月球和火星是我們對宇宙了解最多的兩顆天體。隨著人類即將重返月球，未來很可能將火星作為下一個探險目標。
今天我們就來討論關於登陸火星的一些事宜。
關於人類對火星的探索歷史。
火星與地球在許多方面都非常相似，例如火星的自轉周期是24小時37分23秒，只比地球的自轉周期長41分鐘。
就像地球一樣，火星的軸傾斜使它也經歷四季的變換。地球擁有月亮，而火星則擁有兩顆自然衛星。
因為地球和火星有諸多相似之處，許多科學家推測火星可能曾經孕育生命或現在仍有生命存在。
因此，火星成為人類探索宇宙的首要目標。
從20世紀60年代起，人類就開始向火星發送探測器。截至2008年，總共發射了38個探測器，不過成功率僅為一半。
在這一半成功的探測器中，有五個探測器在接近火星的高空中飛過，七個成為了圍繞火星執行的衛星，另外七個成功著陸在火星表面。
這些探測器逐步揭開了覆蓋在火星上的神秘面紗，揭示了一些關於火星的小秘密。
值得一提的是，隨著航天技術的進步，最近幾年人類對火星的探索活動又增加了。
從2008年到2013年的短短五年裏，人類又向火星發射了五個探測器，但只有一個成功。
因此，盡管科技進步提高了探索成功的概率，運氣仍然是一個重要因素。
那麽人類探索火星主要研究什麽呢？
主要是水資源的資訊。
為什麽是水？有兩個原因：首先，科學家們認為火星可能曾經或現在存在生命，火星上是否有水是關鍵證據之一。
其次，如果說載人登月是深空探索的第一步，那麽載人登陸火星就是人類離開太陽系的起點。
因此，在火星上建立基地成為必然選擇，而水是維持生命的必需品。
水不僅可供飲用，還可以分解提供氧氣和氫氣。
目前的研究結果顯示，大約35億年前火星曾有大量河流和湖泊，但由於火星的重力較小，水容易達到逃逸速度並流失到太空中，這一過程是不可逆的。
這一過程是如何發生的呢？
火星缺少偶極磁場的保護。
當太陽偶爾釋放太陽風時，這些風會撞擊火星表面的水，將其分解為氫離子和陽離子。
在這種撞擊下，兩種離子獲得能量，加速逃離火星的重力束縛，逃入太空。
這使得現在的火星變得荒涼和孤獨，類似於沒有生命的沙漠地帶。
科學家現在把研究焦點放在火星的地下水和水冰上。
雖然無法阻止水的逸散，但由於火星曾經擁有水源，地下水和水冰成了主要的水源。
目前軌域飛行器已經在火星的次表層下探測到了水冰和凍土層。
除了研究水資源，人類還希望獲取火星的土壤和巖石樣本。
這些樣本就像是記錄火星歷史的黑匣子，記錄著火星歷史上的許多變化。
在很長一段時間裏，人類只能透過分析火星隕石來了解火星。
盡管國際隕石命名委員會已經記錄了57000塊隕石，其中只有159塊來自火星。
這些火星隕石只能提供有限的資訊，要想深入了解火星，還得依靠未來火星樣本返回地球後的研究。
需要指出的是，雖然美國已經開始準備火星樣本回歸的工作，但由於種種原因一再推遲，中國可能成為第一個獲取火星樣本的國家。
這也特許以視為一種「彎道超車」的勝利。
人們非常期待從返回的樣本中發現一些新的資訊。
那麽，旅行到遙遠的火星需要多長時間呢？
火星距離太陽約為2億2790萬公裏，是地球到太陽距離的1.52倍。這意味著火星繞太陽一圈的時間比地球的一年要長，需要687天。火星的軌域是橢圓形的，有明顯的近日點和遠日點，這導致火星表面的溫差非常大，最高可達160度。
因此，地球與火星之間的距離也會隨之變化。
在最近的時候，兩者之間的距離約為5500萬公裏，而在最遠時，距離可以超過4億公裏。
因此，選擇合適的發射時間是至關重要的。
目前已經有多個探測器成功發射並積累了寶貴的經驗，科學家們已經找到了一條最佳軌域。
這條軌域允許飛船以最小的初始速度出發，從而節省燃料。
那麽如何找到這條最佳軌域呢？
可以透過兩種方法來確定。首先，找到一條稱為霍曼軌域的路徑。這是一條外切地球公轉軌域並內切火星公轉軌域的橢圓軌域，被稱為雙切式橢圓軌域。
霍曼軌域的好處是節能，因為進入這條軌域的飛船可以以較低的速度飛行，但缺點是飛行時間較長。這條軌域是由名為霍曼的奧地利科學家在1925年提出的，適用於飛往太陽系內任何行星。
這引出了一個問題：在地球與火星之間，是否存在多條可行的軌域路線？
實際上，登陸火星的最佳路線是唯一的，需要第二種方法來確定。
第二種方法考慮到地球和火星都圍繞太陽執行，它們之間的位置會不斷變化。但這種變化是有周期性的，每次火星與地球距離最近時，它們和太陽會形成一直線，這種配置稱為火星沖日。
在這種配置下，地球上看到的火星會非常亮，因為當太陽落下時，火星將從東方升起；當太陽升起時，火星則從西方落下。
利用這個時機發射進入霍曼軌域，將形成從地球到火星的最佳軌域路線。這種最佳時間每隔約779天或782天出現一次，大約每兩年一次。
盡管火星相沖時地球與火星的距離不是固定的，但這個周期性的最近距離提供了一個發射視窗。例如，2003年8月27日，火星和地球之間的距離達到了近6萬年來的最近，約為5575.8萬公裏。
然而，到了2012年的一次火星沖日，兩者之間的距離又達到了1億公裏。
如果將這段旅程想象成在一條直線高速公路上駕車，那麽這條路程若開車需要228年才能完成。但如果使用飛船，並在地球與火星距離最近時出發，大約只需要57天即可到達；如果在最遠時出發，則需要208天。
當然，這些都是在理想狀態下的估計，實際的飛行中可能會遇到各種意外情況。
在前往火星的路途中，可能會遇到的困難不僅僅是燃料問題。確保飛船有足夠的燃料抵達火星是基本保證，但如果需要變軌或處理其他緊急情況，僅靠保障性燃料可能還不夠。
為此，科學家們已經提出了多種方案，包括使用不同來源的燃料進行發動機輪換。這包括將太陽能轉換為電力、使用離子推進技術，甚至考慮利用火星大氣中的二氧化碳和水作為燃料。
這意味著一台發動機可以使用多種不同的燃料作為動力源。這聽起來很有挑戰性。
此外，還有食物問題。火星飛船的空間有限，如何處理載人登陸火星時的食物供應？
在太空中進行種植可能是一個解決方案，但這又需要較大的空間，而且在有限的空間內是否能產出足夠的食物仍是一個問題。
還有器材故障如何處理？飛船的空間有限，不可能攜帶足夠的備件來應對可能出現的故障。
可能的解決方案是使用3D印表機，但特殊材料的問題是否能透過3D打印解決還是一個未知數。
最重要的還是對人的心理影響。在狹小的空間中長時間生活，可能導致恐懼、孤獨、厭倦和無聊，這對任務的成功至關重要。
因此，在出發前，對這些可能出現的情況進行充分的準備是必須的。
登陸火星不僅需要太空人的身體素質，心理素質同樣重要。
最後是輻射問題。在前往火星的旅途中，太空人將面臨大量的宇宙輻射，如何有效防護也是前期準備的重要一環。
