去火星容易,為什麼宇航員不能從火星返回?

歆琳科普


如果單純的想去火星,不用考慮回來的事,確實可以辦到!但想用目前的技術把人類從火星帶回地球確實有點不現實,甚至可以說不可能實現。雖然近年來,火箭推進、製造和硬件的重複使用得到了巨大的發展。但是,科學家和各種航天機構仍然受到60年代nasa面臨的同樣的問題,重力和能源的束縛。從火星返回地球比去月球或去火星的單程任務對人類來說更具挑戰性和危險性。

首先火星比月球的重力更強

火星上的重力是月球上的兩倍多(大約是地球的三分之一)。目前,如果要載人去火星,運載火箭和逃離火星引力所需的燃料成本高得令人望而卻步。從月球表面升起的每千克質量需要從地球發射632千克的硬件、燃料箱和燃料。從火星表面發射1公斤重量要比月球貴10倍以上。有人提議用火星上的自然資源建造火箭發射基地或生產燃料。但是採礦設備非常重,得首先運送到火星。即使不採礦,所有的礦產資源都被事先整齊地堆放在火星上,直接拿來用,但將這些資源轉換成合金材料和可用的火箭燃料所需的製造設備比直接從地球上攜帶硬件和燃料還要重。雖然在火星上生產燃料,理論上可行,但這些方法超出了當前的技術。

火星的距離更遠

阿波羅號宇航員花了3天時間,從地球到月球跨越了38萬公里。地球和火星之間最短的距離大約每2年出現一次,大約是7800萬公里,是月球旅行距離的203倍。但在軌道轉移的過程中,火星也在運動,因此對霍曼轉移軌道原理的應用表明,如果沒有極高的能量(比如極高的速度),從地球到火星的最短路徑實際上是5.93億公里,即比月球旅行長了1543倍。

火箭的極限速度

我們可以通過長時間持續加速達到巨大的速度。但是在所有加速過程中,必須帶一臺重型發動機和足夠的燃料以及能容納燃料的油箱。還有,這麼重的設備燃料為了安全著陸在火星上,將需要幾乎等量的燃料來減速。解決這個問題需要的一種方法是,在只運輸有效載荷的同時,讓大量的燃料(也許還有發動機)留在地球上。以光的形式向移動的有效載荷傳輸能量是實現這一目標的一種方式。但是像核引擎、離子驅動和磁力推進一樣,這些都還沒有實現。此外,即使是100%效率的發動機也需要大量的能量才能穿越這段距離。

船員的補給

根據上面的第2和第3條,使用任何技術去火星旅行的最短時間是6-8個月。在這段時間裡,維持一個船員的生活所需的補給,使本已嚴重的重量問題雪上加霜。還要考慮在火星上維持宇航員所需的大量補給和避難所。從火星返貨所需的補給更加麻煩,因為你需要帶更多的燃料和油箱來加速火箭離開火星軌道返回地球。如果想在火星上自給自足,在火星上生產食物,這需要時間來建造,也需要更多的設備來設置和維護,這反過來會增加地球發射的有效載荷質量。誘導宇航員進入深度睡眠狀態可以減少所需的總供應,但這種技術目前有風險,也未經測試,不是我們當前技術的一部分。

火星載人計劃

美國宇航局2009年的報告“嚴峻的人類火星任務”確定,一個4人返回火星的任務將需要在低地球軌道上組裝多個硬件和燃料的有效載荷,這些有效載荷由擬議中的戰神五號火箭(比土星五號更大)運載。戰神五號總共需要發射13次,僅是為了將所有硬件、設備、燃料和乘員先送入近地軌道。這將是整個阿波羅計劃中土星五號發射的總數。另外四次較小的火箭將把硬件、燃料、補給和機組人員的獨立有效載荷從地球軌道推向火星。其中一些有效載荷最終會下降並降落在火星表面,而另一些則在火星軌道上等待。在完成表面工作後,最小最昂貴的發射將把機組人員和土壤樣本帶進火星軌道,與等待在火星軌道的燃料和補給有效載荷會合,然後飛出火星軌道返回地球。

如果沒有冷戰的壓力,公共或私營部門就沒有足夠的資金或興趣來資助這麼大的工程。但未來肯定會有載人火星任務,可能很快就會有。但從目前來看載人火星任務只是一個單程旅行,要麼就需要發展出今天還不存在的技術。


量子科學論


說實話,去火星也不容易,火星離地球最近的時候也有5500萬公里,最遠的時候則超過4億公里,你說要是送個探測器過去容易些,但是要送宇航員上去還真沒有那麼簡單。目前人類去過最遠的星球是距離地球38萬公里的月球,當初是月球用的火箭是土星五號,因為月球上的逃逸速度小,而且沒有空氣阻力,所以當時宇航員從月球返回地球還是比較容易。

但是宇航員要想從火星返回地球可並不像阿波羅計劃中月球返回地球那麼簡單,首先的話火星的質量遠比月球大的多,因此火星上的引力也比較大,逃逸速度也比較大。當初阿波羅計劃中,只需要把飛船的速度加到2.4km/s就可以逃離月球,而且月球上沒有大氣,相對來說還是比較容易。但是火星上就不一樣了,火星的逃逸速度是5.02km/s,而且火星上有大氣,所以說在火星上使用飛船返回地球還是比較困難。



而且最主要的是我們的火箭用的還是化學燃料,化學燃料的劣勢是給飛船加速有限,往往去一趟火星需要6個月,而且火星要每隔兩年才更地球更近,也就是說我們的整個火星旅程可能需要3年,那麼這麼長的時間就需要考慮宇航員食物的問題,你需要攜帶更多的燃料和使用更大的火箭去火星。看過地球上發射衛星的都知道,一個火箭燃料佔了絕大部分,只有一小部分是有限載荷質量,這還只是發射到地球軌道。而如果說要把人送上火星,則要準備大量的物資,你的火箭應該做的多大才行呢?而且你要考慮回來地球時候的燃料問題,你不太可能從地球上帶上返回地球的燃料,這樣跟本不現實,當初美國登月的時候,整個火箭的重量達到了 3000多噸,但實際月球軌道的運載能力才45噸。有人說可以利用火星上的現有資源來解決這些問題,可是你也需要先把這些設備發過去火星才行。



其實我覺得去火星最主要還是要解決燃料的問題,化學燃料是根本不現實的做法,最可靠的燃料還是核聚變。運用核聚變技術可以增加有效載荷,並且可以讓飛船的速度加到0.1c ,那麼一趟火星之旅能減少到3個月,或許那時候才是人類登陸火星的時候。


科學日記


其實去火星也是不容易的,只不過宇航員要從火星返回就更加困難了。

人類前往火星路途遙遠兇險

火星是地球的鄰居,但是它到地球地球的距離對於人類來講還是得長遠的。火星距離地球最近的時候也有5500多萬公里。這相當於繞地球赤道1375圈;地球到月球距離的143倍。從目前已經前往火星的探測器飛行情況開看,前往火星需要6個多月的時間。

圖示:火星

人類發射探測器到火星有多困難呢?一個美國的科學家曾經打過一個比方。他說,我們發射火星探測器到火星就好比一個人站在美國的東海岸把籃球投進遠在4000公里以外的美國西海岸的籃筐裡。可以想象一下把探測器發射到火星上面確實不容易。地球和火星在各自的軌道上面以不同的速度在圍繞著太陽公轉,它們之間的位置在不斷的發生著變化。因此,探測器要在火星上精準著陸也不容易啊。

這說的是火星探測器,如果是載人宇宙飛船前往火星呢?那就更加困難了。宇航員要在宇宙飛船中待上6個月的時間,宇航員是要面臨極大風險的。狹小幽閉的空間會對宇航員精神造成極大的摧殘,產生極大的壓力。宇宙中的致命輻射,微重力環境會對宇航員健康造成極大損害。

圖示:飛往火星

宇航員返回更加困難

我們往火星上發射探測器,只需要把它們送到火星順利著陸就算是大功告成了。但是人類宇航員到登陸火星那就不同了,我們不但要把宇航員送到火星上去,還要讓他們安全的從火星上返回。

有一點可能朋友們不是很清楚,人類登陸火星可不像登陸月球那樣完成了任務就可以打道回府。宇航員登陸火星後就不得不在火星上帶上26個月才能再次返回地球。這是為什麼呢?原來我們在距離火星最近的時候前往火星,但是在抵達火星是在6個月以後,這時候的火星已經遠離地球了。我們從火星上返回的燃料是從地球上帶過去的,從經濟成本上考慮肯定是等到火星距離地球再次最近的時候才能返回的。然而火星每隔26個月的時間才能再次距離地球最近。因此宇航員就必須在火星上生存兩年多的時間才能再次返回地球。

圖示:火星和地球每兩年才靠近一次

而要在根本就適合人類生存的火星上生存兩年的時間,可比把宇航員送上火星要難上不知道多少倍。因為有太多不確定的因素在裡面。所以說,人類登上火星不容易,要從火星返回更加困難。


兔斯基聊科學


以現有的技術,如果不考慮成本,人類是有可能做到從火星返回地球的。

我們之前經常看新聞說去火星是單程票,有去無回,那是因為火星返回極其困難。如果考慮經濟成本,那就沒有任何希望從火星返回到地球。

為什麼我們可以從月球返回呢?

學過物理的都知道每個星球都有自己的逃逸速度速度,也就是脫離逃離該星球引力拖拽的最小發射速度。

地球的逃逸速度也就是第二宇宙速度,約為11.2km/s。而星球的逃逸速度由引力決定,由於月球的引力小,其逃逸只有2.4km/s。

逃逸速度越小,其需要的燃料就越少,火箭發動機的負荷就綽綽有餘。這時候就不需要建立發射架固定火箭了。

之所以需要發射機固定火箭,是因為其燃料負荷太大,而月球返回不需要太多燃料。所以可以快捷返回地球。

反觀火星,其質量比月球大8倍,其逃逸速度約為5km/s,是月球的一倍多。

然而就是多一倍的逃逸速度,對燃料的需求就更多。

我係統列舉目前不能從火星返回地球的四個原因

一:月球更大的引力

火星是月球的引力的兩倍多。擺脫火星引力所需的燃料的成本十分高昂。

科學家計算過,從月球表面起飛的質量每增加一公斤,其發射時就需要多632公斤的負載,比如油箱和燃料。

而在火星上的每一公斤起飛成本是月球的10倍。

目前唯一可行的方案就是從地球發射飛船時不攜帶過多燃料,從火星返回地球所需的燃料可在火星上製造。當然這樣一來成本就成了無底洞了。

二:火星比月球遠得多

阿波羅計劃中,宇航員只花了三天時間就抵達38萬公里之外的月球。

而地球和火星之間的最短距離也7800萬公里。乍一看,去趟火星最近的距離是月球之旅的203倍。

但是霍曼轉移軌道原理表明:從地球到火星的最短路徑實際上是5.93億公里,比到月球的行程長1,543倍。

三:火箭加速度的極限

長時間的旅程,就需要長時間的加速,加速就需要點火,需要消耗燃料。抵達火星軌道後,還需要大量的燃料制動,使其平穩降落到火星表面。可以說飛船能抵達到火星表面時,燃料已經所剩無幾了。

四:補給品問題

不管用什麼技術,目前去一次火星最短的時間也在6-8個月,這期間維持宇航員的食品,水等資源的質量也會大大增加飛船載荷。而往返一次,需要的食品和水會增加一倍。

以目前的火箭負荷來看,在地球上不可能一次性攜帶可用於地球—火星往返所需的燃料和資源。


科學家已經設想了一個載人登陸火星並返回的計劃。

我們可以分批次發射燃料和宇航員到火星上。

比如每批次載荷100噸燃料和120人。

將1440人分12批次發射。通過火星大氣制動並平穩降落在火星上。

首先依靠地球運來的燃料可以建立一個火星棲息地,包括花園,火星太陽能電站和一個火星加油站。這1200噸燃料可不是往返地球所需的燃料,而是供宇航員生存生活的資源。

返回地球時所需的燃料是甲烷和液氧,這兩種東西都可以在火星上生產。

宇航員將在2020年4月中旬離開火星。通過在火星上生存的燃料,航天器可以抵達火星的地軌道上,然後環繞加速脫離火星返回地球。


科學認識論


宇航員去火星,主要受到兩個問題的限制。


航天器環境控制與生命保障系統不允許

如果想要把航天員帶回火星,並且順利返回,那麼飛船就要具備環境控制與生命保障系統,上世紀60年代,阿波羅號之所以能夠從月球返回,就是因為飛船自身的環境控制與生命保障系統讓宇航員得以生存。

隨著載人航天技術的不斷髮展,環控生保系統也日臻完善,它的主要構成是供氣調壓分系統、氣體淨化和汙染控制分系統、氣體循環和溫溼度控制分系統、水供給和管理分系統、食品供給與管理分系統、廢物收集與處理分系統,以及航天服分系統。

目前,因為航天器的環境控制與生命保障系統具有時間較短的缺陷,目前,即使是空間站,也只能做到半再生系統,這種環控生保系統能將乘員產生的二氧化碳和廢水全部或部分回收處理,生成氧氣和純淨水,提供給乘員循環使用,而地面只需補給食品以及部分氧氣和飲水。

而火星距離地球的距離太遠了,地球到火星的最近距離約為5500萬公里,最遠距離則超過4億公里。兩者之間的近距離接觸大約每15年出現一次。1988年火星和地球的距離曾經達到約5880萬公里,而在2018年兩者之間的距離將達到5760萬公里。

從地球到火星,美國的維京1號,用了304天飛抵火星,併成功登陸,從目前的航天器到火星的時間來看,大致需要6-10月左右。而且因為有航天員,一個正常體形的乘員每天需要消耗總重約5公斤的氧氣、水和食物,才可以完成標準太空飛行任務一天所需工作;與此同時,他也將排洩出多種代謝終產物。大致消耗拆分如下:0.84公斤氧氣、0.62食物和3.52水;並經過身體處理轉化成0.11公斤固體排洩物、3.87公斤液體排洩物和1.00公斤二氧化碳。

以阿波羅號為例,“阿波羅”號飛船由指揮艙、服務艙和登月艙3個部分組成.指揮艙為圓錐形,高3.2米,重約6噸.服務艙為圓筒形,高6.7米,直徑4米,重約25噸.登月艙由下降級和上升級組成,地面起飛時重14.7噸,寬 4.3米,最大高度約7米。所以總重量是45.7噸。而阿波羅號從發射到返回用時為8天。

所以你想想如果要構建維持航天員一年多生存的環境控制與生命保障系統,那麼整個規模會有多龐大,那你可以想象一下整個飛船的體積會有多龐大。

那麼你就需要比土星五號還更大推力的運載火箭才能把飛船送上火星軌道。但目前的技術來說,還並不成熟,而且所需要的資金也會更為龐大,1966年,美國國家航空航天局的年度政府撥款高達45億美元,約為當時美國國內生產總值(GDP)的0.5%。同年,國防部的政府撥款為635億美元,而阿波羅計劃總共耗資約240億美元。

而且最重要的是,即使是目前的半再生系統也很難維持從去到回這麼長久的時間,目前科學家還在探索再生的環境控制與生命保障系統,為登陸火星而做準備,在該系統裡,除了人以外,還有動植物生存,猶如一個小自然界。在這個系統裡,生物和非生物以閉路形式進行質量交換,不斷地為乘員提供氧氣、水分和食物除了陽光以外,基本上無需系統外補給,維持人和動物的生存,建立一種穩定的動態平衡生態環境。

科學家預計到2035年才有能力載人登陸火星。


航天器返回技術不允許

類的宇宙飛行,其實決定於航天器的返回技術。航天器在軌道上的運動是在地心力場作用下,基本按天體力學規律運動,改變運行速度可使航天器脫離原來的運行軌道而轉入另一條軌道,若速度的變化可轉向進入地球大氣層的軌道,則可能實現返回。航天器從外層空間返回地面須經歷離軌、過渡、再入和著陸4個階段。

而登陸火星的航天器第一個難題就是要脫離火星的軌道,科學家在“阿波羅11號”上,裝有一臺推力1.6噸的上升發動機,該發動機點火後只需4分鐘左右的時間便可推動其進入月球軌道,隨後“阿波羅11號”在拋棄登月艙後開啟服務艙發動機獲得更大的速度,使其脫離月球軌道奔向地球軌道。

而火星的重力還是月球的2.4倍。科學家計算過,從月球表面起飛的質量每增加一公斤,其發射時就需要多632公斤的負載,比如油箱和燃料,而從火星上發射進入太空,每公斤質量需要的燃料比例要高出10倍以上,這是人類無法承受的。

其次就是從離開原運行軌道到進入大氣層為止,航天器在大氣層外沿過渡軌道返回時基本按天體力學規律運動。返回起點不同,航天器沿過渡軌道返回的航程長短也相差懸殊。從月球返回的航程長達40萬公里,歷時60小時。根據需要,航天器在途中可再次啟動變軌發動機修正軌道,以確保穿入再入走廊。

而火星返回的航程長達近6000萬公里,難度會更加高,如果在途中啟動變軌發動機修正軌道失敗,將無法穿入再入長廊,後果將無法設想。


因為這兩大方面的原因,所以現在載人登陸火星並不理想,還需要等待科技的繼續發展,再過大概10年-20年的時間,人類大概具備載人登陸火星的條件。


胖福的小木屋


如果單純從技術層面上看,宇航員是能夠從火星返回的,但是從目前的時間成本和經濟成本來看,又是不現實的。


有人可能會說了,50多年前我們就能夠實現載人登月併成功返回,火星肯定也沒有問題。但是事實上並沒有那麼簡單。

首先從引力上看,雖然火星引力沒有地球上的大,但它至少也是月球引力的兩倍多。如果在一個星球上發射火箭升空,必須要達到第二宇宙速度才行,也就是火箭通過燃料提供的推力,必須要達到星球的逃逸速度。月球的逃逸速度只有2.4公里每秒,而火星將達到5公里每秒左右,據測算,火星上火箭助推所需要的燃料成本,將是月球的10倍以上。


再從運輸成本上來看,有兩個方面的制約因素,一個是火箭重量的問題,從火星上發射火箭,必須要有比月球上的火箭發動機大得多,才能支撐形成巨大推力的條件,無疑會增加火箭規模,同時,所需的更多燃料需要更大的存儲空間,也會增大火箭的總體質量。

另外一個問題就是航行時間,由於目前我們還不能從火星上直接獲取材料和能源來建造發射火箭、發射塔和取得能源,這些必備的材料和能源必須從地球向火星運輸,星際航行時間起碼半年以上,這麼長的時間,能源的消耗、飛船的補給等等,無疑更加大了飛船的規模和航行難度,以現有技術水平,投入將及其巨大。

因此,要想火星旅行不再是“單程車票”,必須要在能源領域和發動機技術方面實現突破,比如掌握可控核聚變和研發核動力引擎,這樣我們的火星之旅才會變得更加快速和便捷。


優美生態環境保衛者


目前為止地球上還沒有任何一個國家的宇航員到過火星,目前為止人類踏足過的最遠星球還是38萬公里外的月球


目前的火星是環繞衛星和探測器的天下,我國也將於明年擇機發射自己的火星“環繞著陸”探測器,實現對火星探測“從0到1”的突破,迄今為止有完整“登火”時間表的還不是任何一個國家的航天局,而是美國企業家馬斯克的“太空探索技術公司。”

載人登火的技術難點不在於大推力火箭,因為上世紀美國的土星五號對標的就是登陸火星,只不過因為經濟原因沒有實施罷了。


登陸火星最大的難點在於漫長的航程,以及後續在火星建立發射基地和生存基地,由於目前化學動力火箭的速度限制,未來宇航員前往火星最快也需要6個月,這6個月內的宇宙輻射和相應可能出現的各種風險都有可能導致任務失敗,最重要的是地球方面完全無法第一時間實施救援,甚至連第一時間聯繫到宇航員或者飛船都不可能。


NASA現在正在研究“冬眠技術”,希望用這種辦法讓宇航員在“一夢之間”度過半年航程直接到達火星。


從火星返回地球的難度要遠遠大於從月球返回,直接原因就是火星逃逸速度超過了月球,無法使用類似登月返回艙的辦法對接火星軌道上的返回飛船,所以第一批“火星先遣人員”的人數不會太少,他們將在火星上建立一個小型發射基地,從而打通地火通道。


如果馬斯克沒有吹牛,未來10年內他的火星基地就會構建完畢,屆時人類中的一部分將長期生活在火星


宇宙觀察記錄


誰說人類上火星是容易的事呢?話應該這樣說,上火星比回來容易得多。因為上火星有足夠的燃料,技術難題不比回來的技術那麼複雜。所以人都說,上樹容易下樹難就是這個道理。上火星後回來的技術很複雜,就是技術有一點點問題的話恐怕就很難回來了,所以我們不能有半點疏忽,別拿宇航員的生命當兒戲,否則我們就後悔了。


陳健光1959


人類現時去月球並從月球返回都要費上九牛二虎之力,所以路程多幾十倍的火星旅行就不切實際了,由於提問者所提的疑問,存在一個比較冗長的辨析過程,筆者決定不再參與,請提問者另覓他人。


大偉140797056


從火星上發射飛船和從地球上發射都是一樣的難度,地球是守在眼前都發射不準,火星離那麼老遠能發射準就怪了,所以我忽然覺得美國登月可能眞是假的。


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