。

地球與火星都擁有近圓形軌道，而在兩顆行星之間最節(jié)約燃料的旅行方式就是霍曼轉(zhuǎn)移。簡單來講，航天器只需要進(jìn)行一次引擎推進(jìn)，就能從當(dāng)前行星軌道轉(zhuǎn)移至另一行星的軌道當(dāng)中。

但地霍曼轉(zhuǎn)移的方式由地球抵達(dá)火星，共需要259天（相當(dāng)于8到9個(gè)月）；而且由于地球與火星圍繞太陽的公轉(zhuǎn)軌道不同，每兩年才會出現(xiàn)一次最佳變軌時(shí)機(jī)。

航天器當(dāng)然可以縮短抵達(dá)火星的航程（SpaceX號稱六個(gè)月就能抵達(dá)），但大家肯定想得到，這樣就得消耗更多燃料。

安全著陸

假如我們的航天器和機(jī)組人員順利抵達(dá)火星，接下來還有著陸這個(gè)大麻煩擺在面前。

進(jìn)入地球時(shí)，航天器會利用與大氣層相互摩擦所產(chǎn)生的阻力完成減速，確保本體能夠安全地降落在地球表面（前提是材料能夠承受摩擦產(chǎn)生的高溫）。

但火星上的大氣密度只相當(dāng)于地球大氣的百分之一，這意味著摩擦產(chǎn)生的阻力也小得多，航天器也必然會以更大的速度朝著火星表面下墜。

此前的非載人航天器曾經(jīng)采用過安全氣囊方案（例如NASA的探路者計(jì)劃），也有項(xiàng)目采用反向推進(jìn)器（NASA的鳳凰計(jì)劃），但后一種還是會消耗掉更多燃料。

火星上的生命維持

火星上的一天有24小時(shí)37分，但這也是火星上唯一與地球相似的環(huán)境屬性了。

由于大氣極度稀薄，火星大氣層無法像地球那樣維持住熱量，因此生命必須想辦法適應(yīng)火星表面晝夜循環(huán)之間的極端溫度變化。

火星上的最高溫度為30℃，聽起來頗為宜人；但這里的最低溫度為-140℃，平均溫度則為-63℃。作為參考，地球上南極冬季的平均氣溫約為-49℃。

所以我們必須慎重選擇火星上的具體著陸點(diǎn)，并考慮該如何適應(yīng)如此夸張的夜間低溫。

火星上的重力相當(dāng)于地球的38%（所以您會感覺行動更輕松），但空氣的主要組成為二氧化碳加少量（百分之幾）氮?dú)?，人類完全沒辦法直接呼吸。我們需要建造一套氣候控制系統(tǒng)才能獲得穩(wěn)定的生存環(huán)境。

SpaceX計(jì)劃分多次發(fā)射貨運(yùn)航天器，將溫室、太陽能電池板等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施分批送上火星。有了這些裝置，隨后抵達(dá)的人類就能在火星表面生產(chǎn)能源、為返回地球積累寶貴的燃料。

在火星上維持生命活動完全可行，而且我們已經(jīng)在地球上進(jìn)行過多輪模擬試驗(yàn)，探索人類該如何適應(yīng)這顆紅色星球的現(xiàn)實(shí)條件。

重返地球

最后的挑戰(zhàn)自然是啟動航程，將人們安全送回地球。

阿波羅11號當(dāng)初是以約每小時(shí)4萬公里的速度沖入地球大氣層——略微低于脫離地球軌道所需要的速度。

而從火星返回的航天器將擁有47000公里到54000公里不等的載入速度，具體取決于其通過哪條軌道抵達(dá)地球上空。

在進(jìn)入地球大氣層之前，航天器會通過減速以每小時(shí)28800公里左右的速度進(jìn)入環(huán)地軌道，這一階段的減速同樣需要以消耗燃料的方式完成。

只要以上各個(gè)環(huán)節(jié)順利完成，接下來地球大氣會接手完成后續(xù)減速。這事我們很有經(jīng)驗(yàn)，只要航天器外殼不要過熱、下落速度不要太多，親愛的宇航員們就能安全回歸地球家園。

這就是我們在征服火星時(shí)面臨的幾大核心挑戰(zhàn)。好消息是，達(dá)成這項(xiàng)目標(biāo)的所有底層技術(shù)都已存在；壞消息是，我們還得投入大量時(shí)間與金錢才能把這些技術(shù)要素整合起來。