火星，这个迷人的星球，令人神往，不少人早就做着踏上火星的梦。随着航天科学技术的发展，人们正在加紧筹划载人火星航行。有理由相信，在新的世纪，人类就有可能圆登上火星之梦。
    在21世纪的头20年里，人类将完成2项世界性的大型航天工程——重返月球和实现载人火星航行。早在30多年前，人类就已经多次成功地登上月球，所以重返月球从技术上来说，已经没有任何障碍。而要实现载人火星航行却还有一段艰难的路。
    火星是太阳系中与地球最相似的一颗行星。火星上的一年也有四季之分，共有687天，几乎是地球上一年时间的两倍。火星上的一天只比地球上的一天长37分钟。
    火星被一个大气层包围着，其主要成分是二氧化碳，约占95%。大气密度极其稀薄，相当于地球海拔高度35公里处的大气密度。火星的天空白天呈粉红色，朝日初升和夕阳落山时呈蓝色。火星表面风速每小时可达几百公里，虽风力很小，但扬起的尘暴可持续数星期之久。火星表面的温度在摄氏-140度至+27度之间变化，岩石会因天空光线的变化，在一天里呈现不同的颜色。
   由于载人火星航行是人类历史上破天荒第一次，还需要解决因长期太空飞行产生的若干难题，为此必须进行多次无人火星探测，以便为人类登上火星提供更多的依据和经验。怎样才能安全可靠地把人送上火星并返回，实现载人火星航行的伟大理想呢?让我们从太空航行的基本问题——速度说起。

需要大干11·6公里/秒的速度

    载人飞船要飞往火星，首先必须摆脱地球的引力束缚。我们知道，一个物体要想脱离地球引力，必须获得等于或大于11·2公里/秒的第二宇宙速度。当飞船以11·2公里/秒的速度飞离地球，到达距地球大约100万公里处，可以认为已经摆脱了地球引力。此时，飞船相对于地球的速度己减小到接近于零。但是，飞船仍具有地球给它的29·8公里/秒的相对于太阳的速度。于是，飞船就像地球的一个微不足道的小伙伴，伴随地球一道，在半径为1·5亿公里的地球轨道上，绕太阳运行。
    要使飞船脱离地球引力飞往火星，就要使它在摆脱地球引力以后，还有3公里/秒的剩余速度，加上地球给它的29·8公里/秒，它就获得了相对于太阳32·8公里/秒的速度。这样，飞船就会离开地球轨道，沿着一条以太阳为焦点，近日点在地球轨道上，远日点在火星轨道上的椭圆航线，飞向火星。这条航线称为"双切轨道"航线。而要使飞船具有3公里/秒的剩余速度，就需要使飞船从地面起飞后，获得一个11·6公里/秒的朝东方向的初始速度。
    飞船飞往火星走什么样的航线和航行时间的长短，取决于它相对太阳的速度。速度越大，飞往火星的航程越短。双切轨道航线要求飞船的初始速度最小为11·6公里/秒，是最省能量的航线，但是它的航程长，航行时间也长。沿双切轨道航线飞抵火星需要259天。

发射窗口

    飞船经过259天漫长的航行，抵达火星轨道时，并不见得能与火星相遇，因为火星也在自己的轨道上运行。只有当飞船达到远日点，即与火星轨道相切点时，火星也正好运行到那里，飞船才能与火星交会。这就要求:飞船从地球发射起飞时，火星必须位于地球前方44度的位置。这个特定的发射时机叫做 "发射窗口"。
    象这种特定的位置，是不常有的，每隔26个月才出现一次。这段时间，天文学上称为 "会合周期"。因此，如果错过一次发射窗口，或者发射失败，下一次发射就只能等到两年零两个月以后了。
    双切轨道航线虽然最省能量，但是航行时间最长。在能量允许的情况下，一般宁可让飞船的初始速度略大于11·6公里/秒。这样，飞船将沿着一条比双切轨道大的椭圆轨道航线飞行，沿这条航线到达火星轨道的航程短，航行时间也会相应缩短。初始速度越大，航线越短。所以，在设计火星航行方案时，往往考虑将初始速度定为12公里/秒左右，这样可使航行时间缩短到大约200一天。
    从火星返回地球也不是随时可以启程的。如果沿双切轨道航线返回，飞船是在轨道的远日点离开火星轨道，到近日点与地球轨道相切。为使地球同时走到这一位置与飞船交会，就要求在飞船从火星出发时，地球应位于火星后面75度的位置上。这样的相对位置 (发射窗口)，自飞船到达火星之日起450天才第一次出现。此后，按照地球与火星的会合周期，每隔26个月出现一次。
    所以，每次载人火星航行任务，航天员不得不在火星上呆450或500天(500天是选择途中为200天航线时，需要在火星上等待的时间)，多也不行，少也不行。由此可见，载人火星航行，如走双切轨道航线，来回需要2x2599+450=968天;如走较短航线，需要2x200+500=900天。往返一次要花900个日日夜夜，也真够长的!

需要解决的难题

    20世纪60年代以来，无人火星探测的实现及载人登月的成功，为载人火星航行所需的基本技术和功能系统奠定了良好的基础，例如，载人火星飞船的研制、火星航行的导航与控制、通信与测控、捕获火星、从火星着陆与返回、火星车及仪器设备在火星表面的自主或遥控工作等。
    为了实现载人火星航行，尚需要进一步完善这些技术和系统，特别是提高它们的可靠性与安全性。同时，载人火星航行还必须解决因长达两年半的航行给航天员带来的一些特殊难题。
    为减少旅途中航天员的孤独，执行任务有人商量，每次载人火星航行的航天员人数不能太少，一两人不合适，也不能太多，初期以4至6人为宜。
    航天员在两年半中所需要的食物、水、氧气、能源以及其他生活和工作消耗品，重量将达到数十吨，都需要从地球运去。向火星每发送1吨有效载荷，需要消耗大约100吨重的运载器。尤其麻烦的是，航天员从火星返回地球用的返航运载器也必须从地球运去。这个运载器装满推进剂后，将重达100多吨。为此，需要研制一种不亚于发射 "阿波罗"登月飞船的"土星5号"的重型运载器，以便能把数十至一百多吨重的有效载荷送人飞往火星的轨道。
    为了解决上述难题，航天专家们提出了3条途径:
    利用火星大气生产推进剂、水和氧气，尽可能减少需从地球运往火星的载荷。由于火星大气中95%是二氧化碳，利用从地球上带去的氢，与火星大气中的二氧化碳进行化学反应，可生成甲烷和水，再将水电解又可得到氢和氧。甲烷和氧是推进剂，不仅可供返航运载器用，还可供火星车及可移动仪器设备用。氢可以循球使用，不断生产甲烷、氧气和水。生产推进剂所需电能由从地球带去的核电站供给。
    分批运送，"粮草先行"。先将返航运载器、推进剂生产设备、液氢、核电站及航天员生活、工作必需品等分批运送，最后运送航天员，以减轻每次发射的有效载荷重量，降低对运载能力的要求。
    开发新的重型运载器。美国国家航空航天局的马歇尔航天中心设想了一种
名叫 "马格努姆"的火箭，近地轨道的运载能力可达80吨。由飞船 (或其他有效载荷)和推进级组成、重量为100至200吨的航天器，可以用该火箭分2至3次送人近地轨道，在轨道上组装，然后点燃推进级，将速度由7·6公里/秒左右提高到12公里/秒，飞向火星。有双切轨造航线、较短航线和更短航线可供选择。
    美国前洛克希德·马丁公司的工程师祖伯林提出了研制名叫"阿勒斯"的重型运载器。它能从地面将数十吨的飞船或其他有效载荷直接加速到12公里/秒，进人飞向火星的轨道。
    基于上述解困途径，马歇尔航天中心和祖伯林提出了各自的载人火星航行方案，即基准航行方案和火星直航方案。

基准航行方案

    这是马歇尔中心提出的方案，主要特点是:每次任务有6名航天员参加，进行3次发射。总投资约需500亿美兀。
    第一次发射用 "马格努姆"火箭把装满推进剂的返航运载器送往火星，停泊在环绕火星的轨道上，待3年零3个月以后，供航天员从火星返回地球使用。
    第二次发射在第一次发射后不久(在同一个发射窗口内)进行，发射一般运货飞船。它携带有充气式居住舱、末装推进剂的上升船、推进剂生产设备、核电蛄、液氢、科学仪器和航天员在火星期间及返回途中的食物等必需品。
    无人货船到达火星表面后，推进剂生产设备即开始调试运行，利用带来的液氢和火星大气中的二氧化碳生产甲烷、氧和水。甲烷和氧是上升船需要的推进剂，返回时用。氧和水供航天员用。在此期间，充气式居住舱在火星表面自动充气展开成形，准备迎接航天员到来。
    第三次发射在第一次发射以后2年零2个月 (即下一个发射窗口到来之际)进行，发射乘有6名航天员的飞船。但在这之前，必须经过地面遥控、测试，证明己送到火星上的所有设备和仪器均工作正常，甲烷、水和氧产量已能满足上升船和航天员的需求。
    航天员在火星表面期间，可以乘坐火星车或用可移动的仪器设备进行巡视探测。500天以后，当返回窗口来临时，航天员乘坐上升船离开火星表面，到环绕火星轨道上，与等在那里的返航运载器交会对接，6名航天员即可乘坐返航运载器返回地球。
    此后，每隔26个月发射一个返航运载器，一般运货飞船;再隔26个月发射载人飞船。照此办理，就可为在火星上建立起可供人类长期居住的火星基地创造条件。

火星直航方案

    美国工程师祖伯林提出的这个直航方案特点是:每次任务派4名航天员;从地球运去的返航运载器不带推进剂，推进剂在火星上生产。与基准航行方案相比，直航方案需要从地球运往火星的物资大大减少。每次任务只需发射2次，比基准方案少1次;所需投资也少一半，为250亿美元。
     所谓 "直航"，是指飞船和返航运载器都从地球直接送到火星表面，既不需要在环绕地球轨道上组装，也不需要停泊在环绕火星的轨道上。航天员返回时，乘坐返航运载器从火星表面直接返回地球即可。
     第一次发射时，用 "阿勒斯"重型运载器将末装推进剂的空的返航运载器、6吨液氢、推进剂生产设备和100千瓦的核电蛄送到火星表面。
     这些设备到达火星后，就展开运行，利用带来的液氢和火星大气中的二氧化碳生产甲烷、氧和水。总共需要生产108吨由甲烷与氧组成的推进剂，其中，96吨供返航运载器用，其余12吨供火星车和可移动设备用。另外，还需生产一些供航天员用的水和氧气。
     第二次发射在第一次发射后26个月进行，发射乘有4名航天员的载人飞船。飞船中还装有航天员在900天任务中所需的食物和其他消耗品 (水和氧气除外)。在航行途中，载人飞船和熄火的运载器末级之间用一根长1500米的系绳连接。整个系统以每分钟1转的速度绕质心旋轱，使飞船内产生与火星表面重力大小 (0·41g)相等的人工重力。在快到火星表面的时候，飞船与运载器末级分离，并使飞船减速，然后利用火星大气制动，最后降落到火星表面。
    4名航天员在火星表面生活、工作500天后，返回窗口来临，他们便乘返航运载器离开火星表面直接返回地球。
    在直航方案中，前后两次航行任务是交叉进行的:后面一次的首次发射(发射返航运载器及推进剂生产设备等)安排在前一次任务的第二次发射之前几个星期进行。这是为了使后一次任务的返航运载器可以兼作前一次返航运载器的备份，万一返航运载器发生故障，航天员可以乘坐后一次任务的返航运载器返回。
    无论是基准航行方案，还是直航方案，现在还都处于方案设想阶段。方案中所提出的技术途径，如重型运载火箭或重型运载器的研制、返航运载器的火星着陆和返回、自动生产推进剂以及充气式居住舱自动展开等，都还需要通过无人火星航行，进行几次飞行验证试验。首次载人火星航行的日期，要根据这些飞行验证试验结果而定，估计不会早于2010年。