人类从地球到火星,乘坐现在的飞行器需要多长时间?

从地球到火星一般要数个月的时间,为什么说数个月,因为时间无法给出精确的数值,因为不同轨道的飞行时间的不同的,如果非要说一个数值,可只能是个区间。大约在100多天至300多天,因为在历史上探测抵达火星的时间基本都在这个区间里面,比如水手4号花了228天的时间抵达火星,水手6号就只花了115天的时间抵达火星,海盗1号花的时间比较多,达到了304天的时间抵达火星,只有的几个探测器基本都在200多天的时间就可以抵达火星了。

火星距离地球不是一成不变的,而是变化的,如果选择最接近地球的时间发射探测器,那么时间就最短,当然探测器不能借助其他天体引力加速,不然还是不够快。从地球发射时两颗行星要最接近,而且动力系统要足够强大。乘坐现在的飞行器需要200多天是肯定的,但如果使用核动力推进,那么可以大大缩短,比如号称在40天之内抵达火星,这不是没有可能的。还有一个问题需要指出,宇宙飞船进入火星轨道的时候是要减速的,避免超出轨道,必须计算当宇宙飞船到达时火星的骨雕位置,已经宇宙飞船的速度,从哪个角度切入火星大气层。

2015年9月28日,NASA宣布火星表面存在周期性的液态水。而且,有证据显示,火星的地下有可能也有液态水的存在,虽然人类未来殖民火星、改造火星是一个浩大的工程,但火星确实是个最有希望被宜居的天体。

上海科技报科普问答主持人:主任记者吴苡婷


首先我们要说说地球到火星的距离,这并不是像我们地球上的长途旅行一样,一个点到一个点的距离是固定的,比如上海到北京的距离是1200多公里,这个一个固定的距离,我们可以根据距离公式非常容易地算出去火星需要的时间。可是天体是在运动的,都有自己的公转运行规律,地球和火星都在绕着太阳公转,但是速度是不同的,所以地球和火星之间的距离并不是固定不变的,最近距离和最远距离的差距可以非常大,科学家观察下来,地球和火星的最近距离是5500万公里,最远距离可以达到4亿公里。

按照目前地球上飞行的航天器的速度,在近距离点上,最快到达火星的时间需要200天左右,如果是远距离点的话可能需要2年的时间才能到达。虽然火星是距离地球很近的行星,但是还是路途遥远。

目前人类已经发射了30枚探测器来火星,它们到达火星的时间都很长,这是漫长的宇宙旅行。人类发射的海盗1号火星探测器就用了300多天才来到火星上空,整整是10个月的飞行。水手4号达到火星的时间也有7.5个月。凤凰号火星探测器也是耗费了9个月的时间。这些探测器都是无人探测器,而且都是有去无回型探测器。

所以虽然各种登陆火星的科普类文章非常多,但是人类要登上火星绝对不像登月那么简单,半年多的宇宙飞行中,吃喝拉撒问题要解决,身体健康也是一大难题。我们目前航天员一般最多在宇宙空间中呆上2周就回来了,他们可以在空间站中锻炼身体,不至于因为重力不足,回来后身体机能出现下降。但是要飞行半年多,这样的宇宙飞船要打造得相当庞大和精准,各种设施非常完备,否则基本就是去送死。当然打造这样的宇宙飞船耗费的人力物力要大大高于登月的阿波罗工程。

如果不突破现有航天技术的速度瓶颈,要开展星际旅游还是痴人说梦。

 据有关数据显示,火星和地球最近的时候,相距5600万千米,最远的则为3.2亿千米。

  比如上海到北京的距离是1200多公里,这个一个固定的距离,我们可以根据距离公式非常容易地算出去火星需要的时间。可是天体是在运动的,都有自己的公转运行规律,地球和火星都在绕着太阳公转,但是速度是不同的,所以地球和火星之间的距离并不是固定不变的,最近距离和最远距离的差距可以非常大。

  天空飞行和一般的地球飞行而言,并不是直线距离,有点常识的人们也会知道,飞行器在飞离地球的时候,需要不停的绕行,然后达到逃逸速度,脱离地心引力才能飞向太空,同样的着陆也需要这样的过程,而在这一过程中,两个行星的距离会有所改变。

  而目前航天飞行器的推进系统还是燃料,离子动力没有研制成功,至于核动力,并不能批量利用。

  当然目前最快航天器的速度也并不能作为本次地火之旅的速度依据来考察时间,因为航天器一旦达到某颗行星周围,其可以利用引力进行加速,所以不同的航天器速度不同,快的能达到30万公里每小时,慢的地球飞行器只有几万公里每小时,所以在专业且高难度的数据面前,我们目前也只能依据一些科学家大概计算的时间(来源网络)进行判断:大约100多天至300多天。

  我们目前航天员一般最多在宇宙空间中呆上2周就回来了,他们可以在空间站中锻炼身体,不至于因为重力不足,回来后身体机能出现下降。但是要飞行半年多,这样的宇宙飞船要打造得相当庞大和精准,各种设施非常完备,否则基本就是去送死。当然打造这样的宇宙飞船耗费的人力物力要大大高于登月的阿波罗工程。

  当前各国都还没开展载人火星登陆计划,因为除了需要更大推力、能够携带更多物资的火箭,也对人员心理有更大的要求,谁也不能保证漫长的飞行途中设备不出一点问题,一旦出现问题就会非常考验宇航员的心理素质,并且在漫长的飞行途中,狭小的空间内的人也很容易出现心理问题,使计划的实施更加艰难。

至少七个月,这只是无人探测器的飞行时间,如果是载人登陆火星,目前还无法做到,不过我们可以从探测器的抵达过程来推测载人登陆的情况。

自从发现金星地表的平均温度高达460℃之后,人类暂时放弃了登陆金星的计划,因为这么高的温度可以将金属铅都融化掉,探测难度可想而知。

所以近十几年来,关于探测地外行星的新闻,大多来自于火星探测。2021年6月11日,我国“祝融号”火星车公布了第一批传回的火星照片,这标志着我国在火星探测领域,成为第一个首次火星探测任务,就完成了对火星的环绕、着陆和巡视探测三项任务的国家。

以人类探测月球的经验来看,下一个火星探测任务应该是带回火星土壤样品了。美国和日本计划在2026年和2027年两年内,取回一些火星和火卫一的样品。我国也计划2028年前后,实施火星取样返回任务。

但是火星与地球的距离,始终是火星探测的难点之一。火星与地球的公转周期不同,地球绕太阳转一圈是365天,而火星则需要686天23小时,而且两者公转的轨道不同心,这导致两者之间的距离是不断变化的。

因此火星与地球最近的时候约5600万公里,而距离地球最远的时候达到了4亿公里。

一般情况下,各个国家发射探测器到火星时,都会选择探测器接近火星时,恰巧是火星距离地球最近的时候。

也就是说火星探测的发射,有一个时间窗口期,这个窗口期为26个月,这也是为什么各个国家扎堆发射火星探测器,因为错过了就要再等两年以上。

那么以人类现在的技术,要多久才能到达火星呢?我们从四个方面逐步分析,探测器登陆火星,必须要经历下面四个过程:

1、摆脱引力,离开地球

把探测器发射到火星上,首先要搞定的就是脱离地球引力,冲出了地球轨道,才能往火星靠近。

相信很多朋友都知道三大宇宙速度,如果飞行器的速度达到了7.9公里/秒,就可以环绕地球飞行而不掉下来。比如卫星、空间站等,都是以这个速度在高空飞行,但始终是在地球引力的束缚下飞行,7.9公里/秒就是第一宇宙速度。

想要彻底摆脱地球引力的束缚,就需要进一步加速,于是就有了第二宇宙速度11.2公里/秒,只有飞行器达到了这个速度才能够往火星的方向飞行。

但是以人类目前的技术,根本没办法在大气层内把速度提升到11.2公里/秒,所以要先把航天器发射到近地轨道,那里没有空气的阻力,然后再把与地球的相对速度提升到10.9公里/秒就可以摆脱地球引力了。

然而,将飞行器送到环绕地球的轨道就已经很困难了,巨大的火箭需要消耗巨大的燃料才能把数吨中的物体送入太空。

现在的火箭,平均100吨自重,仅能运送3~5吨重的航天器进入环绕地球的近地轨道(一般在200~2000千米高),将卫星送到35786千米的地球同步轨道,都要使用三级以上的火箭。

当年美国阿波罗登月,使用的土星五号火箭重达3000吨,也仅仅能够运送45吨左右的飞船到地月转移轨道。

运送探测器到火星就更加困难了,我们就以好奇号火星车为例,这是迄今火星探测最成功的火星车。

负责承载好奇号的是宇宙神5-541火箭,核心动力部分包括1个宇宙神-5 型核心级、4个固体助推器和1个半人马上面级发动机,使用了5.4米直径的超大整流罩。

整个火箭的总重为531吨,远没有土星5号重,但是它运载的好奇号组合才3.8吨重,仅占火箭重量的0.7%,而好奇号火星车的核心部分只有0.9吨,其余部分都是为火星车着陆准备的,可见运载效率有多低。

(宇宙神5-541 火箭基本结构)

幸好登陆火星只需要达到第二宇宙速度了可以了,如果要冲出太阳系,则至少要达到16.7公里/秒的第三宇宙速度,那将是更加复杂的过程。

所以登陆火星的第一步,就是要摆脱地球的引力,需要超大运载火箭,这还只是发射无人探测器。试想发射载人宇宙飞船,需要多大运力的火箭!

2、霍曼转移轨道——火星探测器的长途之旅

现在我们已经摆脱了地球的引力,以相对地球11.2千米/秒的速度往火星飞去,但事实上人类的速度极限是相对太阳45千米/秒。

如果按照火星距离地球最近时的5600万公里来算,以45千米/秒的速度飞行,探测器到达火星应该不超过半个月。

但实际上不能这样算,因为航天器实际运动轨迹一定是符合万有引力定律和开普勒天体运行三大定律的椭圆,椭圆的焦点是主要引力源,在太阳系内自然是太阳。

所以探测器从地球出发去火星,就无法绕开太阳的引力不谈,而要摆脱太阳引力直线飞行,飞船需要携带大量的燃料来助推探测器,以目前的技术根本无法做到。

1925年,沃尔特·霍曼博士想出了一个以节约能量为原则的星际旅行方案,该方案被后人称为霍曼转移轨道。按照霍曼博士的方案,发射探测器到火星,一共只需要两次助推就可以了,其余大部分路程只需借助太阳、地球和火星之间的引力,而不需要助推。

我们假设地球和火星的轨道都是圆的,霍曼转移轨道的大致思路就是:

在地球和火星的环绕太阳的轨道之间选择一条椭圆路线,椭圆与地球运行的轨迹外切,与火星运行的轨迹内切,以太阳为椭圆的一个焦点。

(①是地球,②是火星)

这样的话,火星探测器在脱离地球引力时,只需要在地球公转速度上加速即可,探测器的速度可以达到32.7公里/秒,然后沿着霍曼转移轨道绕行,这个过程中是不需要任何推力的。

当探测器快要抵达火星时,速度会慢下来,大概为21.5千米/秒,此时需要点燃助推系统,让飞船的速度加速到跟火星公转速度一样,也就是24.1千米/秒。

如果你对数字不够敏感,我们就换一种说法:火星探测器从地球发射,靠着火箭推力送入地球公转轨道围着太阳转。当探测器接近火星公转轨道时,点燃助推系统,飞入火星公转轨道追赶火星。

也就是说探测器一共只需要两次助推:脱离地球引力和并入火星轨道,其他路程完全靠太阳、地球和火星三者之间的引力绕飞。这可以最大限度的节约能源,飞船不需要携带大量的助推剂就可以到达火星。

霍曼转移轨道有着巨大的优势,可以大大降低燃料消耗,也降低了的对推进系统的要求。

火箭发送探测器到地火转移轨道的运输效率不到1%,能节省一吨燃料就意味着火箭重量可以减少超过百吨,这样做大大降低了对火箭的要求,同时拓展了探测器的设计空间。

但是霍曼转移轨道的缺点也很明显,就是所需时间特别长,探测器需要按照椭圆轨道飞行,走完整个轨道至少一半的路程。

火星距离地球最近的时候为5600万公里,而标准的霍曼转移轨道却长达6亿公里,探测器需要飞行至少260天左右。

这还只是理论数据,是把火星轨道按照圆形来计算的,并且假设火星与地球轨道在同一个平面。如果按照火星椭圆形公转轨道来计算,把0.1的偏心率,以及火星轨道平面与黄道平面1.8度的夹角算进去,计算过程要复杂的多。

这是探测器登陆火星的第二个过程,在这个过程中,基本上回答了地球到火星所需时间的问题:从地球发射探测器到火星,至少需要260天时间。

3、抵达火星、切入轨道

现在我们的探测器经过超过6个月的飞行,终于到达了火星附近,接下来探测器要切入火星的卫星轨道,这个过程也非常具有挑战性。

此时的探测器跟火星的公转速度是差不多的,但是火星的引力会让探测器加速,如果动力辅助,探测器会从火星旁边飞过或者一头撞进火星大气层。美国的“水手4号”探测器,就是被甩了出去,从火星旁边飞过而没能切入火星轨道。

既然这样,我们使用助推系统给探测器减速不就行了,速度慢下来就可以进入火星轨道了啊!但是事实上却没那么容易,因为探测器根本无法携带那么多燃料来减速。

就拿印度曼加里安探测器为例,总重1337千克,燃料有852千克;考虑到余下的基本结构、太阳能电池板、发动机和基本控制导航器件等,真正用于科研的设备仅有13千克左右。

印度的曼加里安探测器抵达火星影响范围后,开始启动动力反推,最终的结果是,探测器在整个旅途中消耗了800多千克燃料,给火星探测器环绕飞行留下的燃料,仅剩40多千克。

即便如此,该探测器的绕飞路线都不是特别好,其工作的轨道是一个近火点距离火星420千米,远火点与火星之间的距离达到了7.7万千米的超大椭圆。只有探测器在近火点的时候,才能从火星上搜集各种数据传回地球。

为了探测器能够以最节约的方式进入火星轨道,科学家们想出了空气刹车的方案。起到刹车作用的,是火星侦察轨道器上的太阳能帆板,利用帆板与火星稀薄的大气产生摩擦,降低火星的飞行速度。美国航天局曾经公布,利用空气刹车可以节约600千克的燃料!

另外,探测器切入火星轨道的整个过程,只能靠着自带的智能程序完成,在地球上无法对其进行实时遥控。因为以火星与地球的距离,无线电信号需要至少22分钟才能够单程到达,往返所需时间会更长。

所以说,从地球发射火星探测器,不仅飞行过程复杂,进入火星卫星轨道绕飞也非常困难。

4、最后一关:着陆火星地表

经过前面的三大挑战,我们终于到了最后一关:火星车着陆!这一关过不了,前面的努力就功亏一篑了。

在地球上执行航天器回收任务,靠的是大气层的减速效果,但是在火星上着陆,仅仅靠大气层是不够的,因为火的大气层太稀薄,探测器着陆必须靠反推力协助。

当探测器飞行到距离火星地面131千米的时候,便开始利用喷气发动机严格控制着陆轨迹,计算机开始计算以目前的角度入轨所产生的热量是多少。如果热量过高,就会超过探测器隔热层所能承受的极限,如果热量过低,说明探测器的着陆方向错了,就会滑向深空。调整好角度之后,探测器会以5900米/秒的速度冲进火星大气层!

当探测器到达距离火星地表45千米时,探测器隔热层的问答达到了恐怖的2100℃,而钢铁的熔点野菜1500℃,所以探测器需要复合材料升华来降低温度。

靠着隔热层与火星大气的摩擦,探测器的坠落速度降到了450米/秒,在距离火星地表11千米的时候,高50米,直径15米的大型降落伞打开。降落伞打开时,瞬时阻力相当于29.5吨的重量,探测器承受了自身重量10倍左右的冲击力。

当探测器距离火星地面8千米时,坠落速度已经很慢了,空气摩擦的热量已经不再是问题,此时探测器外部的隔热层会脱落。隔热层脱落5秒之后,探测器的雷达开始工作。

此时雷达要时刻检测探测器着陆点的环境,并通过计算调整探测器的着陆状态,降落伞在完成任务后也开始脱离探测器。

(好奇号火星车着陆过程)

探测器抛开降落伞之后,也不能直接落地,直接撞向火星表面是肯定不行的。此时探测器携带的反推火箭开始工作,着陆器底部的探测系统对着陆点的环境进行分析,探测器要选择一块宽阔、平整的地表着陆。

好奇号火星车采用的不是火箭反推的方式着陆,而是采用了空中吊车的方案。好奇号被吊在装有8枚反推火箭的空中吊车下面,缓缓的降落在火星地表。

至此,无人火星探测器在经历一系列挑战之后,终于着陆在火星地表了,这只是无人探测器登陆火星!

5、结语

前面我们介绍了火星探测器从地球出发,靠火箭助推脱离地球引力,进入霍曼转移轨道,历时至少260天的时间,到达了火星附近。

然后靠着空中刹车的方案,慢慢的进入火星绕飞轨道,最后利用火星大气层的减速效果,以及探测器的反推动力,并经过精密的探测和计算,火星车终于着陆在了火星地表上。

这是人类在探测火星领域,能够达到了的最高技术水平了,如果想要载人登陆火星的话,只能发挥想象力,载人登陆火星的过程要复杂的多。

载人登陆需要将一个能够维持宇航员至少八个月的生存所需的生命保证系统,这样的宇宙飞船重量不是一颗探测器能比的,这还只是单程前往火星。

因此,人类从地球到火星,发射无人探测器需要至少260天时间,如果是载人登陆的话,暂时无法给出答案!

你觉得人类什么时候能够实现载人登陆火星,如果是单程旅行的话,你愿意去吗?欢迎在下方评论区写下你的看法!

首先我们来看看地球与火星的距离到底有多远。

由于地球与火星会围绕不同的轨道绕太阳进行公转,其中地球的公转周期大约为365天,而火星的公转周期大约为687天,这也就导致地球与火星的距离其实是不固定的。

最近的时候,地球与火星的距离大约是5500万公里,而最远的时候,地球与火星的距离大约是4亿公里。由于宇宙空间中星体之间是相互运动的关系,与地球上两点间的最近距离是有本质上的区别的。

人类飞行器究竟如何飞往火星?

地球上的空中交通工具,往往运行轨迹都是保持相对直线的飞行,因为地球上的飞行器主要借助的事发动机多万动力及空气的升力,因此保持相对直线飞行,可以尽量节省飞行的时间。

而宇宙飞船的飞行轨迹是有着明显的不同的,因为宇宙飞船想要实现飞行,主要依靠的是发动机动力及宇宙间的万有引力。特别是在升入太空中以后,其实主要就是依靠引力再持续进行飞行,发动机的动力主要是为了调整变轨使用。所以说宇宙飞船的飞行轨迹是有着较大多万弧度的。按照这样的轨道飞行,到达火星需要走过的路程也是要比地球与火星的直线距离远处许多的。

这里我们可以拿“火星探测器”举一个例子进行参考。比如“火星探测器”发射时地球与火星的直接距离大概是6300万公里,但实际上该探测器想要到达火星大概需要走上约50000万公里的距离。这个距离大概是直线距离的将近8倍之多。而从“火星探测器”大概200多天能够到达火星的时间进行反推,我们大概可以知道,一般“探测器”飞往火星的平均速度大约在30公里/秒。

如果按照这个速度直线飞往火星,那么以火星与地球最近的5500公里进行就算,最快大概20天就能够到达火星,但这其实是并不太现实的。所以说以人类目前的技术来说,想要飞往火星,最快也得在200天左右的时间。

“火星旅行”其实是一个漫长的旅程。

从上面的数据我们可以看出,人类如果在短期内实现了“火星旅行”业务的开展,那么这一次往返可能就需要一年多以上的时间。这与地球上的旅行相比显然是要漫长许多的。而且大部分的时间旅行者其实都处在太空中进行飞行,如果想要在火星上逗留更久的时间,那么这次旅行的时间周期就会变的更加漫长。

人类如果想要缩短“火星旅行”的时间,只有通过科技的不断发展才可能实现,有朝一日人类如果掌握了更为先进的动力设备,也许在一天的时间内就可能实现火星的往返飞行。

以上个人意见仅供参考。

人类从地球到火星,乘坐现在的飞行器需要多长时间?

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。

载人登陆火星何时能实现?

现在不少国家都宣称将启动载人登月,但真正有已经启动计划的则极少,我认为比较靠谱的还是美国NASA,他们曾经宣称将在2022年左右重返月球,也就是载人在月背或南极登陆,并且在月球轨道建造深空之门空间站,这些都是为了载人登陆火星做准备,或者说是为载人登陆火星进行实战演习。

NASA已经宣布,在2033年左右登陆火星,现在正在紧锣密鼓地准备。而美国传奇明星老板,SpaceX(美国太空探索公司)创始人马斯克,则常常口出狂言,要在几年内登陆火星,2022年就发送货运飞船到火星,2030年要发送1000人到火星,每次100人,到了2050年在火星的人数达到100万。

这个牛皮似乎吹得很大,但这个人的确做了很多牛逼的事,是开启私人航天的第一人,实现火箭回收的第一人,研发的载人龙飞船与国际空间站对接成功,结束了美国自从航天飞机退役后,依靠俄罗斯飞船往返空间站的历史,火星飞船实验也不断的进行。他扬言自己在6年内要登上火星,并且不惧怕死在火星,会把自己的遗体埋在火星,真能如此,他认为是一件很酷的事情。

这似乎是马斯克的一贯风格,不管他的牛皮是不是会吹破,但我还是很佩服他,对他的探索精神充满了敬意。

登陆火星还有许多未知风险。

登陆火星绝不会像登陆月球那么简单。前往月球只要几天,来回也就十来二十天,而前往火星光是单程旅途就需要六七个月,且至少要过两年才能往回返。因为返回的发射也要等候26个月一次的窗口期。甚至有一种说法是,去火星很可能是单程票有去无回。

第一批去火星的人们每一步都是未知,可以说步步惊心,他们如何在狭小的飞船中度过漫长的6个月时间,如何在火星未知风险中平安降落,又如何在火星极端环境生存下来,并度过漫长的两年甚至一生,都是未知数。要知道火星与地球的电波联系,光速来回延滞都至少要数分钟,远时需要数十分钟,远水解不了近渴,一切都要依靠自己的智慧解决。

因此第一批去火星的人们,绝不是第一个吃螃蟹那么简单,除了要具有大无畏的献身精神,还要练好一系列的生存本领,都需要经过长期训练来解决,因此过不了月球生存观关,就别想着去火星了。

首批登陆火星的人们或许成为“火星人”祖先。

欧洲航天局提出一个火星旅途方案,为了减少携带的食物和水以及生活物资,宇航员们在6个月旅途中必须冬眠。他们设计了一个冬眠居住工作舱,直径为5.9米,长度为5.33米,里面包括了生命保障、居住工作等9个舱室,可以满足6名宇航员需求。如果宇航员不休眠,这个舱室直径和长度则都需要扩大到9米。

在快到火星时,宇航员们会提前21天醒来,休养适应,准备降落火星。而宇航员们长期在火星的生活必需品,很可能要靠货运飞船补给。

现在距离登陆火星还要十几年,随着科技的发展和新能源的开发,很可能到了登陆火星的时候,人们创造出了更好的飞船,有了更高效快速到达的方案。但不管怎样,我相信人类登陆火星的目标在近十几年内一定会实现,这是人类文明的新起点。

而首批登陆月球的人们,是人类当之无愧的勇士和英雄,他们将成为开启人类星际殖民时代的先驱。如果他们只有单程票,从此在火星上繁衍生息,就将成为地球人的分支~“火星人”的老祖宗。

就是这样,欢迎讨论,感谢阅读。

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人类以目前的水平,从地球飞到火星需要多少时间?这并不很难回答。只要知道地球到火星的距离,和人类飞船的飞行速度,就能得出飞行时间了。

由于公转周期不同,所以地球和火星每隔26个月,就会运行到太阳一侧的基本同一条线上,这时候就是地球到火星的最近距离,大约是5500万公里。而当火星和地球分居太阳两端,形成一条线时,就是地球到火星的最远距离,大约是4亿公里。

我们探测火星,当然不能选择自己离火星最远距离的时候去探测,而是要等到距离最近的时候。但发射飞行器的时间,也并不是恰好距离最近的时候,而是距离最近之前的几个月,这样,当飞船飞了一半的时候,地球到火星的距离达到最短,再飞行一半,才符合总体飞行距离最短的原则。这样的飞行距离大约在2亿-2.5亿公里。

那么人类飞行器在空间中的飞行速度怎样呢?首先,摆脱地球引力必须达到第二宇宙速度,也就是11.2公里/秒,而摆脱太阳系引力需要达到第三宇宙速度,也就是16.7公里/秒,我们取一个中间值,大约是14公里/秒。

这样用路程除以速度,得到的时间大约就在165-206天左右,也就是五个半月到七个月时间。感兴趣的朋友也可以自己计算一下。

当然了,如果飞行器发动机效率更高,燃料带得更多,可以达到更高的速度,而且也有足够的燃料到达火星后用来制动,那飞行时间就可以更短。如果探测器载荷较大,必须节省燃料,就需要在地火转移轨道多绕几圈,用的时间就会更长。再加上行星都在不停地运动,实际情况不同,时间也并不是一成不变的。

以下是一些历史项目到达火星的时间:

水手4号:第一艘飞经火星的宇宙飞船(1964年飞经):228天。

水手6号:(1969年飞经):115天。

水手7号:(1969年飞经):128天。

水手9号:第一艘环绕火星的宇宙飞船(1971年):168天。

维京1号:第一艘着陆火星的美国飞船(1975年):304天。

维京2号轨道器/着陆器(1975年):333天。

火星全球探勘者号(1996年):308天。

火星探路者号(1996年):212天。

火星奥德赛号(2001年):200天。

火星快递轨道卫星(2003年):201天。

火星侦察轨道器(2005年):210天。

火星科学实验室(2011年):254天。

2020年可以算得上是人类探索火星的元年,各国探索火星的计划百花齐放。有的朋友会很好奇,为什么各国都竞相选择2020年来作为探索火星的开局之年呢?

其实这恰恰与地球与火星的距离有非常大的关系。此话怎讲呢?

我们知道,从地球到火星并不是简单的两点一线的事情,因为地球和火星都是两个不断在运动的天体,一年之中,二者的相对位置是一直在改变的。

为什么有如此多的国家选择在2020年7-8月发射探测器到火星呢?

简单来说,就是今年地球与火星的相对位置近,航天器能够更快地到达火星。

发射火箭对精准度的要求极高,有时候甚至要精确到分、秒发射。对于所有的火箭发射来说都有一个“窗口期”,这是一个时间范围,在这个时间范围内发射的时间成本和物料成本都是最低的。

探测火星的窗口期

地球与太阳的平均距离是1.5亿千米,而火星位于太阳系系统的较外侧,距离太阳的平均距离有2.3亿千米。因此火星公转的轨道周期远远比地球的轨道周期长。

三岁小孩都知道地球上一年是365天,而火星上的一年则有687个地球日。两个行星绕太阳旋转的轨迹也有所不同,地球的轨道偏向于一个正圆,火星的轨道则是一个偏心率为0.09的椭圆。二者在运动的过程中,最远时距离甚至可达4亿千米,甚至比日地距离都大得多。因此选择一条“捷径”去火星,更能提高探测任务的成功率。

就像初中生经常算的会合题那样,一个人在操场上先跑,速度为多少,另一个人过了多久开始追,速度为多少,二者什么时候能够相遇。

在地球和火星的这道题中,则是每26个月,地球能够与火星会合一次。

人类到火星需要多久

这可以简单地理解成一道小学数学题,路程所需的时间应该等于路程的长短除以交通工具的速度。因此,解决这个问题最关键的地方就在于,火星和地球的距离,以及探测器在太空飞行的距离。

火地距离

上面提到,火地距离基本上一直处于变化之中,二者最远的距离甚至比日地距离还长,为了节约飞行燃料、提高任务的成功率,选择一个合适的距离是非常重要的。

每26个月,火地距离之间就会出现一个合理的窗口期,但是,这个窗口期依然只是一个理论值,有的任务可能不到26个月的间隔就实行的,有的则超过了26个月。主要是因为地球上的火箭发射还会受到很多技术问题和天气的限制。

然而,发射火星探测器基本上都会集中在日地距离较短的窗口期之间,因此,对于所有的航天器来说,从地球飞往火星的距离是差不多的。

飞行速度

探测器的飞行速度与燃料的效率和飞行器的技术水平有很大的关系。随着科学技术的发展,现在飞往火星的速度肯定比20年之前都快一些。

NASA在1964年发射的水手4号火星探测器花了228天的时间到达了火星,水手6号则花了157天的时间。前苏联最早登陆火星的火星3号大约也花了6个月的时间,今年无论是美国的“坚毅号”、中国的“天问一号”、阿联酋的“希望号”,预计达到火星的时间都约为半年。

小结:

2020年7-8月是探测火星的重要窗口期,因此今年开展了如此多的火星探测任务。实际上,火星和地球的相对距离是在不断变化的,最远的时候二者的距离甚至比火星和太阳的距离还远,因此为了确保探测任务的成功,选择较短的发射距离是比较合理的。

一般来说,探测器飞到火星的时间是6个月-8个月之间,可能由于燃料的不同和发射器的技术不同,速度也有所差别,但是整体上处在这个区间当中。

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人类已经发射了30枚探测器来火星,它们到达火星的时间都很长,这是漫长的宇宙旅行。

人类发射的海盗1号火星探测器就用了300多天才来到火星上空,整整是10个月的飞行。水手4号达到火星的时间也有7.5个月。

据有关数据显示,火星和地球最近的时候,相距5600万千米,最远的则为3.2亿千米。

比如上海到北京的距离是1200多公里,这个一个固定的距离,可以根据距离公式非常容易地算出去火星需要的时间。

可是天体是在运动的,都有自己的公转运行规律,地球和火星都在绕着太阳公转,但是速度是不同的,所以地球和火星之间的距离并不是固定不变的,最近距离和最远距离的差距可以非常大。

当前各国都还没开展载人火星登陆计划,因为除了需要更大推力、能够携带更多物资的火箭,也对人员心理有更大的要求。

这个时间并不是固定的,取决两个方面,一是地球和火星的相对距离,二是飞行器的速度

太阳系的8大行星

一、地球和火星的距离

地球和火星同时围绕着太阳公转,由于两个星球的轨道并不一致,公转的速度也不一样,导致地球和火星的相对距离时刻在发生变化

理论上来讲,地球和火星的最近点发生于火星位于近日点,而地球处于远日点的时候,在这种情况下地球和火星之间的距离只有5460万公里,但这从两个星球的运行情况来看,似乎这种情况始终没有发生过。在最近几十年里,两颗星球相距最近的时候大约是5600万公里

两颗星球距离最远的时候,是都处于远日点,且位于太阳的两边时,这时大约相距4亿公里,平均来看,两颗星球的平均距离为2.25亿公里

按照目前人类最快的探测器的飞行速度来看,NASA的新视野号飞行速度是5.8万km/h为最快,如地球和火星的最近距离需要942小时,差不多是39天;最远距离的话是6944小时,大约是289天;平均距离的话是3888小时,差不多是162天

新视野号飞越科伊伯带

但实际上,地球和火星之间的距离无时不刻在发生变化,而不是一个直线距离,所以必须根据各自轨迹、探测器起飞时间等因素来计算到达时间,还要考虑到火星引力进入火星轨道的问题,所以这是一个稍微有些复杂的计算,与理论上的时间还是有些区别。

二、太空飞船

现在人类还没有一款成型的载人飞行器可以到达火星,这在技术上和无人探测器是有天壤之别的,SpaceX的星舰目前还没有飞出大气层,而NASA的猎户座也还在研制当中。

所以,只能参考以前的航天飞机的数据,计算到达火星的时间, 现代航天飞机的速度一般在3万公里/小时左右, 如果是在火星和地球的最近距离,大概要1858小时,折合77天 也就是2个半月。

星舰

所以,现在也对于马斯克的大话有些怀疑,每年发射800~1000星舰,不用考虑火星和地球的距离变化吗?有的时候发射可能需要1年多才能到达火星,在技术上实现的可能都值得怀疑

三、结论

由于火星和地球之间的距离并不是固定的,无时不刻都在发生变化,只有在发射时经过精密计算各自的轨道,加上航天器的速度等因素,才能得出飞行时间的结论,但现在看起来,至少也得在半年以上

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