人類前往火星有幾條路，旅途需要多久，何時能啟程？ 2020.11.20

要弄清這個問題，首先說說地球與火星距離。

地球與火星在一個軌道平面（黃道）圍繞著太陽公轉，地球以約1.5億千米半徑圍繞著太陽公轉，公轉軌道全長約9.4億千米，公轉線速度約每秒29.8千米，轉一圈約365.24天；火星公轉軌道半徑約2.28億千米，軌道全長約14.32億千米，公轉線速度為24.13千米，轉一圈需要686.98天。

從以上兩顆行星軌道看，一顆在距離太陽更近轉小圈，一顆在距離太陽更遠的地方轉大圈，一顆速度更快，一顆速度更慢，軌道半徑平均差距為0.78億千米，地球與火星會和時距離最近，理論上為7800萬千米。

但實際上，這兩顆行星的公轉軌道并不是正圓，而是有點橢圓，地球和火星距離太陽就都有了近日點和遠日點，當地球處于遠日點，而火星處于近日點，且恰好與地球太陽同一條線時，這才是地球和火星最近距離，這個距離約為5500萬千米。

這樣如果按最近距離直線飛往火星，到達火星就很快了。火星是另一顆行星，要到達那里就要擺脫地球引力，這樣最低速度要達到第二宇宙速度，也就是每秒11.2千米。如果按照這個速度來計算，直線最近距離到達火星只要1364個小時，也就是57天不到。如果高于這個速度，到達火星就更快了。

但事情并不是這么簡單，宇宙航行受多種因素影響。

首先，火星最近距離并不是每年都有，由于兩顆星都在運行，且運行速度不一樣，公轉周期也不一樣，太陽、地球、火星要運行到一條線上，需要26個月780天左右才有一次。因此，一般發射火星探測器，26個月才有一個發射窗口，非發射窗口年份發射就需要走更遙遠的路程。

火星兩年與地球一會，并不每次都正好地球遠日點，火星近日點時相會，這種機會要數十萬年才有一次。因此平時的相會一般距離都在6000萬千米左右。2020年8月27日，是火星大沖，也就是火星到達地球附近時，在近日點附近，但地球并非遠日點，這一天火星距離地球為5576萬千米，是6萬年來最近的一次。

因此這一年，有多個國家利用發射窗口發射了探測器前往火星。

然而，到達火星的路途遠遠不止5、6萬千米，而是數億千米。

因為地球在走，火星也在走，火星并不會在軌道上等著我們發射的航天器到來，而是以每秒24.13千米的速度永不停歇地在趕路，這樣如果等火星到達地球最近時再發射，就需要達到更快的速度才能夠趕上火星，因此不能等到火星到達地球最近，發射最佳窗口期一般在火星近地點前1個月左右。

2020年有3個國家機構向火星發出探測器，發射的時間是：7月20日，阿聯酋成功發射了“希望號”；7月23日，中國發射了“天問一號”；7月30日，美國NASA發射了“毅力號”。這些時間都在火星大沖的8月27日一個月之前。

這些發出的探測器并不是直線到達火星，而是順著地球軌道切線，呈一個弧線追趕火星，一般要走4億千米甚至更多，才能與火星相會。這樣，根據航行速度和軌道操作不同，到達火星的時間就需要5到10個月不等。

歷史上到達火星的探測器基本都在這個時間區間，如NASA1964年發射的“水手4號”，花了228天時間到達火星；1969年發射的“水手6號”，則只花了157天時間就到達火星；1975年發射的“海盜1號”，費時304天才到達火星；2018年發射的“洞察號”，花了205天到達火星，行程4.82億千米。而印度2013年發射的“曼加里安號”，到達火星則花了331天。

我國發射的首艘火星探測器“天問一號”，于2020年7月23日發射，現在已經飛行了近6個月，預計在2021年2月份到達火星，花了200天左右。據有關報道，1月3日“天問一號”行程已經突破4億千米，現在距離地球1.3億千米，距離火星830萬千米，開始要進入“剎車”階段。

為什么飛火星行程要走曲線，而不走直線呢？

這是因為航天發射最重要的原則就是本著“省油”原則，要知道任何航天發射載荷，最主要的都是燃料。

如上世紀阿波羅登月任務，土星五號起飛重量3038噸多，送上軌道的阿波羅飛船只有45噸，這45噸中大部分還是燃料，最終回收回來的只是3個人和幾十千克月樣。我國發射的嫦娥五號，長征五號遙五火箭起飛重量870噸，入軌的嫦娥五號只有8.2噸，返回器只有幾百千克，主要送回月樣2千克。

這說明航天發射的燃料占絕大多數，而且這些燃料在途中都消耗了，裝燃料的容器也就丟棄了。這些燃料主要消耗在哪些地方呢？最大的消耗當然是發射，如發射天問一號的長征五號遙四運載火箭，起飛重量800多噸，送上天的天問一號也就5噸，近800噸的燃料頃刻間就化為烏有了。

因此，發射航天器時燃料耗費巨大，多發送1千克載荷都會增加很多燃料，因此飛船多帶一點燃料都是異常奢侈的。發射完成后，飛船脫離火箭，本身攜帶的燃料就十分有限了，只能用于關鍵幾個時刻，就是變軌、修正航向、剎車入軌等，整個路途就只能依靠慣性自由飛行了。

現在到火星最佳“省油”方式就是霍曼轉移。

所謂“霍曼轉移”，這是德國航天工程師瓦爾特·霍曼博在1925年提出的，是以太陽引力為參照點，利用地球和火星每隔2年2個月就有一次會合的機會，提前發射順勢到達火星的方法。

這種方式理論上僅需要兩次加速，第一次是在發射成功后，提速切入霍曼轉移軌道，逃離地球引力；第二次快要到達火星時，切出霍曼轉移軌道，趕上火星。然后還需要一次減速，也需要消耗燃料，就是到達火星附近時，發動機反推剎車，讓自己被火星引力捕獲，進入環火星軌道。

如果需要降落到火星表面，就還要留一些燃料，快到達時噴氣反推軟著陸。

霍曼轉移是最省燃料的行程方式，代價就是距離和時間。當然，也還有更“省油”的方式，就是利用天體盈利彈弓效應，不斷給飛行器加速，省卻了自身提速所需的燃料。但這種方式需要耗費更多的時間。

如果不考慮節約燃料，還有快速合點航行和沖點航行方式，這些奢侈的航行方式極少運用，這里就不展開說了。

這些都是無人探測器，載人到火星要多久呢？

人類迄今速度最快的無人探測器就是“帕克號”太陽探測器，它現在正在太陽附近冒著高溫撫摸這個“老虎屁股”，速度達到每秒100多千米，到了2024年，當它到達距太陽只有約600萬千米任務最近距離時，其速度可以達到每秒200千米。

但這個速度不是發射速度，而是通過金星引力彈弓效應，以及太陽引力拉扯才變得越來越快的。上世紀發射的旅行者1號探測器正在向太陽系外飛去，速度每秒只有17千米，這是因為它背著太陽飛，時刻在太陽引力拉拽下，是難以飛快的。不過這個速度已經早就超過了第三宇宙速度，是完全可以脫離太陽引力，飛出太陽系的。

那么未來飛往火星會采用一個什么速度和路徑呢？需要多久呢？我認為從目前的能源開發進展看，似乎還看不到有突破性的高效能源出現，因此節省燃料和載荷，還應該是載人飛往火星的首選，這樣依然要采用霍曼轉移路線，時間也就需要6個月左右。