去火星容易,为什么宇航员不能从火星返回?

歆琳科普


其实去火星也是不容易的,只不过宇航员要从火星返回就更加困难了。

人类前往火星路途遥远凶险

火星是地球的邻居,但是它到地球地球的距离对于人类来讲还是得长远的。火星距离地球最近的时候也有5500多万公里。这相当于绕地球赤道1375圈;地球到月球距离的143倍。从目前已经前往火星的探测器飞行情况开看,前往火星需要6个多月的时间。

图示:火星

人类发射探测器到火星有多困难呢?一个美国的科学家曾经打过一个比方。他说,我们发射火星探测器到火星就好比一个人站在美国的东海岸把篮球投进远在4000公里以外的美国西海岸的篮筐里。可以想象一下把探测器发射到火星上面确实不容易。地球和火星在各自的轨道上面以不同的速度在围绕着太阳公转,它们之间的位置在不断的发生着变化。因此,探测器要在火星上精准着陆也不容易啊。

这说的是火星探测器,如果是载人宇宙飞船前往火星呢?那就更加困难了。宇航员要在宇宙飞船中待上6个月的时间,宇航员是要面临极大风险的。狭小幽闭的空间会对宇航员精神造成极大的摧残,产生极大的压力。宇宙中的致命辐射,微重力环境会对宇航员健康造成极大损害。

图示:飞往火星

宇航员返回更加困难

我们往火星上发射探测器,只需要把它们送到火星顺利着陆就算是大功告成了。但是人类宇航员到登陆火星那就不同了,我们不但要把宇航员送到火星上去,还要让他们安全的从火星上返回。

有一点可能朋友们不是很清楚,人类登陆火星可不像登陆月球那样完成了任务就可以打道回府。宇航员登陆火星后就不得不在火星上带上26个月才能再次返回地球。这是为什么呢?原来我们在距离火星最近的时候前往火星,但是在抵达火星是在6个月以后,这时候的火星已经远离地球了。我们从火星上返回的燃料是从地球上带过去的,从经济成本上考虑肯定是等到火星距离地球再次最近的时候才能返回的。然而火星每隔26个月的时间才能再次距离地球最近。因此宇航员就必须在火星上生存两年多的时间才能再次返回地球。

图示:火星和地球每两年才靠近一次

而要在根本就适合人类生存的火星上生存两年的时间,可比把宇航员送上火星要难上不知道多少倍。因为有太多不确定的因素在里面。所以说,人类登上火星不容易,要从火星返回更加困难。


兔斯基聊科学


如果单纯的想去火星,不用考虑回来的事,确实可以办到!但想用目前的技术把人类从火星带回地球确实有点不现实,甚至可以说不可能实现。虽然近年来,火箭推进、制造和硬件的重复使用得到了巨大的发展。但是,科学家和各种航天机构仍然受到60年代nasa面临的同样的问题,重力和能源的束缚。从火星返回地球比去月球或去火星的单程任务对人类来说更具挑战性和危险性。

首先火星比月球的重力更强

火星上的重力是月球上的两倍多(大约是地球的三分之一)。目前,如果要载人去火星,运载火箭和逃离火星引力所需的燃料成本高得令人望而却步。从月球表面升起的每千克质量需要从地球发射632千克的硬件、燃料箱和燃料。从火星表面发射1公斤重量要比月球贵10倍以上。有人提议用火星上的自然资源建造火箭发射基地或生产燃料。但是采矿设备非常重,得首先运送到火星。即使不采矿,所有的矿产资源都被事先整齐地堆放在火星上,直接拿来用,但将这些资源转换成合金材料和可用的火箭燃料所需的制造设备比直接从地球上携带硬件和燃料还要重。虽然在火星上生产燃料,理论上可行,但这些方法超出了当前的技术。

火星的距离更远

阿波罗号宇航员花了3天时间,从地球到月球跨越了38万公里。地球和火星之间最短的距离大约每2年出现一次,大约是7800万公里,是月球旅行距离的203倍。但在轨道转移的过程中,火星也在运动,因此对霍曼转移轨道原理的应用表明,如果没有极高的能量(比如极高的速度),从地球到火星的最短路径实际上是5.93亿公里,即比月球旅行长了1543倍。

火箭的极限速度

我们可以通过长时间持续加速达到巨大的速度。但是在所有加速过程中,必须带一台重型发动机和足够的燃料以及能容纳燃料的油箱。还有,这么重的设备燃料为了安全着陆在火星上,将需要几乎等量的燃料来减速。解决这个问题需要的一种方法是,在只运输有效载荷的同时,让大量的燃料(也许还有发动机)留在地球上。以光的形式向移动的有效载荷传输能量是实现这一目标的一种方式。但是像核引擎、离子驱动和磁力推进一样,这些都还没有实现。此外,即使是100%效率的发动机也需要大量的能量才能穿越这段距离。

船员的补给

根据上面的第2和第3条,使用任何技术去火星旅行的最短时间是6-8个月。在这段时间里,维持一个船员的生活所需的补给,使本已严重的重量问题雪上加霜。还要考虑在火星上维持宇航员所需的大量补给和避难所。从火星返货所需的补给更加麻烦,因为你需要带更多的燃料和油箱来加速火箭离开火星轨道返回地球。如果想在火星上自给自足,在火星上生产食物,这需要时间来建造,也需要更多的设备来设置和维护,这反过来会增加地球发射的有效载荷质量。诱导宇航员进入深度睡眠状态可以减少所需的总供应,但这种技术目前有风险,也未经测试,不是我们当前技术的一部分。

火星载人计划

美国宇航局2009年的报告“严峻的人类火星任务”确定,一个4人返回火星的任务将需要在低地球轨道上组装多个硬件和燃料的有效载荷,这些有效载荷由拟议中的战神五号火箭(比土星五号更大)运载。战神五号总共需要发射13次,仅是为了将所有硬件、设备、燃料和乘员先送入近地轨道。这将是整个阿波罗计划中土星五号发射的总数。另外四次较小的火箭将把硬件、燃料、补给和机组人员的独立有效载荷从地球轨道推向火星。其中一些有效载荷最终会下降并降落在火星表面,而另一些则在火星轨道上等待。在完成表面工作后,最小最昂贵的发射将把机组人员和土壤样本带进火星轨道,与等待在火星轨道的燃料和补给有效载荷会合,然后飞出火星轨道返回地球。

如果没有冷战的压力,公共或私营部门就没有足够的资金或兴趣来资助这么大的工程。但未来肯定会有载人火星任务,可能很快就会有。但从目前来看载人火星任务只是一个单程旅行,要么就需要发展出今天还不存在的技术。


量子科学论


说实话,去火星也不容易,火星离地球最近的时候也有5500万公里,最远的时候则超过4亿公里,你说要是送个探测器过去容易些,但是要送宇航员上去还真没有那么简单。目前人类去过最远的星球是距离地球38万公里的月球,当初是月球用的火箭是土星五号,因为月球上的逃逸速度小,而且没有空气阻力,所以当时宇航员从月球返回地球还是比较容易。

但是宇航员要想从火星返回地球可并不像阿波罗计划中月球返回地球那么简单,首先的话火星的质量远比月球大的多,因此火星上的引力也比较大,逃逸速度也比较大。当初阿波罗计划中,只需要把飞船的速度加到2.4km/s就可以逃离月球,而且月球上没有大气,相对来说还是比较容易。但是火星上就不一样了,火星的逃逸速度是5.02km/s,而且火星上有大气,所以说在火星上使用飞船返回地球还是比较困难。



而且最主要的是我们的火箭用的还是化学燃料,化学燃料的劣势是给飞船加速有限,往往去一趟火星需要6个月,而且火星要每隔两年才更地球更近,也就是说我们的整个火星旅程可能需要3年,那么这么长的时间就需要考虑宇航员食物的问题,你需要携带更多的燃料和使用更大的火箭去火星。看过地球上发射卫星的都知道,一个火箭燃料占了绝大部分,只有一小部分是有限载荷质量,这还只是发射到地球轨道。而如果说要把人送上火星,则要准备大量的物资,你的火箭应该做的多大才行呢?而且你要考虑回来地球时候的燃料问题,你不太可能从地球上带上返回地球的燃料,这样跟本不现实,当初美国登月的时候,整个火箭的重量达到了 3000多吨,但实际月球轨道的运载能力才45吨。有人说可以利用火星上的现有资源来解决这些问题,可是你也需要先把这些设备发过去火星才行。



其实我觉得去火星最主要还是要解决燃料的问题,化学燃料是根本不现实的做法,最可靠的燃料还是核聚变。运用核聚变技术可以增加有效载荷,并且可以让飞船的速度加到0.1c ,那么一趟火星之旅能减少到3个月,或许那时候才是人类登陆火星的时候。


科学日记


以现有的技术,如果不考虑成本,人类是有可能做到从火星返回地球的。

我们之前经常看新闻说去火星是单程票,有去无回,那是因为火星返回极其困难。如果考虑经济成本,那就没有任何希望从火星返回到地球。

为什么我们可以从月球返回呢?

学过物理的都知道每个星球都有自己的逃逸速度速度,也就是脱离逃离该星球引力拖拽的最小发射速度。

地球的逃逸速度也就是第二宇宙速度,约为11.2km/s。而星球的逃逸速度由引力决定,由于月球的引力小,其逃逸只有2.4km/s。

逃逸速度越小,其需要的燃料就越少,火箭发动机的负荷就绰绰有余。这时候就不需要建立发射架固定火箭了。

之所以需要发射机固定火箭,是因为其燃料负荷太大,而月球返回不需要太多燃料。所以可以快捷返回地球。

反观火星,其质量比月球大8倍,其逃逸速度约为5km/s,是月球的一倍多。

然而就是多一倍的逃逸速度,对燃料的需求就更多。

我系统列举目前不能从火星返回地球的四个原因

一:月球更大的引力

火星是月球的引力的两倍多。摆脱火星引力所需的燃料的成本十分高昂。

科学家计算过,从月球表面起飞的质量每增加一公斤,其发射时就需要多632公斤的负载,比如油箱和燃料。

而在火星上的每一公斤起飞成本是月球的10倍。

目前唯一可行的方案就是从地球发射飞船时不携带过多燃料,从火星返回地球所需的燃料可在火星上制造。当然这样一来成本就成了无底洞了。

二:火星比月球远得多

阿波罗计划中,宇航员只花了三天时间就抵达38万公里之外的月球。

而地球和火星之间的最短距离也7800万公里。乍一看,去趟火星最近的距离是月球之旅的203倍。

但是霍曼转移轨道原理表明:从地球到火星的最短路径实际上是5.93亿公里,比到月球的行程长1,543倍。

三:火箭加速度的极限

长时间的旅程,就需要长时间的加速,加速就需要点火,需要消耗燃料。抵达火星轨道后,还需要大量的燃料制动,使其平稳降落到火星表面。可以说飞船能抵达到火星表面时,燃料已经所剩无几了。

四:补给品问题

不管用什么技术,目前去一次火星最短的时间也在6-8个月,这期间维持宇航员的食品,水等资源的质量也会大大增加飞船载荷。而往返一次,需要的食品和水会增加一倍。

以目前的火箭负荷来看,在地球上不可能一次性携带可用于地球—火星往返所需的燃料和资源。

科学家已经设想了一个载人登陆火星并返回的计划。

我们可以分批次发射燃料和宇航员到火星上。

比如每批次载荷100吨燃料和120人。

将1440人分12批次发射。通过火星大气制动并平稳降落在火星上。

首先依靠地球运来的燃料可以建立一个火星栖息地,包括花园,火星太阳能电站和一个火星加油站。这1200吨燃料可不是往返地球所需的燃料,而是供宇航员生存生活的资源。

返回地球时所需的燃料是甲烷和液氧,这两种东西都可以在火星上生产。

宇航员将在2020年4月中旬离开火星。通过在火星上生存的燃料,航天器可以抵达火星的地轨道上,然后环绕加速脱离火星返回地球。


科学认识论


宇航员去火星,主要受到两个问题的限制。


航天器环境控制与生命保障系统不允许

如果想要把航天员带回火星,并且顺利返回,那么飞船就要具备环境控制与生命保障系统,上世纪60年代,阿波罗号之所以能够从月球返回,就是因为飞船自身的环境控制与生命保障系统让宇航员得以生存。

随着载人航天技术的不断发展,环控生保系统也日臻完善,它的主要构成是供气调压分系统、气体净化和污染控制分系统、气体循环和温湿度控制分系统、水供给和管理分系统、食品供给与管理分系统、废物收集与处理分系统,以及航天服分系统。

目前,因为航天器的环境控制与生命保障系统具有时间较短的缺陷,目前,即使是空间站,也只能做到半再生系统,这种环控生保系统能将乘员产生的二氧化碳和废水全部或部分回收处理,生成氧气和纯净水,提供给乘员循环使用,而地面只需补给食品以及部分氧气和饮水。

而火星距离地球的距离太远了,地球到火星的最近距离约为5500万公里,最远距离则超过4亿公里。两者之间的近距离接触大约每15年出现一次。1988年火星和地球的距离曾经达到约5880万公里,而在2018年两者之间的距离将达到5760万公里。

从地球到火星,美国的维京1号,用了304天飞抵火星,并成功登陆,从目前的航天器到火星的时间来看,大致需要6-10月左右。而且因为有航天员,一个正常体形的乘员每天需要消耗总重约5公斤的氧气、水和食物,才可以完成标准太空飞行任务一天所需工作;与此同时,他也将排泄出多种代谢终产物。大致消耗拆分如下:0.84公斤氧气、0.62食物和3.52水;并经过身体处理转化成0.11公斤固体排泄物、3.87公斤液体排泄物和1.00公斤二氧化碳。

以阿波罗号为例,“阿波罗”号飞船由指挥舱、服务舱和登月舱3个部分组成.指挥舱为圆锥形,高3.2米,重约6吨.服务舱为圆筒形,高6.7米,直径4米,重约25吨.登月舱由下降级和上升级组成,地面起飞时重14.7吨,宽 4.3米,最大高度约7米。所以总重量是45.7吨。而阿波罗号从发射到返回用时为8天。

所以你想想如果要构建维持航天员一年多生存的环境控制与生命保障系统,那么整个规模会有多庞大,那你可以想象一下整个飞船的体积会有多庞大。

那么你就需要比土星五号还更大推力的运载火箭才能把飞船送上火星轨道。但目前的技术来说,还并不成熟,而且所需要的资金也会更为庞大,1966年,美国国家航空航天局的年度政府拨款高达45亿美元,约为当时美国国内生产总值(GDP)的0.5%。同年,国防部的政府拨款为635亿美元,而阿波罗计划总共耗资约240亿美元。

而且最重要的是,即使是目前的半再生系统也很难维持从去到回这么长久的时间,目前科学家还在探索再生的环境控制与生命保障系统,为登陆火星而做准备,在该系统里,除了人以外,还有动植物生存,犹如一个小自然界。在这个系统里,生物和非生物以闭路形式进行质量交换,不断地为乘员提供氧气、水分和食物除了阳光以外,基本上无需系统外补给,维持人和动物的生存,建立一种稳定的动态平衡生态环境。

科学家预计到2035年才有能力载人登陆火星。


航天器返回技术不允许

类的宇宙飞行,其实决定于航天器的返回技术。航天器在轨道上的运动是在地心力场作用下,基本按天体力学规律运动,改变运行速度可使航天器脱离原来的运行轨道而转入另一条轨道,若速度的变化可转向进入地球大气层的轨道,则可能实现返回。航天器从外层空间返回地面须经历离轨、过渡、再入和着陆4个阶段。

而登陆火星的航天器第一个难题就是要脱离火星的轨道,科学家在“阿波罗11号”上,装有一台推力1.6吨的上升发动机,该发动机点火后只需4分钟左右的时间便可推动其进入月球轨道,随后“阿波罗11号”在抛弃登月舱后开启服务舱发动机获得更大的速度,使其脱离月球轨道奔向地球轨道。

而火星的重力还是月球的2.4倍。科学家计算过,从月球表面起飞的质量每增加一公斤,其发射时就需要多632公斤的负载,比如油箱和燃料,而从火星上发射进入太空,每公斤质量需要的燃料比例要高出10倍以上,这是人类无法承受的。

其次就是从离开原运行轨道到进入大气层为止,航天器在大气层外沿过渡轨道返回时基本按天体力学规律运动。返回起点不同,航天器沿过渡轨道返回的航程长短也相差悬殊。从月球返回的航程长达40万公里,历时60小时。根据需要,航天器在途中可再次启动变轨发动机修正轨道,以确保穿入再入走廊。

而火星返回的航程长达近6000万公里,难度会更加高,如果在途中启动变轨发动机修正轨道失败,将无法穿入再入长廊,后果将无法设想。


因为这两大方面的原因,所以现在载人登陆火星并不理想,还需要等待科技的继续发展,再过大概10年-20年的时间,人类大概具备载人登陆火星的条件。


胖福的小木屋


如果单纯从技术层面上看,宇航员是能够从火星返回的,但是从目前的时间成本和经济成本来看,又是不现实的。


有人可能会说了,50多年前我们就能够实现载人登月并成功返回,火星肯定也没有问题。但是事实上并没有那么简单。

首先从引力上看,虽然火星引力没有地球上的大,但它至少也是月球引力的两倍多。如果在一个星球上发射火箭升空,必须要达到第二宇宙速度才行,也就是火箭通过燃料提供的推力,必须要达到星球的逃逸速度。月球的逃逸速度只有2.4公里每秒,而火星将达到5公里每秒左右,据测算,火星上火箭助推所需要的燃料成本,将是月球的10倍以上。


再从运输成本上来看,有两个方面的制约因素,一个是火箭重量的问题,从火星上发射火箭,必须要有比月球上的火箭发动机大得多,才能支撑形成巨大推力的条件,无疑会增加火箭规模,同时,所需的更多燃料需要更大的存储空间,也会增大火箭的总体质量。

另外一个问题就是航行时间,由于目前我们还不能从火星上直接获取材料和能源来建造发射火箭、发射塔和取得能源,这些必备的材料和能源必须从地球向火星运输,星际航行时间起码半年以上,这么长的时间,能源的消耗、飞船的补给等等,无疑更加大了飞船的规模和航行难度,以现有技术水平,投入将及其巨大。

因此,要想火星旅行不再是“单程车票”,必须要在能源领域和发动机技术方面实现突破,比如掌握可控核聚变和研发核动力引擎,这样我们的火星之旅才会变得更加快速和便捷。


优美生态环境保卫者


目前为止地球上还没有任何一个国家的宇航员到过火星,目前为止人类踏足过的最远星球还是38万公里外的月球


目前的火星是环绕卫星和探测器的天下,我国也将于明年择机发射自己的火星“环绕着陆”探测器,实现对火星探测“从0到1”的突破,迄今为止有完整“登火”时间表的还不是任何一个国家的航天局,而是美国企业家马斯克的“太空探索技术公司。”

载人登火的技术难点不在于大推力火箭,因为上世纪美国的土星五号对标的就是登陆火星,只不过因为经济原因没有实施罢了。


登陆火星最大的难点在于漫长的航程,以及后续在火星建立发射基地和生存基地,由于目前化学动力火箭的速度限制,未来宇航员前往火星最快也需要6个月,这6个月内的宇宙辐射和相应可能出现的各种风险都有可能导致任务失败,最重要的是地球方面完全无法第一时间实施救援,甚至连第一时间联系到宇航员或者飞船都不可能。


NASA现在正在研究“冬眠技术”,希望用这种办法让宇航员在“一梦之间”度过半年航程直接到达火星。


从火星返回地球的难度要远远大于从月球返回,直接原因就是火星逃逸速度超过了月球,无法使用类似登月返回舱的办法对接火星轨道上的返回飞船,所以第一批“火星先遣人员”的人数不会太少,他们将在火星上建立一个小型发射基地,从而打通地火通道。


如果马斯克没有吹牛,未来10年内他的火星基地就会构建完毕,届时人类中的一部分将长期生活在火星


宇宙观察记录


谁说人类上火星是容易的事呢?话应该这样说,上火星比回来容易得多。因为上火星有足够的燃料,技术难题不比回来的技术那么复杂。所以人都说,上树容易下树难就是这个道理。上火星后回来的技术很复杂,就是技术有一点点问题的话恐怕就很难回来了,所以我们不能有半点疏忽,别拿宇航员的生命当儿戏,否则我们就后悔了。


陈健光1959


人类现时去月球並从月球返回都要费上九牛二虎之力,所以路程多几十倍的火星旅行就不切实际了,由于提问者所提的疑问,存在一个比较冗长的辨析过程,笔者决定不再参与,请提问者另觅他人。


大伟140797056


从火星上发射飞船和从地球上发射都是一样的难度,地球是守在眼前都发射不准,火星离那么老远能发射准就怪了,所以我忽然觉得美国登月可能眞是假的。


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