如何登陆火星并生存下来：红色星球实用指南

抵达火星其实是最容易的部分

人们谈起前往火星时，常常以为最难的是旅途本身。其实不然。自 20 世纪 60 年代以来，火箭就一直在把航天器送往火星，这条航线早已被摸得一清二楚。真正棘手的两个难题都在旅途的终点：抵达后如何停下来，以及停下来之后如何活下去。

本文将借助迄今为止真实任务带给我们的经验，一步步讲解这两个问题。无需任何科幻情节，物理规律本身就已经足够严苛。

了解你的目的地

在规划着陆之前，先了解一下火星与地球相比究竟有多么奇特，会很有帮助。

表中有两个数字几乎决定了之后的每一项决策。火星大气稀薄到几乎无法帮你减速，却又浓密到足以把速度过快的航天器烤焦。而且，火星既没有磁场，也没有厚厚的大气层来阻挡来自太阳和深空的辐射。

第 1 步：选对出发时间

地球和火星大约每 26 个月才会出现一次有利的相对位置。在这个窗口期内发射，沿高效轨道飞行大约需要六到九个月。一旦错过，就得再等两年多才能迎来下一次机会。

这一时间规律同样制约着返程。典型的“合点级”任务需要在火星表面停留约 500 天，等待两颗行星再次排列到合适位置，因此完整的往返行程大约持续两年半。任何前往火星的航天员都不是去参观的，而是要在那里住上一段时间。

第 2 步：熬过“恐怖七分钟”

工程师们把着陆过程称为“恐怖七分钟”，这是有充分理由的。航天器抵达时的速度约为每小时 20,000 km，而无线电信号需要好几分钟才能传回地球，因此在任务控制中心得知着陆开始之前，整个着陆过程就已经结束了。一切都必须自动完成。

2021 年“毅力号”火星车的着陆过程如下：

1. 进入大气层。 隔热罩朝前，在与稀薄空气的摩擦中消耗掉大部分速度，承受约 1,300 °C 的高温。
2. 超音速降落伞。 在大约每小时 1,500 km 的速度下，一顶直径约 21 米的降落伞打开。由于空气极其稀薄，即便是这顶巨型降落伞，也只能把航天器减速到每小时约 300 km。
3. 抛离隔热罩并锁定雷达。 隔热罩脱落，雷达测量高度，摄像头将下方地面与机载地图进行比对，引导航天器避开危险区域。
4. 动力下降。 火箭发动机接管最后一段下降过程。
5. 空中吊车。 悬停的火箭级用缆绳将火星车缓缓放下，让它轻轻落在车轮上，然后飞离，在安全距离外坠毁。

为什么载人任务需要不同的方法

“毅力号”重约一吨。而一个搭载航天员、栖息舱和返程燃料的着陆器，重量将达到数十吨。在如此稀薄的空气中，降落伞根本无法放大到那种规模。目前针对重型着陆器的主流方案有：

• 超音速反推： 在仍以超音速飞行时，迎着来流点燃火箭发动机。这是 SpaceX 星舰等大型飞行器计划采用的方式。
• 充气式隔热罩： 在进入大气层前展开的巨大而轻便的隔热罩，可产生大得多的阻力。NASA 于 2022 年测试了名为 LOFTID 的此类隔热罩。
• 精确着陆： 重型货运着陆器必须彼此靠近着陆，以便将物资、栖息舱和燃料工厂连接起来。

选择着陆地点

一个好的着陆点需要多方权衡：

• 地势低洼，这样上方有更多大气帮助制动。
• 平坦且没有巨石，以免着陆器翻倒。
• 靠近水冰，最好是埋藏在中纬度地区地表之下不深处的冰。
• 离赤道不太远，温度更高，阳光也更强。

第 3 步：尽快进入室内

一旦着陆，环境立刻就成了最主要的威胁。

气压

火星表面气压远低于科学家所说的阿姆斯特朗极限，即人体内的水在体温下就会沸腾的临界点。在毫无防护的情况下暴露其中，几秒钟内就会失去意识。在室外的每一刻都必须穿着压力服，每一处生活空间都必须是密封、加压的栖息舱。

寒冷

赤道附近夏季正午的温度可达约 20 °C，夜间则会骤降到 −70 °C 以下。栖息舱需要良好的隔热和持续的供暖，设备也必须能承受巨大的昼夜温差。

辐射

这是一种缓慢而无形的危险。“好奇号”火星车在地表测得的辐射剂量约为每天 0.64 毫希沃特，大约每过几个月，就相当于在地球上承受一整年的天然本底辐射。一次完整的任务累计受照剂量可能高达约一希沃特，接近甚至超过许多航天机构为航天员设定的终生上限。

最好的防护方法，是在你和天空之间隔上足够多的物质：

• 将栖息舱掩埋在几米厚的火星土壤之下。
• 在天然掩体内建造，例如熔岩管或悬崖底部。
• 用水作为屏蔽层，将水储存在睡眠舱的墙壁中。
• 在太阳风暴期间躲避到一个小型、重度屏蔽的房间里。

尘埃

火星尘埃极其细微，会粘附在一切物体上，并含有名为高氯酸盐的有毒化学物质。一旦进入栖息舱，它可能损伤肺部并磨损密封件。许多设计采用了舱外服接口：航天服始终停靠在外墙上，航天员通过航天服背部的舱口钻进去，这样沾满尘土的航天服就永远不会进入室内。

第 4 步：就地取材，从火星本身获取所需

从地球运送每一升水、每一口氧气，成本将高得难以承受。长远的解决方案叫作原位资源利用，也就是靠山吃山。

空气

火星大气的主要成分是二氧化碳，而二氧化碳中含有氧。“毅力号”搭载的 MOXIE 实验证明了这一思路切实可行：它每小时最多可制造约 12 克可供呼吸的氧气，总计生产了 122 克。一个载人基地需要规模大上数百倍的设备，但这一原理如今已在火星上得到验证。

水

卫星和“凤凰号”着陆器已经证实，火星地表下存在大量水冰。加热富含冰的土壤即可释放出水，这些水经过过滤后可以饮用，在栖息舱内循环利用，还能分解为氢气和氧气。

返程燃料

将火星上的二氧化碳与氢气结合，可以通过名为萨巴蒂尔反应的过程生成甲烷和水。甲烷加氧气，正是现代火星火箭设计计划使用的燃料。换句话说，航天员可以利用周围的空气，为返回地球的旅程加满油箱。

食物

火星土壤富含矿物质，但受到高氯酸盐污染，使用前需要先进行清洗。早期的航天员很可能依靠储备食物，再加上在水培温室中种植的新鲜蔬菜。在水培温室里，植物不是长在土壤中，而是在 LED 灯照射下生长于富含养分的水中。叶菜、土豆、豆类和矮秆小麦都是常见的候选作物。

第 5 步：保证电力供应

火星上的阳光强度还不到地球的一半，而席卷全球的沙尘暴可能遮天蔽日长达数周。2018 年，一场全球性沙尘暴覆盖了“机遇号”火星车的太阳能电池板，使它从此陷入沉寂。

一个安全的基地需要结合以下手段：

• 大型太阳能电池阵列，配合蓄电池满足日常用电。
• 小型核裂变反应堆，例如 NASA 在 Kilopower 项目中测试的反应堆，无论昼夜、无论有无沙尘暴，都能提供稳定的电力。
• 严格的能源预算，因为氧气、水、热量和食物全都依赖电力。

第 6 步：保持身心健康

身体和心理都将面临以往任何探险者都未曾遇到过的挑战。

• 低重力。 在只有地球 38% 的重力下，肌肉和骨骼会随时间逐渐衰弱。每天锻炼和精心搭配营养必不可少，而且目前还没有人确切知道，人体在多年的火星重力环境下会如何适应。
• 医疗自给自足。 救援远在数月之外，航天员需要接受高级医疗培训，配备机载诊断设备，并有能力自行处理手术和紧急情况。
• 隔离与延迟。 发往地球的每条信息单程最长需要 22 分钟，实时对话根本无法实现。大约每 26 个月，太阳会运行到地球和火星之间，阻断通信约两周。
• 小团体生活。 乘组人员的选拔、个人隐私、日常作息和有意义的工作，与生命保障系统同样重要。在南极洲开展的模拟任务以及地球上的密闭栖息舱实验都表明，在狭小空间里，小摩擦也可能迅速激化。

火星定居者的一天

把这一切结合起来，一个普通的火星日可能是这样的：

• 在四周布满水箱以屏蔽辐射的睡眠舱中醒来。
• 早餐前检查制氧装置、水循环系统和反应堆的输出功率。
• 从水培农场收获生菜和香草。
• 通过舱外服接口钻进停靠的航天服，到室外花几个小时维护太阳能电池板或采集富含冰的土壤。
• 在傍晚气温骤降之前返回，给家人发送录制好的消息，然后耐心等待回复。
• 锻炼两个小时，以保护骨骼和肌肉。
• 欣赏一场蓝色的日落，因为火星尘埃散射光线的方式恰好与地球大气相反。

总结

登陆火星，意味着要穿过稀薄得几乎帮不上忙的大气，从每小时 20,000 km 的速度制动减速，而且在下降过程中完全无法得到来自地球的帮助。在火星上生存，意味着要自带气压、温暖和辐射屏蔽，再学会利用这颗星球本身制造空气、水、食物和燃料。

这些步骤没有一项是不可能完成的。每一项都已经以某种形式，通过火星车、着陆器或地球上的实验得到了检验。真正的挑战在于，要把它们全部结合起来，可靠地持续运行多年。这才是真正的前沿：不仅仅是抵达火星，而是让它成为人类可以长久停留的地方。

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