原创 哈尔鲍曼9000 科学剃刀

我们探讨了到达火星需要多长时间以及影响前往红色星球旅行的因素。

到达火星需要多长时间？前往红色星球的旅行时间取决于几个因素，包括行星的位置和可用的技术。

有没有想过到达火星需要多长时间？

我们来看看使用现有技术前往红色星球需要多长时间，并探索一些会影响您旅行时间的因素。

火星有多远？

要确定到达火星需要多长时间，我们必须首先知道两颗行星之间的距离。

火星是距离太阳第四颗行星，也是离地球第二近的行星（金星是最近的）。但是地球和火星之间的距离在围绕太阳旅行时不断变化。

从理论上讲，地球和火星最接近对方的时间是火星最接近太阳的点（近日点）和地球最远点（远日点）时。这将使行星之间仅相距3390万英里（5460万公里）。然而，这在有记载的历史中从未发生过。这两颗行星最接近记录的接近发生在2003年，当时它们相距仅3480万英里（5600万公里）。

当这两颗行星都离太阳最远时，它们的距离最远，位于恒星的两侧。此时，它们可以相距 2.5 亿英里（4.01 亿公里）。

地球和火星之间的平均距离为1.4亿英里（2.25亿公里）。

以光速前往火星需要多长时间？

地球和火星这两颗行星之间的平均距离为1.4亿英里（2.25亿公里）。两颗行星之间的距离会影响两颗行星之间的旅行时间。 （图片来源：NASA/JPL-Caltech）

光以每秒约186，282英里（每秒299，792公里）的速度传播。因此，从火星表面照射的光需要以下时间才能到达地球（反之亦然）：

最接近的方法：182 秒或 3.03 分钟 最接近记录的方法：187 秒或 3.11 分钟 最远接近：1，342 秒或 22.4 分钟 平均：751 秒，或略高于 12.5 分钟

迄今为止最快的航天器

最快的航天器是美国宇航局的帕克太阳探测器，因为它在靠近太阳时不断打破自己的速度记录。2021 年 11 月 21 日，帕克太阳探测器在 101 次近距离飞越我们的恒星时达到了每秒 101 英里（163 公里）的最高速度，这意味着惊人的 364，621 英里/小时（586，000 公里/小时）。根据美国宇航局的一份声明，当帕克太阳探测器在 2024 年 12 月到达距离太阳表面 400 万英里（620 万公里）以内时，航天器的速度将超过每小时 430，000 英里（692，000 公里/小时）！

美国宇航局的帕克太阳探测器是目前发射最快的航天器。（图片来源：NASA/约翰霍普金斯大学APL/Steve Gribben）

因此，如果你理论上能够搭上帕克太阳探测器的便车，让它绕道以太阳为中心的任务，从地球到火星，以探测器在第10次飞越时达到的速度（每秒101英里），你到达火星所需的时间将是：

最接近的方法：93小时 最接近记录的方法：95 小时 最远接近：686小时（28.5天） 平均：384小时（16天）

火星旅行时间与专家问答

我们向欧空局高级任务分析师迈克尔·汗（Michael Khan）询问了一些关于火星旅行时间的常见问题。

Michael Khan

迈克尔·汗是欧洲航天局（ESA）的高级任务分析师。他的工作涉及研究包括火星在内的行星体之旅的轨道力学。

到达火星需要多长时间，什么会影响旅行时间？

从一个天体到另一个天体所需的时间在很大程度上取决于一个人愿意消耗的能量。这里的“能量”是指运载火箭付出的努力和航天器上火箭发动机的机动总和，以及使用的推进剂量。在太空旅行中，一切都归结为能量。太空飞行是对能源的巧妙管理。

转移到月球的一些常见解决方案是1）类似霍曼的转移和2）免费返回转移。霍曼转移通常被称为需要最低能量的转移，但只有当您希望转移仅持续几天并且此外，如果对发射施加一些限制时，情况才如此。从那里开始，事情变得非常复杂，所以我不会详细介绍。

关于向火星的转移，这些必然是行星际转移，即以太阳为中心体的轨道。否则，上面所说的大部分内容都适用：问题仍然是能源费用。另一个复杂之处在于，火星轨道非常偏心，而且它的轨道平面相对于地球的轨道平面是倾斜的。当然，火星绕太阳公转需要比地球更长的时间。所有这些都在一种称为“猪排图”的常见图表中得到考虑，该图表基本上告诉您所需的出发和到达日期以及所需的能量。

“猪排图”向轨迹专家显示，火星转移的机会大约每25-26个月出现一次，这些转移被细分为不同的类别，一个更快一些，通常大约5-8个月，另一个大约需要7-11个月。还有一些转移需要更长的时间，但我不是在这里谈论那些。大多数情况下，但并非总是如此，第二个较慢的在能源方面更有效。经验法则是，转移到火星所需的时间与人类妊娠期一样长，大约 9 个月。但这实际上只不过是一个近似值;您仍然需要做所有的数学运算才能找出适用于特定日期的内容。

为什么打算在目标天体（例如火星）上轨道或着陆的航天器的旅行时间比那些即将飞过的航天器要慢得多？

如果你想让你的航天器进入火星轨道或降落在火星表面，你就给设计问题增加了很多约束。对于轨道飞行器，您必须考虑轨道插入所需的大量推进剂，而对于着陆器，您必须设计和建造能够承受大气进入载荷的隔热罩。通常，这意味着火星的到达速度不能超过一定的边界。将此约束添加到轨迹优化问题中将限制您获得的类似霍曼转移的解决方案范围。这通常会导致传输持续时间增加。

计算火星旅行时间的问题

先前计算的问题在于，它们将两颗行星之间的距离测量为一条直线。穿越地球和火星最远的经过将涉及直接穿越太阳的旅行，而航天器必须在太阳系恒星周围的轨道上移动。

虽然这对于最接近的方法来说不是问题，但当行星位于太阳的同一侧时，还存在另一个问题。这些数字还假设两颗行星保持恒定的距离;也就是说，当探测器从地球发射时，当两颗行星处于最接近的位置时，火星将在探测器行进的时间内保持相同的距离。

相关：火星任务简史

然而，实际上，行星在围绕太阳的轨道上以不同的速度移动。工程师必须计算将航天器从地球发送到火星的理想轨道。就像从移动的飞船上向移动目标投掷飞镖一样，他们必须计算航天器到达时行星的位置，而不是离开地球时的位置。

如果你的目标是最终绕你的目标星球运行，也不可能尽可能快地旅行。航天器需要足够慢地到达，以便能够执行轨道插入机动，而不仅仅是直接滑过预定目的地。

前往火星的旅行时间还取决于推进系统的技术发展。

根据美国宇航局戈达德太空飞行中心的网站，发射到火星的理想阵容将在大约九个月内让你到达火星。该网站引用了加州大学圣地亚哥分校的物理学教授克雷格·C·帕滕（Craig C. Patten）的话：

“地球绕太阳公转需要一年时间，火星绕太阳公转大约需要1.9年（为了便于计算，需要2年）。将你从地球带到火星的椭圆轨道比地球的轨道长，但比火星的轨道短。因此，我们可以通过平均地球轨道和火星轨道的长度来估计完成这个轨道所需的时间。因此，完成椭圆轨道大约需要一年半的时间。

“在到达火星的九个月里，火星在其轨道上移动了相当长的距离，大约是围绕太阳的八分之三。你必须计划，以确保当你到达火星轨道的距离时，火星就在你需要的地方！实际上，这意味着您只有在地球和火星正确排列时才能开始旅行。这每 26 个月才发生一次。也就是说，每26个月只有一个发射窗口。

Patten说，通过燃烧更多的燃料可以缩短行程 - 这一过程在今天的技术中并不理想。

不断发展的技术可以帮助缩短飞行时间。美国宇航局的太空发射系统（SLS）将成为将即将到来的任务以及潜在的人类运送到红色星球的新主力。SLS目前正在建造和测试中，美国宇航局现在的目标是在2022年3月或4月发射其Artemis 1飞行，这是其SLS火箭的首次飞行。

机器人宇宙飞船有一天可以在短短三天内完成这次旅行。光子推进将依靠强大的激光将航天器加速到接近光速的速度。加州大学圣巴巴拉分校的物理学教授菲利普·卢宾（Philip Lubin）和他的团队正在研究用于星际探索（DEEP-IN）的定向能推进。他说，这种方法可以在短短三天内将一艘220磅（100公斤）的机器人航天器推向火星。

“最近的进展将其从科幻小说带到了科学现实，”卢宾在2015年美国宇航局创新先进概念（NIAC）秋季研讨会上说。“没有已知的理由为什么我们不能这样做。

过去的任务需要多长时间才能到达火星？

这是一个信息图，详细说明了几次历史任务到达红色星球（轨道或降落在表面）所需的时间。它们的发布日期包括在内，以供透视。

以下是到达红色星球（轨道或降落在表面）需要多长时间的几个历史任务的列表。它们的发布日期包括在内，以供透视。（图片来源：未来）

其他资源

探索美国宇航局的月球探索计划及其月球到火星概述。你可以阅读关于如何将人们从地球带到火星并安全返回的信息，这篇关于对话的信息丰富的文章。对红色星球任务的人类健康风险感到好奇吗？您可能会发现这篇研究论文特别感兴趣。

书目

卢宾，菲利普。“星际飞行路线图。” arXiv预印本arXiv：1604.01356（2016）。 多纳休，本B.“NASA太空发射系统的未来任务”。AIAA 推进与能源 2021 论坛。2021. 斯里尼瓦斯，苏希拉。“跳，跳，跳——月球到火星任务。(2019).

关注科学剃刀，每日推送关于核聚变、理论物理、太空探索的最新动态，SpaceX为专题日更

原标题：《『到达火星需要多长时间？一个看似简单的问题》

阅读原文