为什么去火星（去火星要多久）

　　作者：佰思科学｜沈东旭 邱亚明
　　发射于2020年7月23日的天问一号，经过将近7个月的长途跋涉，将于在2021年2月10日左右进入火星轨道。而我我国自主研制的70米口径全科动天线，也是亚洲最大单口径天线，也将正式上岗，专门用来＂接听＂火星信号！那么，为什么问天要飞行将近7个月这么久呢？能不能再快点？
　　火星围绕地球旋转轨道
　　讲真，以目前的技术水平，很难更快了。要知道，地球到火星之间的距离，最近时大约5500万公里，最远有大约4亿公里。假如把地球看成静止的话，火星每隔大约780天运行到距离地球最近的位置上，也就是两年多一点的时间，这被称作地火的会合周期。这次天问一号正是赶上了地火相接近的机会发射的。
　　2000年到2030年间的地火距离（1AU相当于1亿5000万公里）
　　天问一号离开地球时候的速度约有33km/s，随着距离地球越来越远，速度逐渐下降，接近火星时候速度在22km/s左右。
　　天问一号自拍
　　有人可能想说，你当我不识数啊。假如用最近距离5500万公里除以22km/s的速度，也就是29天左右；而从2020年7月23日到2021年2月10日，中间相隔了202天，将近7个月啦，这差得可太大啦！
　　沃尔特·霍曼
　　其实这里有个误解，飞船从地球到火星，不是沿最短路径走直线，通常走一条叫＂霍曼转移轨道＂的路线。沃尔特·霍曼（1880-1945）是一位德国工程师，他在1925年出版的一本书里展示了霍曼转移轨道。这里先简单介绍一下什么是霍曼转移轨道。
　　霍曼转移轨道是一条椭圆轨道（图中黄线）
　　假如飞船要从标为1（上图蓝色圆）的圆形轨道出发，进入圆形轨道3，怎么走才能最省燃料呢？一个简单易行的方法是，通过1和3之间的椭圆轨道运行。具体实现方法参见下图，图中飞船先在轨道1上加速，从圆形轨道1变轨为椭圆形的轨道2，然后发动机关机；等飞船依照惯性飞行到椭圆轨道顶点，也就是与圆形轨道3相交的位置时，再一次加速变轨，进入圆形轨道3。
　　霍曼转移轨道
　　因此，只需要经过两次加速变轨，飞船就能从轨道1抬升到轨道3，这就是霍曼转移轨道。霍曼转移轨道也是对称的。当飞船从轨道3飞回轨道1时，需要两次减速，消耗同样多的能量。可以证明，在这种简单情况下，霍曼转移轨道消耗的燃料最少。对从地球到火星这种情况来说，走标准的霍曼转移轨道需要耗时大约9个月。
　　天问一号的飞行轨迹示意图
　　天问一号走的不是标准的霍曼转移轨道。2020年10月9日，天问一号做了一次深空机动，火箭上推力为3000牛顿的主发动机工作了480秒，相当于变轨。因此，天问一号到达火星的时间是6个月多一些，比走标准霍曼转移轨道的时间短。等到达火星时，天问一号总共的飞行距离是4.7亿公里，远高于地火之间的最近距离5500万公里。
　　天问一号
　　那么问题来了：天问一号去火星，还能再快一点吗？答案是：不能了。为什么呢？简单点说就是：飞船携带的燃料是有限的，想跑得更快，必须在飞行途中多次点火。多次点火不是问题，问题是没法多次点火--没有那么多燃料啊。让我们来看看天问一号的燃料都用到了什么地方。
　　天问一号拍摄的地月合照
　　当天问一号从地球出发进入地火转移轨道时，一家人齐齐整整有5吨重。在这5吨中，环绕火星飞行的轨道器重量为3.175吨，火星车240公斤，携带火星车登陆的着陆器，估计重量在一吨左右，留给燃料的重量应该不到1吨。
　　天问一号结构
　　天问一号在中途要进行四次轨道修正，不过这样的轨道修正消耗不了太多的燃料。最费燃料的是中途变轨时，3000牛顿发动机工作480秒，估计消耗300多公斤燃料。等到了火星，天问一号还要刹车从而被火星引力捕获。
　　天问一号到达火星之后的轨道
　　之前曾经说过，天问一号要进入火星环绕太阳轨道需要加速，为什么现在变成减速了呢？原来，天问一号不是要绕太阳运行，而是环绕火星运行。成为火星卫星的速度小于天问一号接近火星时的飞行速度，因此是减速而不是加速。从上图我们可以看出，这之后天问一号还要再做几次变轨，到时候燃料也就消耗得差不多了。
　　天问一号火星任务的各个阶段
　　作为对比，美国最早的火星着陆器，海盗一号，发射于1975年8月20日，到达火星的时间是1976年6月19日，路上整整花了10个月时间，走的是标准的霍曼转移轨道。美国2018年5月5日发射的洞察号（InSight）着陆器，2018年11月26日到达火星，用时也是6个多月。总之，以目前化学火箭的能力，到达火星最快的时间，很难降到6个月以内。
　　美国洞察号火星探测器轨道
　　对无人探测器来说，六个月、甚至更长的地火旅行时间不是什么障碍。可对未来要登上火星，甚至殖民火星的人类来说，6个月的旅行时间就太长了。人在太空中呆这么长时间，暴露在宇宙射线之下，同时面临着失重的环境，对人体健康很不利。哥伦布第一次横渡大西洋发现美洲大陆，花了37天时间。第二次去美洲，因为路熟了只用了17天。未来真要殖民火星的话，40以内、最好十几天的路途耗时还是比较合适的。
　　万户的故事
　　据西方传说，中国明朝时期有个叫万户的官员，在椅子下面绑了47枚烟花火箭，终于成为人类征服太空过程中的第一个烈士。由于在中国古籍中查无此人，此事大概率是编的。人类自从20世纪进入航天时代之后，所用的火箭技术其实与万户并无本质区别，仍然在利用化学能推进。今日航天大航海时代，这些古董般的化学火箭相当于古时候人力推进的独木舟，连帆船都算不上。真的要遨游太阳系，还需要等到更高水平的太空火箭引擎面世才行。
　　未来的太空引擎
　　在我们以后的文章中会继续探讨这个话题。
　　＃天问一号即将绕火飞行，为什么天问去火星花了6个多月，还能更快吗？＃