火星捷徑被偶然發(fā)現(xiàn)，往返只要5個(gè)月

閱讀時(shí)長：9分鐘 | 說誰能想到，一條能把往返時(shí)間砍半的捷徑，居然是科學(xué)家意外發(fā)現(xiàn)的！

不是刻意去尋找，也不是耗資數(shù)十億的專項(xiàng)研究，就是一位天體物理學(xué)家在研究近地小行星時(shí)，隨手翻了翻被丟棄的早期軌道數(shù)據(jù)，居然解鎖了火星旅行的新可能。

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我們先聊聊現(xiàn)在去火星到底有多難，火星離太陽比地球遠(yuǎn)50%左右，地球和火星的距離，時(shí)近時(shí)遠(yuǎn)，最近的時(shí)候約5500萬公里，最遠(yuǎn)能達(dá)到4億公里，差了快8倍。

按照目前的技術(shù)，咱們?nèi)セ鹦?，用的都是最省燃料的霍曼轉(zhuǎn)移軌道，也就是“繞著太陽畫個(gè)橢圓”，先把探測(cè)器送到橢圓軌道，再等著火星剛好飛到橢圓的另一端，這樣最省勁兒，但也最費(fèi)時(shí)間。就像NASA的毅力號(hào)火星車，2020年7月發(fā)射，2021年2月才抵達(dá)火星，光單程就用了7個(gè)月。要是載人去，往返加上等火星和地球再次對(duì)齊的窗口（每26個(gè)月才有一次），整整需要3年時(shí)間！

想想都覺得煎熬，宇航員要在狹小的飛船里待上近3年，還要面對(duì)宇宙輻射、心理壓力、物資消耗這些難題，這也是人類遲遲不敢進(jìn)行載人登陸火星的重要原因之一。大家一直盼著能有更快的航線，可誰也沒想到，答案居然藏在一顆小行星的“舊數(shù)據(jù)”里。

一場(chǎng)意外發(fā)現(xiàn)，研究小行星，卻撞出火星捷徑

這位幸運(yùn)的科學(xué)家，名叫馬塞洛?德?奧利維拉?蘇扎（Marcelo de Oliveira Souza），是巴西北里約熱內(nèi)盧州立大學(xué)的天體物理學(xué)家。他本來的研究方向跟火星一點(diǎn)關(guān)系都沒有，他是研究近地小行星的，目的是監(jiān)測(cè)這些小行星會(huì)不會(huì)撞地球，評(píng)估撞擊風(fēng)險(xiǎn)。

事情要從2015年說起。當(dāng)時(shí)蘇扎正在分析一顆編號(hào)為2001 CA21的近地小行星，這顆小行星不算起眼，但它早期的軌道估計(jì)數(shù)據(jù)，卻讓蘇扎停住了腳步。早期觀測(cè)顯示，它的軌道特別罕見，剛好能穿過地球和火星的軌道區(qū)域，就像一條天然的“太空通道”。

不過后來，隨著觀測(cè)越來越精準(zhǔn)，科學(xué)家們修正了這顆小行星的實(shí)際軌道，發(fā)現(xiàn)它其實(shí)并不會(huì)真的同時(shí)穿越地球和火星軌道，那些早期的軌道數(shù)據(jù)，因?yàn)椴粔蚓_，就被當(dāng)成“廢棄數(shù)據(jù)”丟在一邊了。 蘇扎盯著那些“不精準(zhǔn)”的早期數(shù)據(jù)看了很久，突然意識(shí)到這種軌道幾何形狀似乎很契合火星航線。

關(guān)鍵線索：被丟棄的“早期軌道數(shù)據(jù)”

很多人可能會(huì)疑惑，為什么“不精準(zhǔn)”的早期數(shù)據(jù)反而能找到前往火星的捷徑？其實(shí)道理很簡單，早期觀測(cè)小行星時(shí)，因?yàn)榧夹g(shù)有限，得到的軌道數(shù)據(jù)會(huì)有偏差，但這些偏差里，卻藏著一種特殊的軌道幾何結(jié)構(gòu)。

這種早期軌道數(shù)據(jù)，原本是用來初步判斷小行星會(huì)不會(huì)撞地球的，等有了更精準(zhǔn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，它們就失去了“預(yù)警價(jià)值”，被隨手丟棄。但蘇扎發(fā)現(xiàn)，這些被丟棄的數(shù)據(jù)里，藏著連接地球和火星的“幾何密碼”，只要沿著這種特殊的軌道平面飛行，就能大大縮短旅行時(shí)間。

更巧的是，2020年10月，地球和火星剛好運(yùn)行到太陽的同一側(cè)，距離最近，蘇扎順著這顆小行星早期的軌道幾何，算了一筆賬：，如果飛船沿著類似的軌道飛行，從地球到火星，居然只要34天！

這個(gè)數(shù)字有多驚人？現(xiàn)在單程要7-10個(gè)月，34天相當(dāng)于直接把單程時(shí)間壓縮到了原來的1/6！

別高興太早，捷徑雖然有了，技術(shù)坎兒還不少

大家先別太激動(dòng)，這個(gè)34天的超短航線，目前還只是“理論可行”，實(shí)際操作起來，難度還不小。

最大的問題就是速度，要實(shí)現(xiàn)34天抵達(dá)火星，飛船的發(fā)射速度需要達(dá)到32.5公里/秒。這個(gè)速度有多快？咱們現(xiàn)在最先進(jìn)的火箭，發(fā)射速度也才十幾公里/秒，32.5公里/秒，差不多是音速的95倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)前的技術(shù)能力。

更麻煩的是，飛船以這么快的速度抵達(dá)火星，速度會(huì)高達(dá)10.8萬公里/小時(shí)，咱們現(xiàn)在的著陸系統(tǒng)，根本扛不住這么快的速度，一旦強(qiáng)行著陸，飛船只會(huì)粉身碎骨。所以，這個(gè)34天的超短航線，現(xiàn)階段只能看看，還沒法實(shí)現(xiàn)。

但蘇扎并沒有放棄，他又順著這種小行星軌道的幾何靈感，分析了未來幾次火星沖日的窗口——2027年、2029年、2031年，看看哪一次能實(shí)現(xiàn)“技術(shù)可及”的快速航線。

他用了一種太空軌道計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)方法——朗伯分析，簡單說就是計(jì)算太空兩點(diǎn)之間最短路徑的“導(dǎo)航算法”，再把航線限制在小行星軌道傾角的5度以內(nèi)，最后發(fā)現(xiàn)，只有2031年的火星沖日窗口是可行的！

2031年，火星往返只要153天

蘇扎的計(jì)算顯示，2031年的火星沖日窗口，會(huì)出現(xiàn)一次完美的軌道對(duì)齊，只要飛船發(fā)射速度達(dá)到27公里/秒，就能實(shí)現(xiàn)“快速往返”，全程只要153天，差不多5個(gè)月，比現(xiàn)在的3年整整縮短了2/3！

具體的行程安排，蘇扎也算得清清楚楚：

2031年4月20日，飛船從地球發(fā)射，速度27公里/秒。

5月23日，抵達(dá)火星，全程只要33天，比毅力號(hào)的單程時(shí)間，還短了一大半。

在火星表面停留30天，做科研、采樣，或者簡單休整。

6月22日，從火星出發(fā)返回地球。

9月20日，回到地球，返程時(shí)間大約90天。

除了這個(gè)“快速版”航線，蘇扎還找到了一個(gè)“節(jié)能版”備選方案。發(fā)射速度只要16.5公里/秒，全程226天，差不多7.5個(gè)月，雖然比153天久一點(diǎn)，但依然比現(xiàn)在的3年快太多，而且對(duì)技術(shù)的要求更低，更容易實(shí)現(xiàn)。

可能有人會(huì)問，16.5公里/秒的發(fā)射速度，咱們現(xiàn)在能做到嗎？其實(shí)是 可以的，NASA在2006年發(fā)射的新視野號(hào)探測(cè)器，發(fā)射速度就達(dá)到了16.26公里/秒，是當(dāng)時(shí)人類發(fā)射最快的人造物體，它主要用來探測(cè)冥王星，靠著這個(gè)速度，用了9年多就飛到了冥王星附近。而16.5公里/秒，比新視野號(hào)的速度只快一點(diǎn)點(diǎn)，下一代火箭完全能實(shí)現(xiàn)。

下一代火箭，能扛起這個(gè)重任嗎？

蘇扎在研究中提到，這種高速度的航線，其實(shí)可以依靠下一代火箭來實(shí)現(xiàn)，比如SpaceX的星艦。

星艦是馬斯克寄予厚望的“火星火箭”，它是目前全球體積最大、推力最強(qiáng)、可重復(fù)使用的重型運(yùn)載火箭系統(tǒng)，由超重型助推器和星艦飛船組成，起飛推力高達(dá)7400噸，運(yùn)載能力能達(dá)到100噸，可實(shí)現(xiàn)10 人規(guī)模的火星運(yùn)輸。 馬斯克甚至表示，星艦可能在四年內(nèi)實(shí)現(xiàn)每小時(shí)發(fā)射一次以上的頻率，這也能為火星快速航線提供保障。

雖然星艦現(xiàn)在還在測(cè)試階段，經(jīng)歷過幾次爆炸失敗，但最近的幾次試飛已經(jīng)越來越順利，2024年6月第四次試飛時(shí)，星艦本體成功在印度洋濺落，2025年10月第十一次試飛，也順利完成了受控濺落，相信到2031年，星艦的技術(shù)應(yīng)該已經(jīng)成熟，足以支撐27公里/秒的發(fā)射速度。

蘇扎讓我們對(duì)2031年充滿了期待，如果一切順利，2031年，我們可能會(huì)看到人類第一次以“5個(gè)月往返”的速度飛向火星，這將是人類太空探索史上的又一個(gè)里程碑。

科學(xué)的驚喜，往往藏在“意外”里

蘇扎的這個(gè)發(fā)現(xiàn)，真的太有啟發(fā)了，他本來只是在做自己的本職工作，研究小行星的撞擊風(fēng)險(xiǎn)，卻因?yàn)橐粋€(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)，解鎖了火星捷徑。這也讓我想起，很多偉大的科學(xué)突破，都不是刻意為之的，而是源于一次意外、一次好奇、一次“多留個(gè)心眼”。

就像牛頓被蘋果砸中，發(fā)現(xiàn)了萬有引力；弗萊明偶然發(fā)現(xiàn)青霉素，拯救了無數(shù)人的生命；現(xiàn)在，蘇扎偶然從廢棄數(shù)據(jù)里，找到了火星捷徑。科學(xué)的魅力，就在于它的未知和驚喜，你永遠(yuǎn)不知道，下一個(gè)意外發(fā)現(xiàn)，會(huì)給人類帶來怎樣的改變。

你覺得，2031年，我們真的能實(shí)現(xiàn)快速往返火星嗎？