火星是一颗非常有趣的星球，但同时也是太阳系内最难造访的星球之一，尤其是携带大量“行李”的情况下。这颗红色星球向来是探索任务的坟地，很多飞船最终都命丧火星之手。不过，我们仍希望对火星进行载人探索，未来甚至要将火星打造成人类的殖民地。为了实现这个梦想，我们需要战胜一系列挑战，其中一个便是具备运送重型负荷的能力。
艺术概念图，“洞察”号着陆器进入火星大气层
向火星运送重型负荷，这话说起来容易，做起来却难如登天。火星任务面临诸多挑战，包括缺少保护性磁气圈和地表重力低，但最大的一个挑战还是稀薄的大气层。如果不穿航天服站在火星表面，要么冻死，要么缺氧窒息而死。火星的大气压不到地球的1%。如此稀薄的大气层让重型负荷安全落地成为一项超乎寻常的挑战。迄今为止，只有53%的火星任务还算顺利。
“好奇”号进入火星大气层
登陆是最大挑战
火星与地球间的最接近点大约每两年出现一次，因此火星任务的发射窗口每两年打开一次。ExoMars任务2016年发射，“洞察”号2018年启程，“火星2020”探测车将在2020年奔赴这颗红色星球。在设计上，地火之旅要么追求最快速度，要么携带最少燃料。
进入火星大气层时，飞船的速度可达到每小时数万公里。飞船必须减速，而后才能平稳着陆。在地球上，你可以利用浓密的大气层减速。类似的技术也可用于金星或者土卫六“泰坦”，因为它们都拥有厚重的大气层。月球没有大气，着陆方式直截了当。如果没有大气层，飞船就无需隔热罩，只需借助反推力便可减速，直至平稳降落。
在天空起重机的帮助下，“好奇”号平稳着陆
”好奇“号已是极限
火星探测器的降落通常从减速壳开始，减速壳能够消除飞船的部分速度。“好奇”号是迄今为止造访火星的最重探测器，重量达到1吨。进入火星大气层时，“好奇”号的速度达到时速2.2万公里。它的减速壳也是火星探索史上最大，宽度达到4.5米。这个巨型减速壳以一定角度倾斜，允许“好奇”号在进入火星大气层后转向，奔赴指定的着陆区。
在距地面大约131公里的高度，“好奇”号点燃助推器，调整飞行路线。在火星大气层飞行了大约80秒后，隔热罩承受的温度飙升到2100摄氏度。为了防止熔化，隔热罩采用了一种名为“酚碳热烧蚀板”的特殊材料。SpaceX的“龙”飞船也采用这种材料。
SpaceX星际飞船艺术概念图
速度减至不到2.2马赫后，“好奇”号打开16米宽的降落伞。降落伞产生2.9万公斤阻力，进一步减缓“好奇”号的下落速度。它的伞绳由Technora和Kevlar纤维制成，是已知最坚固并且最耐热的材料。随后，“好奇”号抛弃降落伞，利用制动火箭进一步减速。当与地面足够近时，“好奇”号启动天空起重机，最终平稳着陆。
很难按比例放大
更重的有效载荷是否可采取相同的方式？你一定认为只要更大的降落伞和更大的天空起重机，便能将更重的载荷送上火星。理论上，SpaceX星际飞船能够将100吨殖民者和设备送上火星。不过，火星大气层中的减速方式很难按比例放大。“好奇”号重1吨，已经是降落伞所能承受的极限。工程师尚无法找到更坚固的降落伞材料，为更重的负荷减速。
ASPIRE的有效载荷与助推器分离
几个月前，美国宇航局的工程师成功测试了一款名为“ASPIRE”（先进超音速降落伞充气研究实验的英文首字母缩写）的降落伞。ASPIRE采用尼龙、Technora和Kevlar等合成织物，将用于“火星2020”任务。测试中，他们利用探空火箭将ASPIRE送入37公里的高度，模拟飞船奔火时遭遇的环境。
ASPIRE在不到一秒钟内完全充气，承受了3.2万公斤的力量。这相当于时速100公里的汽车撞墙时冲击力的3.6倍。如此惊人的力量，即使戴着安全带，你也休想活不下。如果飞船的重量进一步提高，就需要找到更强悍的合成织物。这样的织物目前还是一种不可能。此外，乘客的安全也无法保障。
低密度超音速减速器艺术概念图
宇航局正在研究其它方式，希望能够将最重3吨的有效负荷送上火星。其中一个便是低密度超音速减速器（LDSD）。当进入火星引力的势力范围，这种空气动力学减速器会充气以包裹飞船，就像充气城堡一样。
2015年，宇航局测试了这项技术。他们利用气球将一个飞行器原型送入36公里的高度，随后点燃固体燃料火箭，蹿升到55公里的高度。在借助火箭爬升过程中，超音速充气空气动力学减速器充气，直径达到6米。随后，飞船的速度减至2.4马赫。不幸的是，它的降落伞未能正常打开，最后坠落太平洋。不过，这仍是一大进步。如果科学家能够解决工程学和物理学方面的挑战，未来有望让3吨的飞船平稳降落火星。
艺术概念图，SpaceX星际飞船登陆火星
更大推力 更少货物
除了采用更强大的减速器，另一个选择便是提高推进力。理论上，只要携带足够燃料，便可借助火箭的反推力完成进入火星大气层后的减速工作。但问题是，更多燃料同时也意味着更少的货物。
按照计划，SpaceX星际飞船将采用推进着陆的方式，将100吨负荷送上火星。星际飞船会选择一条更快更直接的路线，进入火星大气层时的速度超过每秒8.5公里。当然，Starship没必要这么快。它完全可以利用空气动力制动，通过多次穿过上层大气层，以减慢速度。实际上，火星轨道器就是采用这种方式。
从减速到环绕火星轨道，再到穿过大气层并最终着陆，整个过程历时数周。根据埃隆·马斯克透露的消息，星际飞船将采用不锈钢，以应对降落过程中产生的高温。外壳上的微孔会渗出甲烷，降低飞船迎风面的温度。
艺术概念图，SpaceX的星际飞船和超重型火箭助推器
最后一刻制动
用于减速的燃料每多一公斤，飞船所能携带的货物就要少一公斤。伊利诺伊大学香槟分校进行的一项新研究指出，在接近火星地表过程中，火星大气层的密度逐渐提高，火星任务应利用这个有利条件。研究人员指出飞船没必要急于减速。进入火星大气层后，飞船仍可以产生大量气动升力，可用于飞船的转向。
通过计算，他们找到了最理想的切入角度。他们指出飞船应在可能的最后时刻，利用气动升力刹车，而后侧向飞行，穿过大气层最浓密的部分。这会提高阻力，在启动制动引擎并完成着陆前，摆脱掉大部分速度。
如果人类希望在未来建造火星殖民地，就必须解决运送大型负荷的难题。科学家需要研发一系列技术，让火星登陆方式更可靠更安全。
