梦中的星辰大海和真实的星际旅行无疑区别巨大。人们能够在各种以航天为主题的虚构作品中得到满足，如果有机会去太空亲身体验，相信没有人会拒绝。但是，梦幻和现实的差距非常大。
火星探测假想图
过去的月球探测中，只有到了载人登陆阶段，才是万人空巷的高潮，对于火星探测而言，同样如此。载人航天很难，载人前往火星更是难上加难。
人类对于火星的探测，已经到了发射火星车在火星表面，进行巡视探测并传回照片的阶段，下一个任务就是带回土壤样品。
但与此同时，载人登陆火星的计划也在进行，那么以人类现在的技术，或者短期内可能有突破的技术，究竟有没有可能克服各种困难，登上火星？
下文将从重型火箭、载人系统、前往火星的过程以及返回地球四个大的方面，来叙述人类登陆火星必不可少的几个环节，以此来推断载人登陆火星还有多远！
火星与地球的位置
1、重型火箭是载人飞船离开地球必不可少的推动力将探测器发射到火星上，已经不是什么难事，美国的“好奇号”，中国的“祝融号”都是很好的例子。但是载人登陆火星则完全不同，宇航员的存在使得飞船的重量大幅增加，因为生命保证系统占据了大部分比重。
探测器几吨的重量级别已经远远不够，载人去火星需要更大的飞船甚至大型空间站才能实现。
当年阿波罗登月计划，使用的是传奇重型火箭土星五号，其总重3000吨，能够运送超过140吨的航天器进入绕地轨道，但仅能运载45～48吨的飞船到地月转移轨道。
土星五号火箭
但是化学燃料火箭有自己的上限，不可能一直往大了做。火箭越大，质量越大，所需的燃料就越多，这又加重了火箭的质量，这样的话火箭的运载效率会非常低。
所以以人类目前的航天技术，大型载人登陆火星计划，不可能依靠单次火箭发射来完成，需要多次发射火箭。而且对火箭运力的要求，起码要达到土星五号的运力价级别。
事实上，目前世界上已经有三个国家拥有或者即将拥有这样的重型火箭，这三个国家分别是中国、美国和俄罗斯。
中国航天
2018年，中国在国际航空航天博览会上，展示了长征9号的初步模型，根据数据显示，长征9号总长度为100米，总重达4000吨，近地轨道运载能力在140～150吨之间，能将50吨的飞船推送到地月转移轨道，可以将40吨的飞船发射到火星上！
而且长征9号不会止步于模型，根据2017年中国公布的航天规划中，中国计划在2040年前后多次完成星际往返任务，并探索人机协同深空探测技术。这意味着中国到那个时候，将实现地球与火星之间载人往返任务。而载人登陆火星，就必须使用长征9号这样的重型火箭！
美国猎户座飞船
美国的猎户座飞船以及与之搭配的重型火箭，是美国载人登陆计划的首选，猎户座宇宙飞船是目前最先进的太空飞船，返回舱和推进舱总重26吨。而美国的重型火箭，也基本达到了土星5号的运力级别。美国计划在2030年前后，冲击载人火星探测计划，但载人登陆火星的具体时间还未公布。
俄罗斯正在研发的下一代联盟5型超重型火箭，可以将100吨重的航天器送到近地轨道，预计2025年制造成型。俄罗斯为宣称会继续研究深空载人探测技术，载人探测小行星和火星也在规划之中。
总之，载人登陆火星需要重型火箭，而目前已经有三个国家拥有或者即将拥有此类火箭，载人探测火星也在航空规划当中，相信过不了几年，就会有类似的新闻报道。
想象中的宇宙飞船
2、生命保障系统是载人飞船最核心的部分，也是最复杂和最昂贵的部分在探测地外星球领域，人类本身就是最薄弱的部分，人的出现让飞船的设计需要考虑空气、水源、食物、能源等，还要保证飞船有合适的温度、湿度、气压、辐射等因素，这其中的任何一项都是对航天技术的挑极大战。
相比无人探测器，载人飞船需要额外的生命保障系统、重返地球的保障系统和超高安全系数。载人飞船的设计要比无人探测器复杂的多，我们从以下几个影响因素进行简单介绍：
国际空间站中的失重环境
1、星际旅行要对抗失重的影响
太空是失重的环境，人在失重环境下，身体会发生很多变化，比如肌肉萎缩、骨骼流失、体液重新分配调整等。如果只是登上月球，一个礼拜可以来回，不用考虑失重带来的影响。
但去一趟火星，需要6～11个月才能走完霍曼转移轨道（前往火星的必经之路），进入环绕火星轨道。当人类在火星上完成了探测任务，并不能马上返回地球，因为火星与地球距离最近时的时间窗口期，两年才会出现一次！
也就是说载人登陆火星，至少三年才能完成一次往返。这三年时间里，宇航员会一直处于失重或者火星重力环境下。截止目前，人类在太空工作时间最长是438天，还不到一年半。
中国空间站的三位航天员
有人说可以在飞船上建造一个重力系统，像科幻片中的宇宙飞船那样，但是很不幸，任何产生人造重力的方式都必须依靠超大尺寸的机械结构，能量消耗很大，而且对航天器姿态控制要求极高。在现有技术条件下，这是极难实现的。
目前最好的方式就是锻炼，这也是长期在太空执行任务的宇航员必须要做的工作，比如国际空间站和中国空间站的宇航员，每天都要进行身体锻炼。
事实上，通过锻炼确实解决了很多宇航员因为失重引起的身体变化，他们的肌肉萎缩和骨骼流失没有那么严重。锻炼是人类目前登陆火星，对抗失重唯一可行的办法。
宇航员在空间站锻炼身体
2、空气是飞船中最宝贵的资源。
人离开空气，也许只能生存2～3分钟，地面上的空气好像无处不在，但到了太空之中，空气就是最宝贵的资源了。
飞船中的空气不仅仅要考虑宇航员的呼吸问题，还跟气压和空气成分有关。水在绝对真空的环境下，沸点是0℃，如果人在真空环境下，体液会瞬间沸腾。所以飞船空间内的空气，要为宇航员提供足够的气压。
中国空间站“天和”核心舱内部
另外空气的成分要跟地球上一致，只能采用21%氧气和78%氮气的比例，如果采用纯氧会很容易引起火灾或者爆炸。
不过人类目前的技术，已经可以做到循环利用空气了，空间站上的空气，就是靠着电解水获取，然后将二氧化碳再还原成水。
但考虑到载人登陆火星，飞船飞行途中没办法进行补给，这要求空气循环利用的效率，几乎要达到100%，这一点可以做到！
宇航员在国际空间站舱内
3、食物和水源是宇航员生存必不可少的
人类每天平均消耗能量在2000千卡左右，这相当于重一千克的各种食物。在目前看来，解决食物的问题并不难，中国空间站的航天员，食物品种多大120种，还可以吃到水果，能够保证航天员的饮食均衡。
除了食物，宇航员生存必不可少的还有水源，每位宇航员每天需要消耗2升左右的水。水的问题也可以解决，空间站上已经有了成熟的水循环系统，宇航员方便排泄物中的水，都能够净化处理之后直接饮用。
如果载人登陆火星，按照三名宇航员的配置，按照1000天的任务时间来计算，飞船上需要准备1～2吨的食物和水源。为了保险起见，飞船上还要准备一些备用食物和水源，但这些都是可以做到的。
汤洪波在中国空间站吃苹果
4、能源以及其他需要考虑的问题
现在飞船上已经有了空气、水源和食物，失重的问题也有了解决方案，那么还有一个问题需要解决，就是飞船上的能源问题。
太阳能是飞船能源的最佳选择，就像国际空间站那样，在飞船上安装几个大大的太阳能帆板，能够源源不断的为飞船提供生活能源。但这些能源只够宇航员的基本生活以及飞船的基本运行使用，还不能够作为动力系统使用。
国际空间站上有16块太阳能发电板
另外，飞往火星的飞船还要考虑太阳风和宇宙辐射的袭击。空间站在距离地面400公里的太空中，宇宙辐射已经很强了，而飞往火星的飞船，需要经过范艾伦辐射带，那里的辐射完毕地球附近强烈的多。
在防辐射方面，无论是美国的猎户座，还是中国未来的宇宙飞船，都会充分考虑并且设法防护，在防辐射材料这一项，已经不是问题了。
总而言之，人类必须依靠复杂的载人飞船才能抵达火星，为了对飞船提供支持，我们需要建造一个小型的空间站。以目前的技术，建造这样一座空间站完全没问题。
美国已经立项的“月球门户”计划，正是为载人登陆火星做准备，“月球门户”空间站预计2024年建成，长期环绕月球飞行，为将来登陆火星进行技术积累。
“月球门户”空间站想象图
3、真正的长途跋涉，载人飞船如何才能抵达火星前面我们已经提到，飞往火星的飞船必须要建造成一个小型空间站的大小，这样才能够容纳宇航员的生命保障系统。而这个空间站，要先在地球近地轨道组装完成，再选择合适的时机出发前往火星。
这个空间站至少要有主生活舱和能源动力模块，还要有一些实验舱和气闸舱，各个舱段由节点舱连接。需要注意的是，这个小型空间站并不是载人登陆火星的宇宙飞船，飞船只是连接在空间站上的一个舱段。
当空间站在距离地面400公里的地方组装完成后，再使用重型火箭将一个重达150吨的纯动力系统运载到空中，并且与空间站对接在一起。
中国空间站
此时，一个重大将近300吨的庞然大物组装完成，接下来就是摆脱地球引力，进入霍曼转移轨道。经过长达6个月的无动力飞行之后，再次点燃燃料，把空间站推送至火星卫星轨道。
整个过程只需要启动两次动力系统，一次是摆脱地球引力，一次是并入火星轨道，这也是霍曼转移轨道的巨大优势，可以最大限度的节约燃料。
最终，一个复杂的空间站系统在火星轨道建设完毕，它可以长期围绕火星飞行，并为至少三名宇航员提供生命保障系统，空间站上的载人飞船，随时准备着陆火星表面。
国际空间站舱内
火星登陆飞船具备登陆火星和返回火星轨道的能力，飞船登陆火星时，采用的是空气摩擦和反推系统，跟火星探测器着陆火星或者返回舱返回地球的过程差不多。
当宇航员完成火星探测任务之后，就要返回火星轨道的空间站上，而从火星发射的返回舱，设计方案跟阿波罗登月飞船差不多，将返回舱送回空间站的问题不是很大。
阿波罗登月宇航员进入返回舱
最后我们梳理一下这个过程：先在近地轨道建造一个小型空间站，将动力系统对接到空间站上。启动动力系统出发，经过霍曼转移轨道，最后进入火星卫星轨道，相当于建造了一个空间站围绕火星飞行。
空间站上有载人飞船，需要登陆火星时就载人登陆，完成任务后又可以返回空间站。这些技术都不是凭空想象的，而是人类已经拥有或者短时间就可以掌握的技术。登陆火星已经近在咫尺！
火星基地假想图
4、返回地球是登陆火星必不可少的环节现在我们已经完成了火星探测任务，接下来就是如何返回地球的问题了，这个环节不能少，没人愿意有去无回。
返回地球的最佳路线还是要走霍曼转移轨道，空间站上提前对接好了返回飞船，从火星轨道脱离比摆脱地球引力要容易的多，因为火星引力只有地球引力的38%。
地球与火星大小对比
返回飞船进入霍曼转移轨道之后，还是要飞行6个月以上的时间，这个过程是少不的。飞船在着陆地球之前，可以借助月球引力助推方案，飞船适当的调整方向和速度，最后可以直接降落到地球上。
事实上，载人飞船从火星返回地球，其难度要比登陆火星容易的多。但有一点比较麻烦，就是返回时需要等到最佳窗口期，这个窗口期两年才会出现一次。
不管怎样，完成探测火星任务之后，宇航员返回的过程相对容易一些，并不是太大的问题。
航天员返回地球
5、结语以上就是关于载人登陆火星的所有内容，我们结合人类目前已有的技术以及短时间可以掌握的技术，对登陆火星的方案进行了简单的介绍。
人类拥有重型火箭，可以在近地轨道建造一个小型空间站，空间站拥有完整的生命保障系统。
强大的动力系统将空间站推送到火星卫星轨道，可以长期围绕火星执行各种任务。
空间站上连接的登陆飞船可以往返火星表面，载人返回飞船还可以把宇航员安全带回地球。
火星
载人登陆火星，距离我们并不遥远！
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