2024：登上2008 EV5
按照我们的计划，NASA的“复兴”当从建造深空飞行器，实现行星际旅行开始：以太阳能离子引擎为动力，一个旅行舱为宇航员提供安全庇护所。深空飞行器最基本的框架应当由这两个模块组成，而每个模块可用最小型的SLS火箭通过单次发射送入地球轨道。或者也可使用商用火箭，分三次发射送入地球轨道：两次分别运送两个模块，第三次为组装和探索任务提供给养。
深空飞行器组装完成后就是首航，不过本来应当激动人心的首航行程反倒是最无趣的：空载的飞行器将用两年时间，在远程控制下，沿着一条螺旋轨道，从近地轨道经过范艾伦辐射带（Van Allen radiation belt）慢慢爬升到远地轨道——虽然这段旅程对于宇航员来说并不难，但耗时太长，辐射危险太大。接着，飞行器到达地球引力场边缘的预定位置，距离行星际空间仅一步之遥，在这里飞行器可通过掠月飞行或其他机动方式调整轨道，以便用最佳状态脱离地月系。此时，宇航员方才登场，乘坐小型化学火箭登上飞行器。
作为测试飞行，宇航员将驾驶飞行器进入月球静止轨道，基本上悬停在月球南极上方。然后，他们可以操控一队机器人探测器，勘探艾特肯盆地（Aitken basin）中永远不见光明的陨石坑，调查坑中古老冰层的分布情况。由于这里离地球很近，只有几天的行程，这样就可以安全地考察各种技术条件是否能达到长期深空探索的要求。宇航员返回地球后，飞行器将停留在远地轨道，补充燃料和其他补给，准备重新启程，首次踏上奔赴小行星的征程。
对于这类任务，我们已经作过很多调查。在有些任务中，科学家希望把宇航员送到比月球稍远的小型天体（直径小于100米）上，并在6个月内返回地球；还有些科学家则想来次大手笔，把宇航员送到接近火星的较大天体（直径超过1 000米）上，在两年内返回地球。始终只考虑那些简单任务会阻碍技术的发展；反过来，如果执著于完成某项非常困难的任务，则有可能竹篮打水一场空，所以我们决定不走极端，采取了中间的策略，设计了一个一年内返程的任务，起航时间定在2024年，任务目标是登陆小行星2008 EV5，并在该行星上进行为期30天的考察。2008 EV5的直径约为400米，属于C型含碳小行星，是很多行星天文学家感兴趣的小行星类型，因为这类小行星可能是太阳系形成时的残留物，或许还保留着形成地球生命物质的原始材料。
前往2008 EV5最有效的手段就是利用地球本身的引力场，这是宇航学中的一个惯用手段，被称为奥伯特效应（Oberth effect），整个过程就是机器人空间探测器常进行的入轨机动飞行（orbit-insertion maneuver）的反演。首先，宇航员给月球轨道上的深空探测器装备一支大推力的化学火箭，此火箭可由电推进补给装置，从地球轨道运送到月球轨道指定位置。装备好火箭后，宇航员启动探测器，让它从月球轨道向地球作自由落体运动，当要到达地球大气层时，探测器会获得极高的速度，只要掌握好时机，点燃火箭，探测器就能在几分钟内摆脱地球引力。整个过程的关键在于，要在探测器高速掠过地球时再点火推进，因为火箭推力一定的情况下，飞行器获得的速度增量取决于已有的飞行速度。利用奥伯特效应，可以让化学火箭的效率超过离子引擎，但它需要在短时间内产生极大的推力，这样才能充分利用地球引力的“弹弓效应”，而这只有大推力火箭才能做到。结合离子引擎的螺旋轨道推进和化学火箭的奥伯特效应，脱离地球引力所需的燃料能比纯化学推进方式少40%。
一旦宇航员摆脱了地球引力场的控制，霍尔效应推进器就有了用武之地，它可以稳定持续地将探测器送达最终目的地。这种持续推进的方式让离子引擎本身就具有一定的灵活性，无论探测项目进行到哪个阶段，只要出现问题，科学家就可以立即启用应急方案（日本的机器人小行星探测器“隼鸟号”正是借助离子引擎，才得以在数次事故中恢复正常）。比如，如果因为技术或资金问题，探测器无法按时到达2008 EV5，我们就可以中途更换目的地；如果发现高效推进器在深层空间很难补给，那就切换到低效推进器，及时修正探测方案。在我们的设计方案中，一切都是灵活多变的。
从小行星到火星
按计划，宇航员将在小行星表面进行一个月的探索，但他们不一定要穿宇航服，而是可以像深海探测一样使用探索艇。本质上，宇航服就是一个充气的大气球，穿着它，宇航员的每个动作都要克服内部气压的影响，使得舱外行走显得异常困难，大大限制了宇航员的任务范围。相比之下，一艘配备机械手的探索艇不仅能避免上述问题，还能为宇航员提供日常活动的空间。驾驶这样的小艇，宇航员能外出数日而无须返回探测器。NASA已经开始研发名为空间探测器（Space Exploration Vehicle，SEV）的、能用于小行星勘测的探索艇，这种小艇还可以进一步改装成适用于月球和火星表面的漫游车。
在这一个月内，宇航员将对小行星进行全面勘察，寻找特殊矿藏和合适的地点，看能否挖掘到可以反映太阳系形成初期情况的样品。NASA希望派出的宇航员兼有探险家印第安纳•琼斯（Indiana Jones）和王牌飞行员斯科特的素质——既有深厚的科学背景，可从行星的尘土中鉴别出珍贵样品，又有工程师的技能，可镂月裁云，解决探测任务中的各种问题。
30天的勘察完成后，离子引擎会将深空探测器推离小行星，进入为期6个月的返航轨道。在到达地球的前几天，宇航员进入一个载人舱，与母船分离，然后控制载人舱返回地球。深空探测器本身则停留在绕日轨道上。它将在轨道上进行一次掠地飞行并不断减速，降低相对于地月系的动能，这样，它绕日一周重新接近地球时，就可以通过掠月飞行再次进入远地轨道，等待下一次任务。通过这种方式，探测器上的离子引擎和生命维持系统都能重复使用。
通过几次一年期的小行星探测任务，科学家可以不断改进生命维持和防辐射系统，最终为飞向火星铺平道路。首次火星飞行不一定要在火星上着陆，可能先会探测“火卫一”和“火卫二”，其实这还是相当于一次小行星探测任务，只不过时间延长到两年半。千里迢迢飞向火星，最后却不在火星上着陆，看起来似乎有些傻，但在火星上着陆会让这个任务变得极其复杂。因此，在踏上这颗红色行星之前，首先登陆火星卫星，可让宇航员熟悉行星际航行，以便能更好地完成探测任务，并安全返航。
工程人员提出了多种策略，让火星登陆任务能以最低的成本，获得最大的灵活性。其中，最紧迫的任务莫过于预先在火星上设置一个生活及探索基地，为宇航员的登陆做好准备。这样的设施可以用慢船（离子引擎）运送过去，运抵火星后它可以自己生产燃料，比如通过收集火星大气中的二氧化碳，与自地球携带去的氢气混合，生产甲烷和氧气，或更简单地通过电解水来产生液态氢和氧。如此一来，只须运送一支空的返程火箭去火星，燃料可以就地灌装，大大减少整个任务的发射质量。
地球与火星间有相对运动，在两颗行星再次会合之前，宇航员有一年半时间停留在火星上，可以进行充分的探索。任务结束后，他们会登上已经就地灌装好燃料的发射舱，发射到火星轨道，与来自小行星空间基地的深空探测器对接，然后乘坐后者返回地球。深空探测器甚至可以固定在一条轨道上，来回在地球和火星间运行，利用引力弹弓（gravity slingshot）效应运行，几乎无需燃料。
即便预先在火星上安排好补给，在火星着陆和返回地球时也需要极大的火箭，得用最大的SLS发射装置才能运抵火星。不过，对于首次深空探测任务，所需设备可用一些小型部件组装起来，用最小的SLS火箭，甚至现有的运载火箭就能完成发射。我们提出的这种步步为营的发展策略，使得深空探测项目极具弹性，这样NASA就可以集中精力，解决如何防辐射等最困难的问题。
现在，NASA拥有一个绝佳的机会，可以重新专注于研制新型空间探测器，以迈向行星际空间。空间探索最大的障碍不在于技术，而在于如何选择合适的策略，以尽可能小的代价，取得尽可能多的成果。如果NASA采取逐步推进的技术发展路线，制定步步为营的任务策略，载人航天就能在40年之内突破近地轨道，进入前所未有的辉煌时期。只要策略正确，NASA就能打开通往行星际空间的“窗口”。
来源：环球科学，撰文：戴蒙•兰道（Damon Landau）、内森•J•斯特兰奇（Nathan J. Strange）；翻译：庞玮
本文来源：网易探索
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