2021年2月10日左右，天問一號即將到達了火星軌道。自從2020年7月23日發射升空進入地火轉移軌道以來，天問一號用了200多天到達火星。天問一號拉開了中國火星探索的帷幕。在不太久遠的將來，天問二號將要執行火星取樣返回任務，為載人登火打下基礎。人類登上火星後，會一步步建立基地，改造火星環境，最終殖民火星，把火星變成人類第二個家園。

未來的火星殖民地

如果給這一切做個時間預測的話，人類登陸火星大機率在本世紀三十年代能夠實現。建立火星基地在登陸火星之後就會開始，在四十年代可能會有常年有人駐守的火星基地。這算不算過於樂觀呢？其實不然。以人類現今的技術水平，送人類上火星並返回，是完全可以實現的，關鍵在於成本。或者說世界上最主要的國家，也就是中美兩國，願不願意花這個錢。

進入地球低軌道的StarShip

到二十年代中期，Space X公司的StarShip將會成熟，能用很低的成本向地球低軌道（LEO）提供超過100噸的運力。當用於火星任務時，Space X需要事先在火星生產回程的燃料，在StarShip返回時加註。正常來說，Space X在三十年代開始載人登火，技術上有一定把握。

StarShip在火星降落

至於中國，預計在二十年代末三十年代初，長征九號運載火箭能夠投入使用。長征九號的LEO運力預計能達到180噸，月球低軌道運力65噸，而火星轉移軌道能有50噸。有了力氣大過土星五號的長征九號在手，中國可以用兩枚或多枚長九完成載人登火任務：一枚運載宇航員到達火星實現火星著陸，另外一艘太空船在火星軌道做為回程之用，或許加上幾次發射用於運輸裝置和給養。總之，本世紀三十年代很有希望實現載人登火。

長征九號運載火箭

以現有人類化學火箭的技術水平，宇航員從地球出發，到達火星再返回地球，需要耗時大概三年。地球和火星的會合週期為26個月，也就是每隔26個月地球火星之間的距離達到最近。這個時間也就是地火往返的發射視窗。假如走最省燃料的霍曼轉移軌道，地火之間單程要走九個月。如果中間做一次變軌，所需時間能像天問一號那樣降到不足7個月。反正以目前的技術條件，地火之間的單程耗時不少於6個月。

登上火星

假如宇航員花6個月去火星，在火星呆20個月返回地球，路上再來6個月，這是32個月；假如花9個月去火星，在火星呆17個月返回地球，路上再來9個月，這是35個月。地火之間折騰一次來回，怎麼樣也需要將近三年時間。

規劃中的美國/歐洲火星取樣返回任務

至於說什麼時候能夠實現人類大規模殖民火星？需要有新一代太空飛船引擎的出現。否則的話，隨隨便便路上就是六個月，實在受不了啊。當年清教徒乘坐五月花號從英格蘭抵達北美殖民地的時候，航行時間不過66天。未來人類要成群結隊去火星的話，旅行時間必須要壓縮到2個月以內甚至兩週才好。那麼這樣的太空引擎出現在地平線上了嗎？

當年的五月花號就是這麼一艘小船

講這個問題之前，先說一下比衝的概念。火箭在太空中飛行，本質上來說相當於把燃料以一定的速度向後丟擲去，從而獲得向前的反作用力。可想而知，燃料向後噴射的速度越快，引擎的效率就越高。因此，人們把火箭噴射速度再除以地球引力加速度g，這個值叫做比衝，單位是秒。

火箭噴射速度是火箭效能的重要指標

在太空中，效能最好的液氫液氧火箭，比衝大概450秒。簡單算一下就知道，噴射速度為4400多m/s，這已經超過工業炸藥爆炸的速度了。這麼多年來，化學火箭沒什麼太大進步，基本上達到了它的極限。要想進一步提升比衝，化學火箭的路子是不能再走下去了。

離子引擎

有什麼更好的辦法嗎？人們發明了電推進的方法，透過電磁場對推進劑進行加速，實現更高的噴射速度，從而大大提升比衝。電推進引擎的比衝能輕鬆做到3000-4000，甚至上萬，比化學火箭的推進效率提升了一個數量級。

霍爾推進器屬於電推進系統

目前已經有一些電推進系統投入使用。但它們的問題很突出，就是推力太小，很多引擎的推力都不到1牛頓。用於衛星維持軌道，或者無人探測器慢慢走是可以的，但對於載人登火這樣的任務就不適合了，需要有更大推力的電推進引擎面世才行。這裡介紹一下VASIMR（variable specific impulse magnetorocket），即可變比衝磁火箭，理論上它能在達到高比衝的同時提供比較高的推力。

VASIMR的工作原理

VASIMR的工作原理是這樣的。首先，注入的推進劑被電離，再由超導體產生的強磁場將離子體約束到一個小空間裡，然後透過微波將離子體加熱到一百萬度的高溫，最後噴射出去。VASIMR能實現3000~12000的比衝，單臺發動機能提供大約5牛頓的推力。

VX200引擎地面實驗

VASIMR的提出者是美國華裔科學家張福林博士。張福林1950年生於美國波多黎各，父親是華人，母親是西班牙裔，從MIT獲得博士學位，從1986年開始做為NASA航天員7次進入太空。張福林2005年從NASA退役後成立了Ad Astra火箭公司，開發VASIMR技術。目前VASIMR引擎已進行過大量的地面實驗，未來將有機會獲得太空應用。

張福林

理論上來說，使用VASIMR引擎，能把地球到火星的單程時間縮短到39天。但問題在於，VASIMR引擎在輸出大約5牛頓推力的同時消耗了200kW的電力，要實現5000牛頓推力得200MW的電力，人類目前只有核裂變技術才能做到這樣的電力供應。然而，真要把核電站搬到太空，必然面臨相當多的挑戰，比如防輻射和散熱都是大問題。

使用VASIMR引擎奔向火星

總之，人類目前的化學火箭技術，也就能支援宇航員到火星插個旗。暫時還看不到可行的火箭推進技術，能讓人類實現幾十天內到達火星的旅行。在可預見的將來，人類大規模殖民火星是不現實的。