人類為什麼要登陸火星？

火星和金星是人類探索次數最多的兩顆行星。金星表面最高溫度可達450攝氏度以上，金星上的環境與地球環境相比，可以用“地獄”來形容。火星上的環境與金星相比，就要溫柔的多了。人類已經成功載人登陸月球，載人登陸金星顯然不是明智之舉，於是人們將目光投向了更遠處的火星。

雞蛋不能放在同一個籃子裡，為了人類的長遠發展，我們不可能只生活在地球上。終有一天地球上的資源將會滿足不了人類的發展需求，那時我們就需要實行星際移民。金星是離地球最近的行星，不過環境十分惡劣，根本不適合移民，顯然火星才是最佳選擇。火星雖然比地球小，但是在許多方面與地球非常相似，如火星自轉一週差不多也是24小時左右。火星就是人類探索宇宙的前哨站。

那在現有技術條件下，人類多久才能夠到達火星呢？

要想進入無垠的太空，首先就需要擺脫地球的引力，火箭推力的大小決定了你能實現的目標。

前蘇聯的齊奧爾科夫斯基，是人類歷史上首位提出了完善的宇宙航行理論的人，被譽為宇宙航行之父。他最先論證了用火箭進行星際航行，併發射衛星、空間站的可行性，併為液體火箭發動機的結構設計了一系列的解決方案。

1926年美國工程師戈達德發明了第1枚液體火箭，而火箭真正進入實用階段則是二戰末期，當時的德國利用攜帶炸藥的v2火箭轟炸倫敦，這也是世界上最早的導彈。前蘇聯和美國最初的火箭推進技術，很大一部分都來源於納粹德國。

上世紀70年代，美國進行了一系列的阿波羅登月計劃，併成功將12名宇航員分6次送上月球表面，美國人之所以能取得成功，很大一個因素就是因為他們擁有大推力運載火箭。當時美國使用的是土星5號運載火箭，土星5號運載火箭的近地軌道運載能力可以達到130噸，推力僅次於前蘇聯的能源號運載火箭。該火箭的總設計師就是著名的v2火箭的總設計師馮·布勞恩，迄今為止該火箭仍然是世界上體積最大的運載火箭。中國的長征火箭要想將宇航員送上月球還差那麼一點火候，目前近地軌道的最大運載能力達到了幾十噸，與俄羅斯屬於同一水平。

上圖為土星5號運載火箭

在上世紀90年代，美國就已經有能力向火星發射著陸探測器與火星車，並在之後相繼向火星成功發射了數個探測器，著名的比如好奇號火星車。目前關於火星的大量資料都來源於NASA。

美國目前正在研製的太空發射系統的最大運載能力將會超過土星5號運載火箭，大概率還是美國人率先登陸火星，不過這恐怕要等到2030年之後了，因為美國現在計劃在2024年之前重返月球。

除了運載能力，速度也很重要。要想脫離地球引力的束縛，還需要達到第二宇宙速度11.2千米每秒。要想從地球軌道處脫離太陽引力的束縛，需要達到第三宇宙速度。

目前人類發射的探測器的最快速度已經達到了第三宇宙速度，即16.7千米每秒。在上世紀，要想達到這個速度，還需要依靠行星的引力進行加速，也就是利用引力彈弓效應進行加速。要想達到更快的速度，需要新型推進技術，比如利用核能。

2006年NASA發射的新視野號探測器的初始速度達到了16.26千米每秒，這是人類歷史上發射過的初始速度最快的航天器。帕克太陽探測器是人類歷史上飛行速度最快的航天器，近日點的最高速度在100千米每秒以上，不過這是太陽引力的作用。

上圖為新視野號探測器

儘管現在出現了許多新型的航天推進技術，比如已經進入實用階段的離子推進器，但化學燃料火箭仍然是主流。在眾多因素的影響之下，未來人類依然會在較長一段時間內依靠化學燃料火箭進行太空探索。

火星與地球之間的距離並不是固定不變的，而是隨著時間不斷的變化，存在一個最近距離和最遠距離。眾所周知，地球和火星都在以橢圓形軌道繞太陽公轉，存在遠日點和近日點。以地球為例，地球處於近日點時與太陽相距1.47億公里，處於遠日點時與太陽相距1.52億公里，日地平均距離1.5億公里。

火星與太陽的平均距離為2.3億公里。火星和地球雖然都繞太陽公轉，但火星的公轉週期約為687天，而地球的公轉週期約為365天。火星與地球最遠時相距4億公里，最近時僅相隔5500萬公里。火地距離最近時，太陽、地球和火星差不多處於同一條直線上，這被稱之為火星衝日，大約每隔780天發生一次。火星與地球距離最近時被稱之為大沖，大約每隔15~17年會出現一次。

月球距離地球38萬公里，1969年阿波羅11號飛船將人類送上月球需要耗時4天。火星與地球最近時距離5500萬公里，那載人登陸火星需要多長時間呢？

目前我們都是選擇在地球和火星距離最近時發射探測器，在現有技術條件下，這樣既節省時間又節省燃料。我們就以美國的洞察號火星探測器為例，說明一下。2018年5月5日，洞察號火星探測器發射升空，到了2018年11月26日，洞察號火星探測器成功在火星著陸，期間耗時6個多月。也就是說，我們載人登陸火星大約需要半年的時間，但是往返一次需要兩年多的時間。

登陸火星時間雖然不是太漫長，但在火星上生存需要非常龐大的補給，我們需要提前將這些東西運到火星。由此可見，技術不是目前最大的阻礙，關鍵在於需要讓宇航員在火星那邊生活兩年才能再返回地球；此外，宇航員在前往火星的半年旅途中，也需要大量的補給。現有技術條件下還沒辦法一次性將這麼多物資送入太空，不過我們可以先將這些物資分批送到地球軌道，然後再運往火星。

兩點之間直線最短，但人類目前的航天器的動力還不足以走直線，為了節省燃料，我們都是走的曲線。