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如果人类要亲自登上火星,需要多长时间?

在茫茫的宇宙中,地球渺小得就像是一颗尘埃,人类当然不甘心一直都待在地球上,几十年前人类就亲自登上了月球,下一步应该就是去更远的星球溜达了,去哪颗星球好呢?

尽管金星的运行轨道距离地球最近,但金星上表面的大气压高达地球的92倍,温度更是接近500摄氏度,如此恶劣的自然环境,就算是人类的探测器都坚持不了多久,人类就更不用提了,于是人类就只能把目光投向距离地球更远一点的那颗星球——火星 。

在太阳系所有已知的岩石星球中,与地球的自然环境最相似的就是火星了,探测数据表明,火星也有大气层,也有一年四季,甚至自转周期也与地球差不多,虽然火星大气很稀薄并且几乎没有氧气,表面平均温度也比地球低得多,但在宇航服的保护下,人类还是可以在火星上去溜达一圈的。

以人类目前的科技,如果人类要亲自登上火星,需要多长时间呢?

如上图所示,在围绕太阳公转的过程中,火星与地球的距离并不是固定的,这个距离最远有大约4亿公里,最近则只有大约5500万公里,所以人类最好在火星距离地球的最近的时候去登陆火星,不过这个时机并不常见,大约每26个月才会出现一次,这也被称为“发射窗口”。

从理论上来讲,宇宙飞船沿着直线飞向火星所需要的时间是最短的,然而我们都知道,在人类向火星发射过的众多探测器中,没有任何一个是这样飞的,那探测器到火星为啥不飞直线呢?

简单来讲就是,地球一直在以大约29.8公里/秒的平均速度围绕着太阳公转,而从地球发射的宇宙飞船,其本身也具备了这样的速度,这就意味着,如果宇宙飞船想要直线飞往火星,就必须要巨大的动力来“抵消”地球的公转速度,而“抵消”了地球的公转速度,宇宙飞船又必须要用自身的动力去直接对抗太阳的引力,以人类目前的推进系统来讲,这根本就无法做到。

实际上,我们根本不用去“抵消”地球的公转速度,在宇宙飞船进入近地轨道之后,只需要在地球公转速度的基础上再加上一部分额外的速度,就可以将自身轨道的远地点“抬升”到火星的运行轨道,在这种情况下,只要计算好“提前量”,就可以完成从地球飞到火星的任务了。

上图为目前飞往火星的三种可选航线,其中航线A、B、C分别被称为“霍曼转移轨道”(Hohmann transfer orbit)、“快速合点航行”(Fast conjunction mission)和“冲点航行”(Opposition mission)。

在这三种航线之中,“冲点航行”所需要的能量是最少的,因为这其实是宇宙飞船去金星那里兜了一圈,利用了金星的“引力弹弓”给自己加速,然而这也是最耗时的,以这种航线飞行,飞到火星需要一年以上的时间,这显然是不适合载人飞行的。

另两种航线也被称为“地火转移轨道”,其中的“霍曼转移轨道”是最节省燃料的,以这种航线飞行,从近地轨道出发的宇宙飞船只需要3.3公里/秒的速度增量就可以抵达火星,不过这种航线需要的时间也比较长,要250天左右才能飞到火星。

如果宇宙飞船的推进系统可以提供更高的速度增量,那么就可以采用“快速合点航行”了,以这种航线飞行,速度增量提升的幅度越大,飞到火星的时间就越短,例如当宇宙飞船的速度增量为6公里/秒时(从近地轨道出发),飞到火星的时间就大约为180天。

如果人类要亲自登上火星,就应该尽量缩短飞到火星时间,所以就应该采用“快速合点航行”,以人类目前的科技来看,化学火箭仍然是首选的推进系统,而化学火箭的比冲量最多也就只能达到400多秒,也就是说,化学火箭能够提供的动力是非常有限的。

(注:“比冲量”是一种衡量火箭发动机效率的物理参数,是指单位推进剂所产生的冲量,其单位为秒,如果用重量描述的话,我们可以简单地将“比冲量为400多秒”理解为:每1公斤推进剂可以持续产生400多秒大小为1公斤的推力)

在此基础上,还需要考虑载人宇宙飞船的有效载荷相对较大,所以科学家给出的估算值是,以人类目前的科技来讲,载人宇宙飞船飞到火星至少需要200天左右。可以看到,200天的时间对于人类而言依然显得很是漫长,而这也正是人类迟迟没有亲自登上火星的重要原因。

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