发表自话题：天问一号什么时候登陆火星
作者：佰思科学 沈东旭 邱亚明
2021年2月10日左右，天问一号即将到达了火星轨道。自从2020年7月23日发射升空进入地火转移轨道以来，天问一号用了200多天到达火星。天问一号拉开了中国火星探索的帷幕。在不太久远的将来，天问二号将要执行火星取样返回任务，为载人登火打下基础。人类登上火星后，会一步步建立基地，改造火星环境，最终殖民火星，把火星变成人类第二个家园。
未来的火星殖民地
如果给这一切做个时间预测的话，人类登陆火星大概率在本世纪三十年代能够实现。建立火星基地在登陆火星之后就会开始，在四十年代可能会有常年有人驻守的火星基地。这算不算过于乐观呢？其实不然。以人类现今的技术水平，送人类上火星并返回，是完全可以实现的，关键在于成本。或者说世界上最主要的国家，也就是中美两国，愿不愿意花这个钱。
进入地球低轨道的StarShip
到二十年代中期，Space X公司的StarShip将会成熟，能用很低的成本向地球低轨道（LEO）提供超过100吨的运力。当用于火星任务时，Space X需要事先在火星生产回程的燃料，在StarShip返回时加注。正常来说，Space X在三十年代开始载人登火，技术上有一定把握。
StarShip在火星降落
至于中国，预计在二十年代末三十年代初，长征九号运载火箭能够投入使用。长征九号的LEO运力预计能达到180吨，月球低轨道运力65吨，而火星转移轨道能有50吨。有了力气大过土星五号的长征九号在手，中国可以用两枚或多枚长九完成载人登火任务：一枚运载宇航员到达火星实现火星着陆，另外一艘太空船在火星轨道做为回程之用，或许加上几次发射用于运输设备和给养。总之，本世纪三十年代很有希望实现载人登火。
长征九号运载火箭
以现有人类化学火箭的技术水平，宇航员从地球出发，到达火星再返回地球，需要耗时大概三年。地球和火星的会合周期为26个月，也就是每隔26个月地球火星之间的距离达到最近。这个时间也就是地火往返的发射窗口。假如走最省燃料的霍曼转移轨道，地火之间单程要走九个月。如果中间做一次变轨，所需时间能像天问一号那样降到不足7个月。反正以目前的技术条件，地火之间的单程耗时不少于6个月。
登上火星
假如宇航员花6个月去火星，在火星呆20个月返回地球，路上再来6个月，这是32个月；假如花9个月去火星，在火星呆17个月返回地球，路上再来9个月，这是35个月。地火之间折腾一次来回，怎么样也需要将近三年时间。
规划中的美国/欧洲火星取样返回任务
至于说什么时候能够实现人类大规模殖民火星？需要有新一代太空飞船引擎的出现。否则的话，随随便便路上就是六个月，实在受不了啊。当年清教徒乘坐五月花号从英格兰抵达北美殖民地的时候，航行时间不过66天。未来人类要成群结队去火星的话，旅行时间必须要压缩到2个月以内甚至两周才好。那么这样的太空引擎出现在地平线上了吗？
当年的五月花号就是这么一艘小船
讲这个问题之前，先说一下比冲的概念。火箭在太空中飞行，本质上来说相当于把燃料以一定的速度向后抛出去，从而获得向前的反作用力。可想而知，燃料向后喷射的速度越快，引擎的效率就越高。因此，人们把火箭喷射速度再除以地球引力加速度g，这个值叫做比冲，单位是秒。
火箭喷射速度是火箭性能的重要指标
在太空中，性能最好的液氢液氧火箭，比冲大概450秒。简单算一下就知道，喷射速度为4400多m/s，这已经超过工业炸药爆炸的速度了。这么多年来，化学火箭没什么太大进步，基本上达到了它的极限。要想进一步提升比冲，化学火箭的路子是不能再走下去了。
离子引擎
有什么更好的办法吗？人们发明了电推进的方法，通过电磁场对推进剂进行加速，实现更高的喷射速度，从而大大提升比冲。电推进引擎的比冲能轻松做到3000-4000，甚至上万，比化学火箭的推进效率提升了一个数量级。
霍尔推进器属于电推进系统
目前已经有一些电推进系统投入使用。但它们的问题很突出，就是推力太小，很多引擎的推力都不到1牛顿。用于卫星维持轨道，或者无人探测器慢慢走是可以的，但对于载人登火这样的任务就不适合了，需要有更大推力的电推进引擎面世才行。这里介绍一下VASIMR（variable specific impulse magnetorocket），即可变比冲磁火箭，理论上它能在达到高比冲的同时提供比较高的推力。
VASIMR的工作原理
VASIMR的工作原理是这样的。首先，注入的推进剂被电离，再由超导体产生的强磁场将离子体约束到一个小空间里，然后通过微波将离子体加热到一百万度的高温，最后喷射出去。VASIMR能实现3000~12000的比冲，单台发动机能提供大约5牛顿的推力。
VX200引擎地面实验
VASIMR的提出者是美国华裔科学家张福林博士。张福林1950年生于美国波多黎各，父亲是华人，母亲是西班牙裔，从MIT获得博士学位，从1986年开始做为NASA航天员7次进入太空。张福林2005年从NASA退役后成立了Ad Astra火箭公司，开发VASIMR技术。目前VASIMR引擎已进行过大量的地面实验，未来将有机会获得太空应用。
张福林
理论上来说，使用VASIMR引擎，能把地球到火星的单程时间缩短到39天。但问题在于，VASIMR引擎在输出大约5牛顿推力的同时消耗了200kW的电力，要实现5000牛顿推力得200MW的电力，人类目前只有核裂变技术才能做到这样的电力供应。然而，真要把核电站搬到太空，必然面临相当多的挑战，比如防辐射和散热都是大问题。
使用VASIMR引擎奔向火星
总之，人类目前的化学火箭技术，也就能支持宇航员到火星插个旗。暂时还看不到可行的火箭推进技术，能让人类实现几十天内到达火星的旅行。在可预见的将来，人类大规模殖民火星是不现实的。
