火星是一个如此有趣的地方，因为它实际上是太阳系中最难去的地方之一，尤其是如果你想带很多“行李”的话。那颗行星是一些不太成功任务的墓地。

随着我们不断增长的雄心壮志，我们将需要解决太空探索中一个最大的问题。成功将重型有效载荷降落在火星表面真的很难。

在火星上面临着一系列挑战，包括缺乏保护的磁层和较低的表面重力。但其中最大的一个问题就是它稀薄的二氧化碳大气层。如果你站在火星表面，不穿宇航服，你会冻死，缺氧窒息。

事实证明，这种稀薄的大气层使得将重型有效载荷安全地送到火星表面变得极具挑战性。事实上，实际只有53%的火星任务是正常运行的。

那么，让我们来谈谈火星任务在过去是如何工作的，这将向你展示问题所在。

登陆火星是最糟糕的

从历史上看，火星任务是在每两年左右，当地球和火星接近时从地球发射的。2016年的“ExoMars”任务，2018年的“洞察号”，2020年的“火星2020探测器”。

洞察号着陆器开始进入火星，下降和着陆阶段的想象图

这些飞行任务遵循星际转移轨道，以最快的速度到达那里，或者用最少的燃料到达那里。

当宇宙飞船进入火星大气层时，它正以每小时数万公里的速度飞行。它必须以某种方式失去所有的速度，然后轻轻地降落在红色星球的表面。

在地球上，你可以用厚厚的地球大气层来减缓你的下降速度，用一个隔热罩来降低你的速度。当77吨的轨道飞行器从每小时28000公里降到了零的过程中，航天飞机的防热瓦设计用于吸收重返大气层的热量。类似的技术也可以用在金星或土卫六上，那里有厚厚的大气层。

没有任何大气层的月球也相对容易着陆。在没有任何大气层的情况下，就不需要防热罩了，你只需使用推进器来减缓你的轨道并降落在地面上就行了。只要你带了足够的推进剂，你就可以着陆。

回到火星上，一艘宇宙飞船以每小时20000公里的速度冲入其稀薄的大气层。

好奇号是极限

传统上，飞行任务是从一个大气层开始下降，以消除航天器的一些速度。发射到火星的最重的任务设备是“好奇号”，它的重量为1吨。

当它进入火星大气层时，它的速度是每秒5.9公里，即每小时22000公里。

好奇号进入火星大气层

在大约131公里的高度，宇宙飞船将开始发射推进器，以在接近火星表面时完美地调整轨道。

经过80秒的大气层飞行，隔热罩上的温度上升到2100摄氏度。为了不熔化，防热罩使用了一种特殊的材料，称为酚碳热烧蚀板(PICA)。顺便说一句，SpaceX的龙飞船胶囊也用同样的材料。

一旦它的速度降低到低于2700公里/小时，航天器打开了有史以来最大的降落伞，为火星任务建造的16米宽的降落伞。这个降落伞可以产生29000公斤的阻力，使它的速度更慢。

悬架线是由泰克诺拉纤维（Technora）和凯夫拉纤维（Kevlar）制成的，这两种材料几乎是我们所知的最强和最耐热的材料。

然后，它抛弃了降落伞，并使用火箭发动机进一步减缓了它的下降速度。当它足够接近时，好奇号部署的一台天空起重机，将探测器轻轻地降到地面上。

这是快速版本。如果你想全面了解好奇号登陆火星的经历，可以去查阅一下其他资料。

好奇号的天空起重机图片，它轻轻地将探测器放在火星上

想用更重的有效载荷做同样的事情吗？我相信你想象的是更大的降落伞，更大的天空起重机。

理论上，SpaceX星际飞船将把总重100吨的殖民者及物资送到火星表面。问题是，在火星大气中减速的方法不能很好地扩大。

首先，让我们从降落伞开始。老实说，在1吨的时候，好奇号的重量相当于你使用降落伞所能达到的重量。在更重的情况下，没有任何材料工程师能用它来处理减速负荷。

几个月前，美国宇航局的工程师庆祝了超音速降落伞充气研究实验(ASPIRE)的成功测试。这是将用于火星2020探测器任务的降落伞。

ASPIRE有效载荷与其助推器分离

他们把由尼龙、泰克诺拉纤维和凯夫拉纤维等先进复合材料制成的降落伞放在探空火箭上，并将其发射到37公里的高度，模拟飞船到达火星时的情况。

降落伞在不到一秒钟的时间内展开，并完全充气，产生了32000公斤的力量。如果你当时在飞机上，你将会感受到3.6倍的力量，就像是带着安全带以每小时100公里的速度撞到墙壁上。换句话说，你活不了。如果航天器更重，它将需要由复合材料制成。

美国宇航局一直在尝试不同的想法，将更重的有效载荷降落在火星上，比如，重达3吨的物体。

一种想法被称为低密度超音速减速器（LDSD）。这个想法是使用一个更大的空气动力学减速器，当航天器进入火星引力时，它会像一座有弹性的城堡一样在太空船周围膨胀。

低密度超音速减速器（LDSD）插图

2015年，美国宇航局实际测试了这项技术，在36公里的高度上用气球携带了一个原型飞行器。随后，该飞行器发射了固体火箭，载着它飞到了55公里的高度。

当它快速上升时，它将超音速充气式空气动力减速器充气至直径6米，然后将其减速到3000公里/小时。不幸的是，它的降落伞没有正确地展开，因此坠入了太平洋。

这就是进步。如果他们真的能搞清楚工程学和物理学，我们总有一天能看到3吨重的宇宙飞船在火星表面着陆。

更大的推进力，更少的货物

下一个扩大火星登陆的想法是使用更多的推进器。从理论上讲，你可以携带更多的燃料，在到达火星时发射火箭，并减慢速度。当然，问题是你携带的减速质量越大，你实际上可以降落在火星表面的质量就越少。

SpaceX星际飞船预计将使用推进式着陆，将100吨重的物品送到火星表面。因为它采取了一种更直接，更快的路径，星际飞船撞击火星大气层的速度超过8.5公里/秒，然后利用空气动力减缓进入速度。

当然，没必要这么快。星际飞船可以使用空气制动，多次穿过高层大气以消除速度。实际上，这就是轨道航天器前往火星时所采用的方法。

但是，飞船上的乘客需要花几个星期的时间才能减速，进入环绕火星的轨道，然后在大气层中降落。

根据埃隆·马斯克(Elon Musk)的说法，他处理所有热量的非直觉策略是用不锈钢制造航天器，然后壳体上的小孔将排放甲烷燃料，以保持航天器迎风一侧的凉爽。一旦它释放出足够的速度，它就会转向，启动猛禽引擎，然后轻轻地降落在火星表面。

瞄准地面，在最后一刻停下来

宇宙飞船用来减缓其下降到火星表面的每公斤燃料都是一公斤它不能带到火星表面的货物。

我不确定有没有任何可行的战略，可以轻松地在火星表面降落更重的有效载荷。比一些人认为，如果不使用大量的推进剂，这几乎是不可能的。

伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校航空系的一项新研究提出，火星飞行任务可以利用接近火星表面的较厚的大气层。

在他们题为“火星上高弹道系数飞行器的进入轨道选择”的论文中，研究人员提出，飞往火星的航天器不必急于摆脱它们的速度。

当航天器穿过大气层时，它仍然能够产生大量的空气动力升力，这些升力可以用来引导它通过大气层。

他们进行了计算，发现理想的角度是直接指向宇宙飞船并俯冲到地面。然后，在最后一个可能的时刻，利用空气动力升力向上拉起，在大气最厚的部分横向飞行。

这会增加阻力，让你在打开下降引擎并完成动力着陆之前，摆脱大部分速度。

如果人类要在火星表面建立一个可行的未来，我们就需要解决这个问题。我们需要开发一系列技术，使火星着陆更加可靠和安全。