出品：科普中国
作者：矛隼工作室
监制：光明网科普事业部
探索其他星球，一直人类航天的最大愿望之一。人类在上个世纪登上了月球，并留下了脚印，但这只是个距离地球三十八万公里的卫星，不是一个真正的行星。
而火星，这个距离地球足够近，又有可能被殖民的行星，是人类自航天时代开始以来就试图征服的对象。
火星与月球截然不同之处的在于距离，地球和火星都在同时距离火星公转，这使得两个星球的距离有时极其远，有的时候相对较近，但是最近的时候也有五千五百万公里。
每过两年左右，火星和地球就会接近一次，每过15-17年就会最为接近。换言之，每过两年，才会有一个可供发射的发射窗口，16年才能等到一次最佳时机。
然而，赶着窗口期去容易，但是回来可就费劲了，趁着窗口期返航极为困难，而要不然就要足足再等一个窗口期返程。
图为地火霍曼转移轨道，也是最为节省燃料的轨道（图源航天爱好者网）
最初的计划来自于土星五号火箭的设计师沃纳·冯·布劳恩，他所设想的是一个庞大的“远征舰队”，由十艘宇宙飞船和七十个船员组成。而这只远征舰队将在地球轨道上建造，总吨位超过三万七千吨，而其中的绝大部分都是返程的燃料。但随着航天逐渐从想象变为现实，大家逐渐意识到人类的航天发射能力并没有这个计划中的如此强大，这一计划也随之作废。
图为上个世纪冯·布劳恩设想的火星远征舰队（图源航天爱好者）
三十年前，NASA展开了一项研究，这份研究规划了1990年之后的NASA发展方向。在新的研究中，NASA计划了一个重达1300吨的火星飞船，这虽然相对于上一个计划可以说是十分微缩。但考虑到人类目前最大的太空结构——国际太空站——也不过只有400吨，这一计划依然显得非常惊人。
经过重重发展，NASA最终产生了现在的登火组合体计划。登火组合器是一个数百吨的组合飞船，将于轨道上组合建造，然后前往火星。总体而言还算是承接了冯·布劳恩的设想。只不过是飞船吨位越来越小，航天员将在飞船中生存数百天直到返回地球。
用于制造登火组合体的火箭的是SLS太空发射系统运载火箭，这种运载火箭的后期货运型运力高达130吨，甚至可能达到165吨之多。
图为SLS太空发射系统block2型的结构图（图源NASA）
登火组合体类似于一个摆渡船，并不具备下降至星球表面的能力，真正用于着陆的是独立设计的下降体飞船。而其返回则有两种不同的方案，其中之一是使用类似于阿波罗计划的方案，那就是上升段是下降飞船的一部分，返航时上升段脱离下降飞船独立返回。
但是，火星不仅重力较大，还有稀薄的大气层产生阻力，这使得火星上升段的要求远远大于阿波罗计划。另一方面，阿波罗计划在月球上的停留时间远远低于火星任务的时间。
方案二则是在计划开展之前几年就发射一个飞船，这个飞船将独立运送加注好燃料的上升飞船（地球返回载具）。在完成长时间探索计划之后的火星宇航员们，将放弃其着陆飞船，并使用提前预置好的上升飞船返回轨道上的登火组合器。
不过，众所周知的是，着陆时可能有诸多危机。这使得着陆飞船很有可能无法降落在预定位置，也就导致他们将与上升飞船相距极远，大大增加了计划的不稳定性不安全性。此外，提前预置的上升飞船将暴露在火星环境下两年或者更长，一旦上升飞船出现故障，后果不堪设想。
图为“地球返回载具”（ERV，Earth Retuen Vehicle）的想象图（图源航天爱好者）
NASA的方案尚未确定，而SpaceX也有自己的火星计划，这个计划的相比于NASA的方案更加大胆和激进。其技术设想来自于祖步林博士，最大的特点就是，宇航员们将在火星上自行制造燃料。
SpaceX在原计划中将建造一个起飞重量高达一万两千多吨的复用超级火箭，进入轨道之后由加油船补给燃料，然后在三个月的行程里抵达火星。其飞行员将在火星着陆，并使用大气中的二氧化碳和水反应形成甲烷，并随后重新加注在其着陆飞行器中，在任务结束时起飞返回地球。
图为spaceX的火星方案（图源航天爱好者）
如此之多的火星探索方案，其实都寄托了人类试图探索外星的期盼。地球是人类的摇篮，但人类不可能永远在摇篮中生活，NASA的火星计划，或许能够真正助力人类成为一个多行星的物种。