科幻是基于科学现实的未来展望。随着科技的发展，科幻与现实科技的界线越来越模糊，昨天曾经畅想的太空科幻，已在今日成为航天科技的现实。火星是太阳系中自然环境与地球最相似的行星，也是太阳系中经改造后唯一有可能实现人类大规模移居的天体。自阿波罗17号航天员最后一次登月至今的43年里，载人航天长期被限制在地球附近的轨道，这种状态必须改变。如今的载人航天已经到了突破地球引力束缚，为实现载人登陆火星而努力的关键阶段。

一、抵达火星

由于地球和火星都是运动的天体，所以从地球出发的火星探测器并非任何时候都可以发射，而是每隔2年零2个月（780天）才有一次发射机会，这样的发射机会称为发射窗口。也就是说，火星探测器的发射窗口每隔26个月才会打开一次。这是因为每隔780天，太阳、地球、火星就会排列成一条直线，称为火星冲，此时是发射火星探测器的好机会。

从地球发射的火星车或着陆器在抵达火星上空后，要穿过火星大气层才能“踏”上火星表面，这期间需要经历惊心动魄、生死攸关的一幕。探测器从131千米的高空进入火星大气，时速高达21000千米（每秒5.9千米），要在短短七分钟的时间内，让探测器的速度降至零，从而实现安全着陆。这也是所有火星探测任务中技术难度最大、失败概率最高的关键时刻。这一阶段被称为“进入、下降和着陆”（EDL）阶段，是名副其实的“黑色七分钟”。

回顾世界各国的火星探测历史，我们发现，安全着陆在火星表面主要通过三种方式来实现：

第一种方式是气囊缓冲。这种方式适用于轻质量着陆器的登陆，当着陆器在火星表面着陆前，包裹着陆器的气囊充气展开，通过气囊在火星上的弹跳逐步降低高度，实现成功着陆。1996年12月4日发射的探路者号火星车就是采用气囊缓冲方式，成功着陆至火星表面，初步验证了火星大气进入、减速和着陆缓冲全过程的可行性；2003年6月和7月分别发射的勇气号与机遇号这对“孪生”火星车，使气囊缓冲着陆的方式得到了充分验证，成功实现了对火星表面较大范围的巡视。

勇气号和机遇号火星车采用气囊缓冲方式，成功着陆在火星表面

第二种方式是着陆支架缓冲。2007年8月4日发射的凤凰号着陆器比机遇号和勇气号火星车的质量更重，如果依靠降落伞和安全气囊着陆，则需使用更大面积的降落伞和体积更大的气囊，但这会挤占所搭载的科学仪器的重量。因此，凤凰号采用了火箭反推和着陆支架缓冲的方式，实现在火星北极地区的安全着陆。

凤凰号着陆器利用反推火箭实现动力减速，这种方式适用于较重着陆器的着陆，同时可准确选择着陆点

第三种方式是空中吊车着陆。这种方式适用于大质量着陆器的登陆，2011年美国发射的好奇号火星车首次采用这种技术并获得成功。好奇号以每小时20000千米高速进入火星大气层，火星车被装载在盾形的热保护罩中，热保护罩可以经受高温烧蚀，起到隔热防护作用，确保火星车不会被火星大气层烧毁。当探测器距离火星表面11千米高度时，先打开巨大的降落伞降低飞行速度，24秒之后，热保护罩脱离。当探测器下降到1.4千米高度时，背壳分离，探测器上的8台制动火箭点火，通过火箭反推将下降速度从每秒80米减速至每秒0.75米。当探测器距离火星表面20米高度时，着陆器在空中“悬停”，空中吊车释放出尼龙绳，将好奇号火星车从着陆器上吊运到火星表面，实现着陆。

好奇号火星车是一个功能齐全的移动科学实验室，相当于地球上配备多种分析手段的岩矿分析实验室。好奇号重3.6吨，耗资26亿美元，全部采用核能发电，是世界首个没有太阳能电池板的深空探测器。

空中吊车释放出尼龙绳，将好奇号火星车吊运到火星表面

对于20年后的载人登陆火星来说，需要运送到火星表面的登陆舱质量更重，不仅需要强大的热保护罩，还需要非常大面积的降落伞，并且把反推火箭动力减速和空中吊车等手段统统用上，实现多种着陆手段的“混搭”，才能确保航天员安全登陆火星表面。目前，作为星座计划核心的战神号货运火箭、载人火箭、猎户座载人飞船均已成功试飞，具备了载人登陆月球、小行星和火星的大部分功能。

登陆火星需要热保护罩、大降落伞、反推火箭、空中吊车等多种技术手段混搭，才能确保航天员安全登陆火星表面

为研究航天员在奔赴火星的旅途中，长期密闭环境对乘组健康状态及工作能力的影响，特别是超长时间飞行、完全自主控制、资源有限、无法实施身体及心理治疗、火星表面出舱活动等条件下的人体生理和心理状态。俄罗斯联合多国科学家于2010年6月3日展开为期520天的登陆火星模拟实验，在人类历史上首次模拟登陆火星航天飞行往返任务的全过程。封闭试验分为三个部分：前250天为飞船发射和试验飞往火星的旅途、中间30天试验登陆火星、最后240天试验从火星返回地球。包括中国航天员王跃在内的6名志愿者经历了从火箭发射、行星际旅行、火星登陆到返回地球的全程试验。在试验阶段，全部志愿者的生活和工作仅限于实体模型航天器，所需资源要求一次装备到位。志愿者不能和外部直接交流，若透过互联网交流会有20分钟延迟。飞船完全自主控制，医学救助通过遥控操作技术实现。

载人登陆火星往返需要500天，如何克服旅途的寂寞、恐惧和疾病，需要在地面开展大量试验。图为俄罗斯开展的“火星-500”生存试验

二、火星生存

地球人如何在火星上生存？正如系列纪录片《荒野求生》被很多户外运动爱好者作为野外生存指南一样，2015年上映的太空大片《火星救援》于以其丰富的科学内涵和坚实的技术基础，在一定程度上可以作为未来载人登陆时的火星生存手册。

那么，人类怎样才能在未来的火星家园里生存呢？

航天员在火星上进行科学考察和建站任务时，必须穿戴着十分厚重的宇航服。火星表面环境十分严酷，非常寒冷且空气稀薄。宇航服是保障航天员生命安全的个人密闭装备，用于保护航天员在真空或稀薄大气、剧烈温差、强烈太阳风和宇宙射线、微陨石撞击等地外天体表面环境中安全生存。

真实的宇航服相当于一套完整的生命保障系统，功能强大，是航天员的救命必备物。宇航服的设计一方面需要适应火星表面的环境特征，另一方面要便于航天员开展火星表面考察和作业任务。真实的宇航服上不会有任何饰品，一切都将服务于保障航天员生命安全的目的。

正在研制中的火星宇航服包括关节、手套、头盔、氧气系统、水循环系统、散热系统、通信系统、电子系统等系统组成，可以实现服装参数实时监视、与其他航天员通话、浏览任务清单、拍照、控制光线、火星表面导航等功能。

在材料方面，宇航服整体上分为硬的结构部分和软的面料部分，既要求有一定的强度，能防止微陨石撞击，坚硬石头棱角的穿刺，又要比较轻便，灵活而柔软。宇航服内外要实现热隔离，服装温度可以调节。火星上的磁场强度极弱，太阳风粒子和宇宙辐射很强，制作航天服的面料应采用新型高分子材料的纤维织物，能提供一定的辐射防护。

在灵活性方面，火星表面重力只有地球表面的38%，却是月球表面的2倍。阿波罗登月航天员的靴子不能延用到火星上，火星航天员需要一双更坚固、舒服和耐用的靴子。在失重情况下，现在的宇航服设计可以借助手杖行走，但臀部、腰部和膝盖都不能灵活活动。未来登陆火星的航天员一呆就是几周甚至几个月，航天员要在火星表面自由行走，火星宇航服要有可弯曲的膝盖，保证航天员可以蹲或跪下。臀部要有轴承和像手风琴一样可拉伸的连接，方便航天员蹲或坐，获得足够的自由度。为避免火星上的沙尘暴和弥漫的尘土随宇航服带入居住舱，火星宇航服允许航天员从背部脱离，航天员进入居住舱后，宇航服被挂在舱外，避免将尘土带入舱内，危害航天员健康。

在生命保障方面，火星表面的大气压力只有地球表面的1%，人体血液中含有的气体在真空中会膨胀。所以，火星宇航服是一套充满了气体的加压密封系统。如果不穿戴加压的密封航天服，航天员因体内外压差悬殊，身体肿胀，血液将瞬间停止流动，危及生命。宇航服的背上是一个自由呼吸袋，人体呼出的二氧化碳和水汽可以用过滤器过滤。

因此，火星宇航服整体上分为三层，第一层是充满气体的抑制层；第二层是支撑服装、使之相互连接可活动的构造层；第三层是提供隔热和防穿刺的外围层。正在研制中的火星宇航服的重量约为140千克，具有较好的活动性，较高的可靠性和较长的寿命。即便如此，还有许多问题有待研究解决，特别是火星表面辐射防护是一个很大的挑战。

登陆火星的航天员绝大部分时间是在居住舱内生活的，居住舱是航天员在火星上的家，具有温度、湿度和空气调节功能。航天员在居住舱内活动不需要穿着笨重的舱外宇航服，可以穿得和地面上一样。居住舱是人类在火星上得以生存下来的重要保障，也是载人登陆火星之前必须要解决的关键技术。

为了训练火星生存经验，美国宇航局约翰逊航天中心专门建立了火星生存模拟系统供航天员训练使用，为人类在火星上的长期生存做准备。火星生存模拟系统拥有独立的生命保障系统，分为上下两层，包括起居间、工作站及模拟气闸舱。根据实验效果，目前这套系统还在进一步改进，以适应未来的火星表面生存和作业。

火星居住舱和火星车。航天员出舱在火星表面开展地质考察，并与机器人相互协作

太空辐射防护是航天员火星生存面临的最主要的困难之一。在载人前往火星的途中，航天员主要面临两类危害健康的辐射粒子：一类是剂量较低，但长期存在的银河宇宙射线，其能量高、穿透性强，很难防护，普通的飞船外壳基本上无法阻止它们，即使是30厘米厚的铝板，防护效果也极为有限，严重威胁航天员健康。另一类是太阳耀斑和日冕物质抛射时产生的太阳高能粒子，通常是指能量为数百兆电子伏特的质子，能量比银河宇宙射线的能量要低得多，持续时间较短，利用飞船外壳可以进行有效防护。预测未来的载人火星飞船很可能会配备一间‘太阳风暴庇护所’，在太阳风暴发生时，航天员可以躲进庇护所，抵御来自太阳的高能粒子。

随着科技的进步，未来有可能会发现一些新型的轻质材料，或许会比铝板具有更好的防护效果。但即使找到这种新型防护材料，也只能降低部分辐射剂量，穿透防护材料的射线仍然会对人体健康产生危害。因此，防辐射是航天员登陆火星面临的重要难题。现实的选择是就地利用火星土壤，加入粘结剂固结成型，或用包装物填充火星土壤，一定厚度的土壤将可以有效地降低太空辐射对航天员的危害。

太阳系中充满了太阳风和宇宙射线等太空辐射，对人类和生命健康造成了很大威胁，因为地球磁场的防护，人类才得以在地球上长期生存

火星上没有加油站，载人飞船和火星车都需要太阳能电池作为能源。电力越充足，越有能力开展多种操作和实验，并降低系统故障对火星生存的威胁。现实中，我们头顶的国际空间站拥有一套强大的太阳能发电系统，未来用于深空飞行的猎户座号载人飞船，也将采用太阳能电池发电的方式提供能源。

为了能在火星上长期生存，除了太阳能电站，还需要绝对可靠又耐用的电力供应，同位素温差电池是一个现实的选择。同位素温差电池实际上是一个小型的核反应堆，放射性同位素在衰变过程会产生大量热能，并把热能转换成电能。新视野号冥王星探测器上的同位素温差电池内装10.9千克二氧化钚，利用其中的钚-238衰变时释放热量，通过温差发电为航天器提供稳定电力供应。现实中，NASA在深空探测任务中使用同位素温差电池已有40多年的历史，已在20多次任务中成功使用，包括火星、木星、冥王星等探索任务。

为了避免放射性泄漏污染太空，同位素温差电池都用多层十分坚固的材料密封包装，即便发生飞船爆炸等灾难性事故，也不会产生一丝裂痕。由于同位素温差电池释放的是α射线，无法穿透衣物或皮肤，所以也不会对人体产生危害。

为研发载人登陆火星和训练航天员火星生存和的相关技术，科学家在美国犹他州的沙漠、非洲摩洛哥的撒哈拉沙漠北部、以及青藏高原的柴达木盆地等地区找到了火星表面的模拟场景，并设立观测站开展长期观测、训练和研究。

科学家在犹他州沙漠中找到了类似火星表面的模拟试验场，设立了火星沙漠观测站，让航天员在火星模拟场景中开展模拟生存、地质考察、植物栽培等（Jim Urquhart/Reuters）

三、火星种植

水是生命之源，火星上的水资源实在太珍贵了，没有水航天员在火星上将完全无法生存。虽然水在太阳系很多天体上都非常丰富，火星上也曾经有过大规模的水，形成过许多河流和湖泊。但现在的火星上还没有找到可用的水源，NASA刚刚宣布发现的火星液态水也只是含有高氯酸盐的有毒卤水，分布在少数的火星撞击坑陡坡上。航天员火星生存所需的水仍是一个困难，因此再生水回收系统就变得非常重要。

有了水，就可以在火星上建农场、种庄稼。那么，火星土壤与地球土壤究竟有何区别？怎样才能改造火星土壤，在寸草不生的火星上种出庄稼来，这方面也已经进行了有益的探索。

火星土壤与地球土壤的物质组成基本相同，但是地球土壤里有微生物群落，某些特定的养分只能通过微生物来提供，而火星土壤中没有微生物。因此，火星种植的第一步，是改造火星土壤。可以将少量的地球土壤与火星土壤混合，加上收进厨余桶的有机物，以及航天员的粪便进行混合、发酵，让地球土壤中的微生物感染火星土壤。经过一周左右的时间，火星土壤就会被改造成充满微生物的土壤，支撑作物生长。

以建设一个面积为92平方米的微型火星农场为例，如果整个地面都铺上10厘米深的火星土壤，总共需要搬9.2立方米的火星土壤到居住舱里。如果每位航天员每次只能搬动0.1立方米的火星土壤，要建设一片92平米的火星土壤，需要进出居住舱92次。同时，要改造火星土壤，每立方米土壤就需要40千克的水，建设一片92平米的菜园，需要368千克的水。

培养好火星土壤之后，下一步需要筛选适应火星土壤和火星环境的先锋植物，研究火星引力对植物生长的影响。之后，用地球上最顽强且最容易种植的作物种子作为测试作物用于火星种植。根据目前的经验，土豆可能是火星种植的最佳选择。土豆可以大量繁殖，而且土豆也能提供相当不错的热量（每千克含有770卡路里的热量）。

没有任何微生物的火星土壤

在火星上种植作物，不仅可以确保未来登陆火星的航天员能够满足营养需求，还可以大大减轻需要从地球上运送的物资重量，显著降低载人登陆火星的技术风险和经费成本。在这方面，国际空间站开展了大量种植试验并获得成功。2015年，国际空间站已经成功栽培出新鲜的蔬菜。在空间站上，蔬菜属于极具开发潜力的新鲜食材，只要用有色光线控制，蔬菜就会乖乖生长，按时供航天员食用。其中生菜是最容易种植的蔬菜品种。

马克和他的火星农场，他正在测量土豆的长势。马克身边的是自制的用火箭燃料N2H2生产水的装置

四、未来已来

20世纪，我们实现了载人登陆月球，人类第一次有能力登陆除地球外的另一个天体；21世纪的上半叶，我们将实现载人登陆火星的梦想，这是人类航天史上最重要、最复杂的太空计划，将对人类的未来产生深远影响。

虽然科技发展日新月异，但人类面临的命运却十分脆弱，我们面临的重大自然灾难除了地震、火山、海啸外，还包括小天体撞击、地球磁极倒转、超新星爆发、超级太阳风暴等。生命体即使庞大如恐龙，也能在一夕间灭亡殆尽。因此，人类必须保持足够的危机感和紧迫感。

然而，在可预见的将来，人类还不具有飞出太阳系的能力。在太阳系范围内，只有火星环境最适宜生命生存，是我们移居外星球的首选目标。虽然我们在太阳系中探索木卫二和土卫六等天体，在太阳系外搜索系外行星，但这些任务的主要目标是探测这些天体上的生命信息，而非为人类提供未来的移居地。

根据目前的探测成果，火星上可能存在过生命和液态水，这就为人类向火星移民，开辟新的生存空间提供了希望。人类可以通过在火星上创造温室效应，经过一二百年的改造，使之成为太阳系中的另一颗宜居行星。

自阿波罗17号航天员最后一次登月至今的43年里，载人航天长期被限制在地球附近的轨道，这种状态必须改变。如今的载人航天已经到了突破地球引力束缚，为实现载人登陆火星而努力的关键阶段。载人登陆火星不仅需要丰富的知识积累、坚实的技术储备、专业全面的人才队伍，还需要合适的政治气候和民意支持。

截至2013年底，人类共进行了42次火星探测活动。由于地球和火星的轨道运动差异，火星探测器的发射窗口每26个月才会“打开”一次。从1996年以来的8个发射窗口，已经发射了11颗探测器，取得了大量探测资料。火星已经成为除地球之外人类认识程度最高的行星，甚至超过了人类已经登陆过的月球。

火星是美国太阳系探测战略的核心。目前，火星探测的科学战略从早期的全球普查，逐渐聚焦到对重点地区开展精细探测；从火星找水逐步转到寻找生命信息。科学界越来越清晰地认识到，火星是人类面临重大灾难时最有可能去的避险地。火星上发现了三角洲、冲击扇、沟渠等大量流水侵蚀地貌；一些盆地与中国柴达木盆地中的干涸盐湖十分相似，说明火星上曾经发育过大型湖泊；2007年发射的凤凰号着陆器直接探测到了火星土壤中的水蒸气。这些证据表明，火星土壤就像青藏高原的冻土层一样，现在仍然含有水。

火星上有水已经得到确证，那么火星是否适合生命生存呢。生命科学的研究发现，生命可以在很多极端环境和极限条件下生存。细菌和孢子可以在非常寒冷、干燥、隔绝空气的环境下休眠数百万年，在环境条件适宜时重新激活。火星北极的土壤中就可能存在这样的休眠微生物菌落。科学家还在地球上模拟火星的辐射、昼夜温差等环境条件，10000个样本中有6个食杆菌属的细菌在30天的试验后仍然存活，证明微生物可以在火星上长期存活。这也验证了人类改造火星的一种可能，即把低等微生物作为先锋生物释放到火星表面，通过生物作用逐步改造火星环境，最终使之适合人类生存。

在载人登陆火星的技术储备方面，火星探测的成功率越来越高，技术已经逐渐成熟。2011年发射的好奇号火星车体积相当于小轿车，重量达3.6吨，是一个功能齐全的小型实验室，并首次采用了太空起重机技术，通过绳索将火星车缓缓降落到火星表面；好奇号火星车全部采用核动力发电技术以确保火星车的能源供给，这也是世界上第一个没有太阳能电池板的深空探测器。这些新的探测手段、着陆方式、能源供应技术可推广应用到未来的载人登陆火星的任务中。

高速进入火星大气层，安全登陆火星表面仍是重要难点

总之，火星已成为人类未来移居的首选目标，对人类具有很强的吸引力，现有的知识储备和技术能力已经基本满足载人登陆火星的需求。载人航天技术，特别是重型运载火箭和新一代载人飞船的性能有了显著提升，载人登陆火星不再是纸上谈兵。预计未来20年左右人类将首次踏上火星表面，而后朝着建立火星前哨站、改造火星环境、火星移民的长远目标逐步迈进。

人类登陆火星的梦想并非遥不可及，预计未来20年左右即将成为现实

小知识点：

1、火星上的辐射环境怎样？

在载人登陆火星前，科学家希望了解火星上的辐射环境，以便为航天员设计有效的辐射防护系统。2011年11月26日发射的好奇号火星车搭载了一台辐射评估探测器（RAD），测量飞船内部的高能粒子辐射环境，目的是为未来载人火星旅行提供基础数据。根据2013年5月31日发表在《自然》杂志上的文章，按照RAD的测量数据，航天员在火星上接受的累计辐射剂量，相当于每星期接受一次全身CT扫描。

2、航天员在火星上生存所需的氧气和水是怎么解决的？

航天员在火星上生存，除了需要计算自己每天所需摄入的热量（卡路里）和水，再生水回收系统是必不可少的。现实中，这样的再生水回收系统已经在国际空间站上得到了成功应用。在国际空间站，同样不会有任何一滴汗水、眼泪或尿液被浪费。这种新的净水系统被称为“水膜”，这种隔膜利用纳米技术和调节生物体水分的蛋白质技术，可以将汗液、尿液等废水转化为可饮用水。

利用这套再生水回收系统，国际空间站内收集的水分经过过滤、净化后循环利用。有位航天员曾经形象地说过，在国际空间站上，我今天喝的咖啡就源自昨天喝下去的咖啡。在纪录片荒野求生和地震救援中，很多人甚至靠喝尿液才得以生存下去。其实，这一幕每天都在国际空间站上演……

除了住所、食物和水，在火星上生存还有一项重要的条件：氧气。火星生存所需的氧气来自于水的分解，以电解方式分离水分子中的氧气和氢气，这种制氧设备已经成功用于国际空间站。生产出来的氧气释放到空气中用于维持生命，氢气则进入制水循环系统。火星局部地区的地下有丰富的含水层，火星表面的空气中也有一定含量的水，通过收集这些水，电解产生氧气，将大大解决从地球运往火星的运货总量，显著降低载人登陆火星的经济成本。

航天员正在展示国际空间站再生水回收系统的杰作——用各种废液生产的纯净水

3、载人登陆火星的火箭和飞船研制进展怎样？

以载人重返月球为目标的星座计划虽然已被中止，但作为星座计划核心任务的战神号货运火箭和载人火箭、猎户座载人飞船的研制并没有取消。2009年10月，战神1号火箭试飞成功。2014年12月，猎户座载人飞船首次绕地球试飞获得成功，飞船经受住了每小时30000千米的高速地球再入和2300摄氏度的高温，这种飞船已经具备了载人登陆月球、小行星和火星的绝大部分功能。

4、美国政府在载人登陆火星上的态度是否积极？

从美国民意支持分析，普通人对火星这颗红色星球充满浓厚兴趣，NASA开展火星探测一直获得多数民意的支持。1960~1975年的第一次火星探测高潮期间，前苏联发射的“火星号”系列和“宇宙号”系列探测器几乎全部失败。相比而言，美国人在火星探测方面一直倍受幸运之神的眷顾，保持着很高的成功率。在21次探测任务中有17次成功，成功率高达70%。特别是新世纪以来的所有火星任务全部获得成功。作为一个鼓励冒险、创新和探索精神的移民国家，实现人类首次登陆火星的目标在美国无疑具有强大的号召力。

在航天政策方面，美国政府近年来大力鼓励和扶持民营航天企业发展，大力培育民营航天企业的研发能力和技术实力。NASA将逐步退出低轨道航天飞行任务和商业发射任务，把这些任务承包给民营企业，在激活民间热情的同时大大降低轨道器的发射成本。未来，美国政府将集中力量发展月球及以远的深空探测任务。在这一政策方向的战略转移过程中，载人登陆火星毫无疑问是其头号目标。

航天员在火星表面开展地质考察，人与机器人的相互协作是必然需要

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