从地球到火星到底要飞多久（从地球到火星的旅途充满挑战）

马斯克的梦想

埃隆·马斯克成功试飞了他下一代发射系统的原型SpaceX Starhopper，这个闪亮的不锈钢圆桶向上飞行了150米，几十秒后平稳地落回到地面。对于SpaceX来说这是它最高和最终的一次测试飞行，而舆论皆称这是“人类向火星迈出的第一步”。

SpaceX Starhopper试飞

马斯克也说了，SpaceX Starhopper只是“星舰”推进系统的原型机，飞行的目的也就只是验证它能起飞和降落。这不是飞船，更不是未来要登陆火星的“星舰”。马斯克的飞船还在PPT上，它大致长成下面这个样子：

马斯克的飞船“starship”，starhopper可以看作是它的推进部分

如果将“星舰”当成未来“仅花50万美元”移民火星的穿梭机，那你是想多了，这个设计顶多是富豪们亚轨道旅游的太空飞机，它连月球都去不了，更别说火星了。关于登陆火星，听我慢慢跟你分析。

火星很远很远很远

我们地球距离太阳（平均轨道半径）约1.5亿公里，它在一个椭圆轨道上绕太阳运行。火星离太阳更远些，它的平均轨道半径是2.28亿公里，并且轨道要更扁一点。当地球处于远日点而火星处于近日点并且两星处于太阳同一侧轴线时，二者最近的距离约为5460万公里，考虑到这种情况极少发生，我们通常计算地球与火星平均最近距离约为7830万公里。地球与火星绕太阳运行的速度不同，我们的一年是365天，而火星则需要687个地球日才能绕太阳一周，这种不同步造成了地球并不能总是与火星保持在最短距离，当二者各处太阳一边时，直线距离长达4.01亿公里！

太阳系类地行星运行轨迹示意图，Mars为火星轨道

光的传播速度约为每秒299792千米，因此从地球向火星发射的无线电信号最少需要187秒（3分多钟）才能到达火星表面，而二者最远的时候则需要长达1342秒（22.4分钟）才能收到。

现在的飞船不可能达到光速，并且地球与火星的公转角速度不同，所以它不能走直线飞向火星，我们需要在地球与火星距离非常远的地方就发射火箭，推动飞船一点一点地往火星轨道靠近，然后在计算好的位置与火星交会并且被火星的引力捕获。这不仅意味着极其复杂的轨道计算，还需要大量的燃料和漫长的时间。

地球与火星相对位置和距离变化

我们飞向火星需要多久？根据美国宇航局戈达德太空飞行中心的计算结果，我们需要9个月的时间才能飞到那颗荒凉的星球。也就是说你不能在地球与火星距离最近的时候发射，而要提前9个月（发射窗口每26个月才会出现一次），在这9个月的时间里地球绕太阳走了3/4的距离，火星走了差不多1/3，而飞船大约要飞行8亿公里！

那么问题来了：在这9个月漫长的太空旅行中，宇航员们将经历什么？

太空旅行的挑战

尽管此前美国、欧洲和俄罗斯已经向火星发射了多个探测器，但宇航员是人不是机器，我们必须考虑人在太空中的生存和保障问题，这个问题极其复杂，所以本文只选择其中最主要的方面来加以分析。

一、深空辐射

宇航员的第一个严峻挑战不是吃喝拉撒怎么解决，而是致命的深空辐射。

深空中并不是我们看到的那样空空荡荡，相反，在这片广阔浩瀚的宇宙空间里充斥着各种各样的致命射线，其中不仅有来自太阳表面的γ射线、x射线和强紫外线，还有来自银河系深处的各种强电磁辐射和高能粒子。银河系宇宙射线（GCRs）是超能量粒子 - 主要是质子和原子核 - 由于超新星爆炸等远距离和戏剧性事件而加速到巨大的速度。GCR可以对航天器电子设备造成损害。这些高速粒子可以撕裂DNA分子，分裂它们或破坏它们为细胞繁殖编码的指令，受损的DNA会导致癌症或其他疾病。

宇宙射线会破坏DNA

好奇号火星探测器在其253天的深空巡航中使用的仪器显示，未来在这段旅途中宇航员接收的辐射剂量约为0.66西弗特。这个剂量将导致致命癌症风险，因为生活在地球上的普通人接受的正常日辐射剂量是10微西弗（0.00001西弗特）。我们这里还只是考虑了单程旅行，没有计算宇航员在火星的出舱活动以及同样漫长的返回旅程。

为什么地面和国际空间站是安全的？你可能会说，国际空间站上的宇航员在太空一呆就是几个月，也没听说他们回来个个得了癌症呀！这是个好问题。

地球周围有强大的磁场

答案是地球周围有强大的磁场。地球核心有一个固体的铁核以及在这个核心外层巨大的液态铁的海洋，由于地心自转的角速度与地幔旋转的速度存在微小差异，这导致了科学家们称的“发电机现象”，由此在地球周围很广阔的区域产生了一个庞大的磁场。正是地球磁场对宇宙电磁辐射的偏转作用，加上大气层对射线的吸收，保护了地球表面的人们不受宇宙射线的伤害。国际空间站距离地面的高度只有400多公里，也在地球磁场构成的“磁盾”之内，因此只需要在空间站建造过程中适当增加防护措施就可以保护宇航员。

空间站距离地面很近，因此受到保护

如果要使深空飞船做到与国际空间站一样的防护水平，它需要额外增加1米多厚的金属外壳，这几乎是不可能做到的。

二、漫长旅行造成的心理问题及其它健康威胁

有几个国家都做过“火星生存”方面折实验研究，他们模拟了一个密闭的空间，让几个志愿者在里边工作和生活几个月的时间，以此证明漫长的火星旅途是可行的。这些生存实验有一个共同特点，就是都有一个巨大的房子，志愿者们甚至可以在里边种粮食以自给自足，但宇宙飞船却没有这样的奢侈空间，否则根本射不上天。

几名宇航员将被迫挤在狭小的飞船生活舱里度过漫长的9个月甚至更长时间，强烈的宇宙射线会摧毁他们大脑中的神经细胞，狭小的空间和未知的前途会影响他们的情绪，甚至摧毁他们的意志。

空间站上的男女搭配

长期处于微重力环境下会对宇航员的身体各项机能构成负面影响，这已经从国际空间站得到了大量医学证明。NASA对回归地面宇航员的体检结果证明，有30%的宇航员出现视觉退化。研究人员认为这些眼部问题主要源于头骨内部压力的增加，脑脊液在空间中比在地球上更多地流入头部，围绕大脑的脑脊液压力增加，沿着视神经的鞘向下移动并推动眼球后部，从而造成永久性伤害。

三、低轨道飞行与深空旅行完全是两回事

经常会有人认为既然人类已经可以将宇航员送上天，让他们能在空间站呆上近一年时间，就应该可以将他们送去火星。其实这是很大的误解，空间站的低轨道飞行与脱离地球引力的深空旅行完全不是一个概念，它还有许多问题需要解决。

我们都知道俄罗斯和美国每年都需要向空间站发射载人或货运飞船，载人飞船在不断替换宇航员的同时也给在上面工作的人吃“定心丸”，当出现麻烦的时候，他们可以尽量快地回到地面。而货运飞船则负责源源不断地为他们提供高质量的生活补给，宇航员们可以吃到尽可能新鲜的食物、有充足的饮用水、可以洗澡，甚至能换上干净的衣服。

货运飞船为空间站运送补给

深空旅行却做不到。几名宇航员需要带上至少两年的食物、足够的淡水，他们甚至没办法洗澡，飞船里充斥着难闻的气味。因为一切都需要依靠飞船自身的循环来维持，但它却无法做到足够大。如果有人因此病倒，那将是整个团队的灾难，因为他们无法及时返回。

不要以为你真的可以在飞船上种粮食，你几十天辛苦种出来的菜可能一天就吃完了。在太空中种粮食本身就是不划算的，它需要极其复杂的设备和奢侈的空间，还不如多带些吃的。

在空间站上的种菜实验

四、在火星上如何生存？

除了拥有坚实的地面外，火星是一个与地球完全不同的星球，那里寒冷、荒芜。它没有磁场，大气极其稀薄，气压极低，空气里没有氧气，地表没有水，土壤有毒，完全不具备人类生存的基本条件。并且这种状况以目前人类现有技术很难改变。

因此人类即使现在到达了火星，去做什么、如何生存是一个必须首先考虑并加以解决的问题。这些问题我们将在以后的文章中为你分析。

火星极其荒凉，除了灰尘它几乎什么都没有

总结：

美国人提出2030年让宇航员登陆火星的计划，这个计划雄心勃勃，但从目前来看还有大量问题需要解决。且不说美国目前并没有可以将人类送到深空的火箭和飞船，即便是十年内他们能造出火箭和飞船，围绕着宇航员生存的一系列问题都将困扰着科学家们，他们需要更多的时间来研究和实验。

探索火星，目前来看机器比人更合适

包括火星在内的深空环境极其险恶，它与地球完全不同。为此我们应该感谢“造物主”给了地球一个强大的磁场，使生命得以生存并繁衍下去。目前我们以空间站为基地展开空间科学研究，用机器人打前站去研究火星的思路是正确的。

人类不可能永远呆在地球摇篮里，为了生存与发展，总有一天我们将飞离地球，去探索更遥远的星空。但探索太空本身是科学活动，需要符合科学发展的规律，并一步一步地去实现它。这个探索的过程必须踏踏实实地去做，绝不是商人做几张PPT或政客喊几句口号就能实现的。

科学是严肃的事业，来不得半点激进与马虎，否则必然付出惨痛代价。

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