隨著人類日益增長的野心，我們開始考慮派遣宇航員探索火星——甚至可能已經開始了未來的殖民活動。這就需要我們解決太空探索中最大的壹個難題——成功運送重型有效載荷並在火星表面著陸真的很難！
登陸火星有很多挑戰，包括缺乏保護磁場、低重力和寒冷的溫度。火星的大氣中二氧化碳含量也很高。如果不穿宇航服站在火星表面，即使不凍死也會缺氧窒息。
不過，與上述困難相比，最大的問題是火星的大氣太稀薄，火星上的氣壓還不到地球的1%。事實證明，這種稀薄的大氣層使得向紅色星球表面安全降落大量有效載荷非常具有挑戰性。事實上，到目前為止，只有53%的火星任務按計劃正常運行。
在這篇文章中，我將回顧以前的火星任務，並詳細描述載人探索火星的具體挑戰。
歷史上，火星任務基本上是在兩年壹度的火星發射窗口期從地球發射的。在這段時間內，發射的飛行器從地球到火星的路線是相對最短的，需要的時間也是相對最少的。歐洲航天局和俄羅斯航天局聯合研制的ExoMars的第壹部分於2016年3月14日發射，並於當年6月10日進入火星軌道。美國國家航空航天局的火星觀察者號(Insight)於2018年5月5日發射，並於20165438年10月26日成功登陸火星表面。美國國家航空航天局的火星2020漫遊車將於2020年7月17日進行，計劃於2026年2月18日登陸火星。這些任務都遵循星際轉移軌道，旨在以最快或最少的燃料到達目的地。
當航天器進入火星大氣層時，其速度達到每小時數萬公裏。在輕輕地降落在紅色星球表面之前，它必須以某種方式減速。
在地球上，我們可以利用厚厚的地球大氣層來減緩下降速度，利用隔熱罩來減緩飛船的速度。退役航天飛機的隔熱瓦旨在吸收再入時產生的空氣摩擦熱，從而將這個77噸重的軌道飛行器的速度從每小時28000公裏降至零。同樣的技術也適用於登陸金星和木星，因為它們有類似地球的稠密大氣層。
在沒有任何大氣層的情況下登陸月球也是比較簡單的。在沒有任何大氣層的情況下，不需要隔熱罩，只需要用螺旋槳減速降低軌道，直到降落地面。只要攜帶足夠的推進劑，就能順利著陸。
回到火星任務。壹般來說，飛船會以每小時20000公裏左右的速度進入其稀薄的大氣層。我們既不能采用在地球上的著陸策略通過大氣摩擦和阻力使飛船減速，也不能采用在月球上的著陸策略，完全依靠飛船推進器減速。火星上頻繁的沙塵暴會進壹步增加我們登陸的難度。
傳統上，當火星探測任務開始著陸時，航天器的整流罩將有助於降低壹些航天器的飛行速度。歷史上，發送到火星表面最重的探測器是美國國家航空航天局於201165438+10月26日在卡納維拉爾角發射的“Cuirisity”火星探測器，總重量為2200磅(約1噸)。次年8月6日進入火星大氣層時，飛船的速度是每秒5.9公裏，也就是每小時不到2.2萬公裏。
好奇號是迄今為止發射到火星的最大飛行器，最大長度為4.5米。其巨大的整流罩具有壹定的傾斜角度，允許飛船在進入火星稀薄的大氣層時進行機動，從而在選定的著陸區著陸。
在距離火星表面約131 km的高度，飛船的推進器開始點火，飛船被調整到完美的著陸軌道。經過大約80秒的大氣層飛行，隔熱板上的溫度上升到2100攝氏度。為了不燒毀航天器，壹種叫做酚醛浸漬碳燒蝕材料(PICA)的特殊材料被用於隔熱罩。順便說壹下，太空探索技術公司在載人“龍”飛船上使用了同樣的材料。
當飛船速度降至2.2馬赫以下時，飛船將釋放迄今為止為火星任務建造的最大降落傘，直徑為16米。這種降落傘可以產生29000公斤的阻力，進壹步降低飛船的下降速度。降落傘的懸掛線由Technora芳綸纖維和Kevlar制成，這是迄今為止我們所知的最堅固、最耐熱的材料。
然後它拋棄了降落傘，利用火箭發動機進壹步減緩飛船的下降速度。當它足夠接近火星表面時，好奇號使用空中起重機將火星車慢慢降落到地面。
以上是好奇號著陸過程的簡要版本。如果妳想對好奇號登陸火星有壹個全面的了解，我強烈推薦妳閱讀艾米莉·拉克達瓦拉寫的《好奇號的設計與工程建造》壹書(美亞有售)。
但是好奇號只有壹噸重。我們可能會問，使用更大的氣動整流罩、更大的降落傘和更大的空中起重機，可以讓更重的航天器降落在火星表面嗎？理論上，太空探索技術公司“星際飛船”可以將重達65，438+000噸的人和貨物送到火星表面。
這就是問題所在。好奇號在火星大氣中減速的方法不能有效地放大用於更重的著陸航天器。
首先，讓我們從降落傘開始。說實話，1噸重的好奇號大概是降落傘能著陸的最大重量了。目前，工程師們找不到任何可以承受更重的航天器著陸所需減速載荷的材料。
幾個月前，美國國家航空航天局的工程師剛剛慶祝了先進的超音速降落傘充氣研究實驗(ASPIRE)的成功測試。這是壹個降落傘，將用於火星2020(著陸器名稱:火星2020漫遊車)探索任務。
技術人員將由尼龍、Technora芳綸纖維和Kevlar等先進復合材料制成的降落傘放入探空火箭中，發射到37公裏的高度，模仿飛船抵達火星時的體驗。降落傘在幾分之壹秒內釋放並完全打開，期間經歷了32000公斤的拉力。想象壹下，如果妳在宇宙飛船上，妳承受的張力相當於妳用安全帶以100公裏的時速撞墻時的3.6倍。恕我直言，在這種情況下妳只會掛掉電話。
先不說乘客本身，目前還沒有壹種復合面料可以讓降落傘承受更重的飛船產生的減速拉力。
美國國家航空航天局壹直在嘗試不同的方法在火星上著陸更重的有效載荷，如高達3噸的載荷。
壹種方法被稱為低密度超音速減速器(LDSD)。這個想法是使用更大的空氣動力學減速器，當飛船進入火星的引力範圍時，它會像充氣城堡壹樣在飛船周圍充氣。
在2015年，美國國家航空航天局實際上測試了這項技術，並在壹個探測氣球上裝載了壹個原型航天器。原型飛船在36公裏高空點燃自己的固體火箭，將其推到55公裏高空。在向上飛行時，它將超音速充氣空氣動力學減速器充氣至直徑6米(或20英尺)。然後，減速器將飛船減速至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，飛船最終墜入太平洋。
但這仍然是壹個重大的勝利。如果真的能完成工程建設，從物理上證明在火星環境下是可行的。然後有壹天，我們可以看到壹艘3噸重的飛船降落在火星表面。
下壹個增加火星著陸重量的想法是使用更多的推進劑。理論上，我們可以攜帶更多的燃料。到達火星後，啟動火箭發動機，將速度完全降到零。當然，問題是用於減速的質量越大，實際能降落在火星表面的有效載荷質量就越小。
預計太空探索技術公司的“星際飛船”將利用這種後推式著陸方式，將100噸的載荷降落在火星表面。通過采取更直接、更快速的路徑，星艦將以超過8.5公裏/秒的速度進入火星大氣層，然後利用空氣動力學減速。當然，真的不需要這麽快。星際飛船可以通過多次穿越高層大氣，利用空氣制動來降低速度。實際上，這是在軌航天器飛往火星時使用的減速方法。但采用這種方法，飛船上的乘客將不得不等待數周時間，讓飛船減速並進入環繞火星的軌道，然後下降進入大氣層。
根據埃隆的說法？馬斯克說，他處理這種熱量的愉快而直觀的策略是用不銹鋼制造壹艘宇宙飛船。然後甲烷燃料通過分布在外殼上的小孔排出，以保持航天器迎風面的涼爽。
每壹千克燃料使飛船減速並降落在火星表面，就少了壹千克可以帶到地面的貨物。為了解決這個問題，我們需要壹些新的想法。
最近，伊利諾伊大學厄巴納分校？厄巴納-香檳大學航空航天系的壹項新研究表明，未來的火星任務可以使用更接近火星表面的更厚的大氣層。在壹篇題為《高彈道系數火星飛船的著陸軌道選擇》的論文中，研究人員提出，飛往火星的飛船不需要急於降低速度。當航天器進入大氣層時，它仍然可以產生大量的氣動升力，可以用來引導它穿過大氣層。
他們計算發現，理想的角度是讓飛船垂直下降，直接俯沖到地面。然後在最後時刻，利用氣動升力拉起，在大氣層最厚的地方側向移動。這將增加阻力，使飛船在啟動下降發動機和完成動力著陸之前失去大部分速度。
目前來看，這是壹個值得進壹步研究的有趣想法。
如果人類想要在火星表面建立壹個可行的未來，我們將需要解決這個問題。我們需要開發壹系列技術，使登陸火星更加可靠、安全和有效。