人类前往火星有几条路，旅途需要多久，何时能启程？ 2020.11.20

要弄清这个问题，首先说说地球与火星距离。

地球与火星在一个轨道平面（黄道）围绕着太阳公转，地球以约1.5亿千米半径围绕着太阳公转，公转轨道全长约9.4亿千米，公转线速度约每秒29.8千米，转一圈约365.24天；火星公转轨道半径约2.28亿千米，轨道全长约14.32亿千米，公转线速度为24.13千米，转一圈需要686.98天。

从以上两颗行星轨道看，一颗在距离太阳更近转小圈，一颗在距离太阳更远的地方转大圈，一颗速度更快，一颗速度更慢，轨道半径平均差距为0.78亿千米，地球与火星会和时距离最近，理论上为7800万千米。

但实际上，这两颗行星的公转轨道并不是正圆，而是有点椭圆，地球和火星距离太阳就都有了近日点和远日点，当地球处于远日点，而火星处于近日点，且恰好与地球太阳同一条线时，这才是地球和火星最近距离，这个距离约为5500万千米。

这样如果按最近距离直线飞往火星，到达火星就很快了。火星是另一颗行星，要到达那里就要摆脱地球引力，这样最低速度要达到第二宇宙速度，也就是每秒11.2千米。如果按照这个速度来计算，直线最近距离到达火星只要1364个小时，也就是57天不到。如果高于这个速度，到达火星就更快了。

但事情并不是这么简单，宇宙航行受多种因素影响。

首先，火星最近距离并不是每年都有，由于两颗星都在运行，且运行速度不一样，公转周期也不一样，太阳、地球、火星要运行到一条线上，需要26个月780天左右才有一次。因此，一般发射火星探测器，26个月才有一个发射窗口，非发射窗口年份发射就需要走更遥远的路程。

火星两年与地球一会，并不每次都正好地球远日点，火星近日点时相会，这种机会要数十万年才有一次。因此平时的相会一般距离都在6000万千米左右。2020年8月27日，是火星大冲，也就是火星到达地球附近时，在近日点附近，但地球并非远日点，这一天火星距离地球为5576万千米，是6万年来最近的一次。

因此这一年，有多个国家利用发射窗口发射了探测器前往火星。

然而，到达火星的路途远远不止5、6万千米，而是数亿千米。

因为地球在走，火星也在走，火星并不会在轨道上等着我们发射的航天器到来，而是以每秒24.13千米的速度永不停歇地在赶路，这样如果等火星到达地球最近时再发射，就需要达到更快的速度才能够赶上火星，因此不能等到火星到达地球最近，发射最佳窗口期一般在火星近地点前1个月左右。

2020年有3个国家机构向火星发出探测器，发射的时间是：7月20日，阿联酋成功发射了“希望号”；7月23日，中国发射了“天问一号”；7月30日，美国NASA发射了“毅力号”。这些时间都在火星大冲的8月27日一个月之前。

这些发出的探测器并不是直线到达火星，而是顺着地球轨道切线，呈一个弧线追赶火星，一般要走4亿千米甚至更多，才能与火星相会。这样，根据航行速度和轨道操作不同，到达火星的时间就需要5到10个月不等。

历史上到达火星的探测器基本都在这个时间区间，如NASA1964年发射的“水手4号”，花了228天时间到达火星；1969年发射的“水手6号”，则只花了157天时间就到达火星；1975年发射的“海盗1号”，费时304天才到达火星；2018年发射的“洞察号”，花了205天到达火星，行程4.82亿千米。而印度2013年发射的“曼加里安号”，到达火星则花了331天。

我国发射的首艘火星探测器“天问一号”，于2020年7月23日发射，现在已经飞行了近6个月，预计在2021年2月份到达火星，花了200天左右。据有关报道，1月3日“天问一号”行程已经突破4亿千米，现在距离地球1.3亿千米，距离火星830万千米，开始要进入“刹车”阶段。

为什么飞火星行程要走曲线，而不走直线呢？

这是因为航天发射最重要的原则就是本着“省油”原则，要知道任何航天发射载荷，最主要的都是燃料。

如上世纪阿波罗登月任务，土星五号起飞重量3038吨多，送上轨道的阿波罗飞船只有45吨，这45吨中大部分还是燃料，最终回收回来的只是3个人和几十千克月样。我国发射的嫦娥五号，长征五号遥五火箭起飞重量870吨，入轨的嫦娥五号只有8.2吨，返回器只有几百千克，主要送回月样2千克。

这说明航天发射的燃料占绝大多数，而且这些燃料在途中都消耗了，装燃料的容器也就丢弃了。这些燃料主要消耗在哪些地方呢？最大的消耗当然是发射，如发射天问一号的长征五号遥四运载火箭，起飞重量800多吨，送上天的天问一号也就5吨，近800吨的燃料顷刻间就化为乌有了。

因此，发射航天器时燃料耗费巨大，多发送1千克载荷都会增加很多燃料，因此飞船多带一点燃料都是异常奢侈的。发射完成后，飞船脱离火箭，本身携带的燃料就十分有限了，只能用于关键几个时刻，就是变轨、修正航向、刹车入轨等，整个路途就只能依靠惯性自由飞行了。

现在到火星最佳“省油”方式就是霍曼转移。

所谓“霍曼转移”，这是德国航天工程师瓦尔特·霍曼博在1925年提出的，是以太阳引力为参照点，利用地球和火星每隔2年2个月就有一次会合的机会，提前发射顺势到达火星的方法。

这种方式理论上仅需要两次加速，第一次是在发射成功后，提速切入霍曼转移轨道，逃离地球引力；第二次快要到达火星时，切出霍曼转移轨道，赶上火星。然后还需要一次减速，也需要消耗燃料，就是到达火星附近时，发动机反推刹车，让自己被火星引力捕获，进入环火星轨道。

如果需要降落到火星表面，就还要留一些燃料，快到达时喷气反推软着陆。

霍曼转移是最省燃料的行程方式，代价就是距离和时间。当然，也还有更“省油”的方式，就是利用天体盈利弹弓效应，不断给飞行器加速，省却了自身提速所需的燃料。但这种方式需要耗费更多的时间。

如果不考虑节约燃料，还有快速合点航行和冲点航行方式，这些奢侈的航行方式极少运用，这里就不展开说了。

这些都是无人探测器，载人到火星要多久呢？

人类迄今速度最快的无人探测器就是“帕克号”太阳探测器，它现在正在太阳附近冒着高温抚摸这个“老虎屁股”，速度达到每秒100多千米，到了2024年，当它到达距太阳只有约600万千米任务最近距离时，其速度可以达到每秒200千米。

但这个速度不是发射速度，而是通过金星引力弹弓效应，以及太阳引力拉扯才变得越来越快的。上世纪发射的旅行者1号探测器正在向太阳系外飞去，速度每秒只有17千米，这是因为它背着太阳飞，时刻在太阳引力拉拽下，是难以飞快的。不过这个速度已经早就超过了第三宇宙速度，是完全可以脱离太阳引力，飞出太阳系的。

那么未来飞往火星会采用一个什么速度和路径呢？需要多久呢？我认为从目前的能源开发进展看，似乎还看不到有突破性的高效能源出现，因此节省燃料和载荷，还应该是载人飞往火星的首选，这样依然要采用霍曼转移路线，时间也就需要6个月左右。