月球和火星是我们对宇宙了解最多的两颗天体。随着人类即将重返月球，未来很可能将火星作为下一个探险目标。
今天我们就来讨论关于登陆火星的一些事宜。
关于人类对火星的探索历史。
火星与地球在许多方面都非常相似，例如火星的自转周期是24小时37分23秒，只比地球的自转周期长41分钟。
就像地球一样，火星的轴倾斜使它也经历四季的变换。地球拥有月亮，而火星则拥有两颗自然卫星。
因为地球和火星有诸多相似之处，许多科学家推测火星可能曾经孕育生命或现在仍有生命存在。
因此，火星成为人类探索宇宙的首要目标。
从20世纪60年代起，人类就开始向火星发送探测器。截至2008年，总共发射了38个探测器，不过成功率仅为一半。
在这一半成功的探测器中，有五个探测器在接近火星的高空中飞过，七个成为了围绕火星运行的卫星，另外七个成功着陆在火星表面。
这些探测器逐步揭开了覆盖在火星上的神秘面纱，揭示了一些关于火星的小秘密。
值得一提的是，随着航天技术的进步，最近几年人类对火星的探索活动又增加了。
从2008年到2013年的短短五年里，人类又向火星发射了五个探测器，但只有一个成功。
因此，尽管科技进步提高了探索成功的概率，运气仍然是一个重要因素。
那么人类探索火星主要研究什么呢？
主要是水资源的信息。
为什么是水？有两个原因：首先，科学家们认为火星可能曾经或现在存在生命，火星上是否有水是关键证据之一。
其次，如果说载人登月是深空探索的第一步，那么载人登陆火星就是人类离开太阳系的起点。
因此，在火星上建立基地成为必然选择，而水是维持生命的必需品。
水不仅可供饮用，还可以分解提供氧气和氢气。
目前的研究结果显示，大约35亿年前火星曾有大量河流和湖泊，但由于火星的重力较小，水容易达到逃逸速度并流失到太空中，这一过程是不可逆的。
这一过程是如何发生的呢？
火星缺少偶极磁场的保护。
当太阳偶尔释放太阳风时，这些风会撞击火星表面的水，将其分解为氢离子和阳离子。
在这种撞击下，两种离子获得能量，加速逃离火星的引力束缚，逃入太空。
这使得现在的火星变得荒凉和孤独，类似于没有生命的沙漠地带。
科学家现在把研究焦点放在火星的地下水和水冰上。
虽然无法阻止水的逸散，但由于火星曾经拥有水源，地下水和水冰成了主要的水源。
目前轨道飞行器已经在火星的次表层下探测到了水冰和冻土层。
除了研究水资源，人类还希望获取火星的土壤和岩石样本。
这些样本就像是记录火星历史的黑匣子，记录着火星历史上的许多变化。
在很长一段时间里，人类只能通过分析火星陨石来了解火星。
尽管国际陨石命名委员会已经记录了57000块陨石，其中只有159块来自火星。
这些火星陨石只能提供有限的信息，要想深入了解火星，还得依靠未来火星样本返回地球后的研究。
需要指出的是，虽然美国已经开始准备火星样本回归的工作，但由于种种原因一再推迟，中国可能成为第一个获取火星样本的国家。
这也许可以视为一种「弯道超车」的胜利。
人们非常期待从返回的样本中发现一些新的信息。
那么，旅行到遥远的火星需要多长时间呢？
火星距离太阳约为2亿2790万公里，是地球到太阳距离的1.52倍。这意味着火星绕太阳一圈的时间比地球的一年要长，需要687天。火星的轨道是椭圆形的，有明显的近日点和远日点，这导致火星表面的温差非常大，最高可达160度。
因此，地球与火星之间的距离也会随之变化。
在最近的时候，两者之间的距离约为5500万公里，而在最远时，距离可以超过4亿公里。
因此，选择合适的发射时间是至关重要的。
目前已经有多个探测器成功发射并积累了宝贵的经验，科学家们已经找到了一条最佳轨道。
这条轨道允许飞船以最小的初始速度出发，从而节省燃料。
那么如何找到这条最佳轨道呢？
可以通过两种方法来确定。首先，找到一条称为霍曼轨道的路径。这是一条外切地球公转轨道并内切火星公转轨道的椭圆轨道，被称为双切式椭圆轨道。
霍曼轨道的好处是节能，因为进入这条轨道的飞船可以以较低的速度飞行，但缺点是飞行时间较长。这条轨道是由名为霍曼的奥地利科学家在1925年提出的，适用于飞往太阳系内任何行星。
这引出了一个问题：在地球与火星之间，是否存在多条可行的轨道路线？
实际上，登陆火星的最佳路线是唯一的，需要第二种方法来确定。
第二种方法考虑到地球和火星都围绕太阳运行，它们之间的位置会不断变化。但这种变化是有周期性的，每次火星与地球距离最近时，它们和太阳会形成一直线，这种配置称为火星冲日。
在这种配置下，地球上看到的火星会非常亮，因为当太阳落下时，火星将从东方升起；当太阳升起时，火星则从西方落下。
利用这个时机发射进入霍曼轨道，将形成从地球到火星的最佳轨道路线。这种最佳时间每隔约779天或782天出现一次，大约每两年一次。
尽管火星相冲时地球与火星的距离不是固定的，但这个周期性的最近距离提供了一个发射窗口。例如，2003年8月27日，火星和地球之间的距离达到了近6万年来的最近，约为5575.8万公里。
然而，到了2012年的一次火星冲日，两者之间的距离又达到了1亿公里。
如果将这段旅程想象成在一条直线高速公路上驾车，那么这条路程若开车需要228年才能完成。但如果使用飞船，并在地球与火星距离最近时出发，大约只需要57天即可到达；如果在最远时出发，则需要208天。
当然，这些都是在理想状态下的估计，实际的飞行中可能会遇到各种意外情况。
在前往火星的路途中，可能会遇到的困难不仅仅是燃料问题。确保飞船有足够的燃料抵达火星是基本保证，但如果需要变轨或处理其他紧急情况，仅靠保障性燃料可能还不够。
为此，科学家们已经提出了多种方案，包括使用不同来源的燃料进行发动机轮换。这包括将太阳能转换为电力、使用离子推进技术，甚至考虑利用火星大气中的二氧化碳和水作为燃料。
这意味着一台发动机可以使用多种不同的燃料作为动力源。这听起来很有挑战性。
此外，还有食物问题。火星飞船的空间有限，如何处理载人登陆火星时的食物供应？
在太空中进行种植可能是一个解决方案，但这又需要较大的空间，而且在有限的空间内是否能产出足够的食物仍是一个问题。
还有设备故障如何处理？飞船的空间有限，不可能携带足够的备件来应对可能出现的故障。
可能的解决方案是使用3D打印机，但特殊材料的问题是否能通过3D打印解决还是一个未知数。
最重要的还是对人的心理影响。在狭小的空间中长时间生活，可能导致恐惧、孤独、厌倦和无聊，这对任务的成功至关重要。
因此，在出发前，对这些可能出现的情况进行充分的准备是必须的。
登陆火星不仅需要宇航员的身体素质，心理素质同样重要。
最后是辐射问题。在前往火星的旅途中，宇航员将面临大量的宇宙辐射，如何有效防护也是前期准备的重要一环。
