“NASA和SpaceX登陆火星和构建基地的方案”

NASA开发新的火星着陆系统

登陆火星的过程一直是一项极其复杂且极具挑战性的技术壮举，使用巨型气囊或空中起重机系统等方法虽然富有创意，但还不是人类登陆火星表面的最佳解决方案。因此NASA开发了一个突破性的着陆系统，该系统整合和处理了来自SpaceX的数据。

火星登陆挑战之一：稀薄的大气层（地球的1%）

登陆火星面临的一系列挑战与登陆地球和月球不同，主要是因为火星的大气层稀薄。火星的大气层比月球稠密，但比地球稀薄得多，无法支持类似地球的着陆技术，这些技术依赖于降落伞或空气动力制动等大气阻力。火星的大气层极其稀薄（密度不到地球的 1%），火星上的终端速度达到惊人的近1000公里每小时，是地球的四倍，这意味着单靠大气制动不足以减慢航天器的速度。

NASA曾经担心的问题：超音速过渡问题

使火星登陆更加复杂的一个关键问题是超音速过渡问题。反向推进（即在下降过程中启动发动机以减慢飞船速度）是登陆月球的常用方法，然而NASA最初认为反向推进只有在低于音速的亚音速下才能有效发挥作用，而火星登陆的挑战在于，在下降过程中，飞船首次进入大气层时的速度是超音速的。NASA担心以如此高的速度启动发动机可能会使飞船不稳定，激波锋会在飞船周围形成，可能导致严重湍流或过热。发动机羽流产生的激波也可能损坏飞船，因此反向推进似乎不适合火星登陆。

SpaceX带来新的突破

鉴于这些挑战，在火星上着陆重型有效载荷甚至人类的想法似乎几乎是不可能的。火星稀薄的大气层和超音速过渡问题的双重困难意味着用于地球和月球的传统方法根本无效，工程师们几乎没有可行的选择。然而，推进技术的最新进展，特别是SpaceX的反推实验，已经开始挑战这些长期存在的假设，为克服这些障碍带来了新的希望。

2014-2017，联合进行测试

这一突破是由NASA喷气推进实验室的工程师Rob Manning最近透露的。对于SpaceX来说，分享技术知识是他们大力支持的事情。此次合作促使NASA和SpaceX在2014年至2017年期间联合监测了SpaceX的猎鹰9号实验的推进下降技术项目。为了收集关键数据，SpaceX的猎鹰9号助推器在重返大气层时配备了专门的仪器。这些工具捕捉到了关键指标，如空气动力、热行为和动态压力，这些指标与火星上的条件非常相似。NASA使用包括空气动力学建模、飞行重建和热成像在内的先进技术来详细分析这些大气层。

激波锋面会形成保护气泡

与之前认为这些激波锋面会破坏或损坏航天器的假设相反，数据显示，它们在航天器周围形成了一个保护气泡。这个气泡减少了热湍流，使下降更安全、更稳定。此次合作的成果是变革性的，数据收集器不仅验证了超音速反向推进的可行性，而且为将猎鹰号的再入技术适应火星独特环境提供了清晰的途径。

挑战：稀薄大气的机动控制 & 沙尘暴

然而，在载人登陆火星方面仍有许多未解决的问题。Manning指出，仍有许多未知数，包括像星际飞船这样的大型航天器将如何在火星大气层中航行和飞行。火星的稀薄大气层密度不足以显著减慢航天器的速度。在这样的环境中驾驶星际飞船非常复杂，因为它的气动表面（如鳍片）在火星稀薄的空气中以高超音速飞行时可能会失效。此外，火星大气中经常会出现沙尘暴，这会降低能见度，扰乱导航，并增加进入火星时的热量。风速或风向的突然变化可能会使星际飞船等大型飞行器不稳定，使受控着陆更加不稳定。这些大气因素增加了安全可靠着陆的难度。

挑战：地面着陆 & 基础设施建设

一旦到达火星表面，飞船巨大的发动机又会带来另一个问题，在着陆过程中，推力可能会从火星岩石地形上扬起大量碎片，从而可能损坏发动机。这些碎片还可能危及航天器返回任务的可重复使用性。设计有效的发动机保护系统和设计足够坚固的着陆支架至关重要，这样才能在火星不平坦且不可预测的表面上稳定飞船大小的航天器。除了着陆本身之外，火星上的基础设施建设还要存在后勤障碍。建立耐用的着陆场以减轻灰尘和碎片的影响至关重要。同样，无论是通过现有资源利用还是预先准备的材料，创建系统为星际飞船返航加油也是另一个挑战。

火星发射窗口 26个月出现一次

火星发射窗口的时间安排进一步使进展复杂化。由于火星的轨道，任务机会每26个月才出现一次，这限制了快速迭代设计和策略的能力，这意味着任何失败都可能使进展延迟数年。克服这些限制需要仔细的规划、强大的技术和耐心，以确保每次尝试都尽可能做好准备。火星殖民计划遵循精心设计的分阶段方法，旨在最大限度地提高效率和安全性。在利用SpaceX的星际飞船作为行动支柱的同时，每个阶段都建立在前一个阶段的进展基础上，确保火星定居点的逐步和可持续发展。

阶段1：无人阶段

这涉及一系列无人飞船发射，将向火星运送必要的补给设备和实验技术，为未来的定居者铺平道路。关键任务包括测试自动化施工系统、部署发电机组和绘制火星的水冰沉积物地图，这是生命支持和燃料生产的重要资源。此外，无人驾驶任务将重点验证进入、下降和着陆系统，以确保安全着陆火星。先进的机器人将被部署来建立初始基础设施，如着陆场和存储单元，同时还将寻找最佳定居点。这个准备阶段对于降低风险和提供人类在火星生存所需的工具和知识至关重要。

阶段2：载人阶段

一旦做好了充分的基础工作，第二阶段将随着首批人类探险者的到来而开始。10到20人的船员乘坐配备运输和居住模块的星际飞船旅行。这些星际飞船将作为定居者最初的生活区，提供生命支持、辐射保护和补给储存。在此阶段，重点是适应火星环境和扩大基础设施。宇航员将建立初步的生命支持系统，包括为火星资源生产氧气和从冰中提取水。小规模制造的初始农业实验也将开始，允许定居者在依赖地球供应的资源的同时测试自给自足技术。

阶段3：扩展阶段

最后阶段从探索过渡到持续发展和增长。随着定居点的扩大，其能力也将不断提高。将建造更大的栖息地、加压温室和太阳能或核电站来支持不断增长的人口。模块化设计将实现可扩展的增长，确保基础设施能够跟上殖民地的需求。在此阶段，就地资源利用成为火星发展的基石。提取和加工当地资源的技术，例如从二氧化碳和水中生产燃料或从风化层中生产建筑材料，将减少对地球补给排放的依赖。随着时间的推移，定居点的目标是完全自给自足，自己生产食物、能源和必需品。最终，这一阶段的长期愿景包括将定居点改造成一个繁荣、自给自足的火星城市。当然，要实现火星的宜居性还需要有效的方法利用这颗星球的自然资源，特别是它的水冰。水对于人类生命是必不可少的，包括补水和卫生，以及用火星温室种植农作物。除了生命支持之外，水在生产火箭燃料方面也起着关键作用，通过将水电解成氢气和氧气，定居者可以制造推进剂，用于返回任务或进一步的探索，减少对地球的依赖。