想去火星？先把月球改造成“加油站”

笑看今朝

[摘要]开车长途旅行，你会选择将所有行李都装载上车再出发，还是轻装上阵再沿途补给呢？20年后我们前往火星也将遇到这样的问题，美国麻省理工学院的研究小组找到了前往火星最经济的方法。

除2030年代的载人火星登陆外，NASA现研的SLS火箭将在2020年代送宇航员重返月球（腾讯太空配图）

腾讯太空讯 二十年后人类登陆火星可能不必背着沉重的燃料罐出发。最近美国麻省理工学院的研究小组建议，地球上的小伙伴们先去月球“加油”再前往马丁叔叔家更划算。
先前各类月球探测器发回的数据表明，存在于某些环形山内的土壤与水冰可以被开采出来转换为燃料。如果这项技术能在我们前往火星前实现，将会非常经济。研究小组发现先去月球补充满燃料再前往火星，将使最初发射质量降低68%，而在地球每千克载荷的发射成本都非常昂贵！
这个研究小组为确定人类前往火星最经济的路线建立了一个模型，假设可以利用月球上的资源并在月球建立生产设施。根据他们的计算，最经济前往火星的方法是尽可能减少从地球发射的载荷质量，而大质量的载荷占据了以往太空探索开支的大头。
他们发现最有效的路径是先发射宇航员并携带只够进入环地球轨道飞行的燃料，接着位于月球上的燃料工厂将从月面发射满载的燃料罐进入地球轨道，随后载人飞船对接燃料罐并前往附近的燃料站加满再奔赴火星。
MIT航空航天与工程系统教授奥利弗·德·威克（Olivier de Weck）说，这种方法偏离了NASA从地球直接前往火星的路线。从地球出发，带上一切载荷直接去火星是目前大多数人的想法。相比较迂回先去月球的思路，宇航局的方法更简单直接。但以一个长远的眼光来看，绕道月球“加油”从成本上更容易长期负担得起，因为你不必从地球出发就要带上所有行李。
小组的研究结果发表在了《航天器与火箭》杂志上，它是基于卓人·石松（Takuto Ishimatsu）的博士论文，他目前是麻省理工学院的博士后。

月球引力小且资源丰富，未来可在月球生产燃料，其费用将比从地球携带便宜很多倍（腾讯太空配图）

一个长远的策略
以往太空项目的补给方法有两种：一种是定期的对宇航员与飞船进行资源补给，比如现在的国际空间站；另一种是一次性装载完再出发，比如阿波罗登月工程。
但是未来二三十年，载人太空飞行将由近地轨道拓展至远离地球的深空，这两种补给都将是不可持续的。由于载人深空项目预算的限制，而且目的地通常离地球非常遥远，一个精心规划的深空物资补给战略便成了当务之急。
研究小组提出了“原位资源利用(in-situ resource utilization)”的补给策略，这将使未来火星甚至太阳系内更遥远目的地的载人太空活动受益。在未来太阳系内行星际的太空飞行中，燃料、水、氧气等资源的补给将利用沿途的星球生产，不再依赖地球的运输补给。
例如目前在月球和火星发现的水冰资源，不但可以被用来饮用；也可以电解成氢气和氧气，成为火箭燃料；氧气还可用于宇航员的维生系统提供呼吸。在木星轨道以内，几乎无穷无尽的太阳能可提供生产这些材料的能源。
奥利弗说：“太阳系内大小天体的资源完全可以利用，这一点毋庸置疑。假如你可以提取利用它们，你会做什么？但是之前没人重视这个问题。”
2020年前后将迎来载人登月50周年，而SLS火箭第二次任务就是将宇航员

笑看今朝

建立太空物流网络

为了验证在太空部署设施生产燃料对载人火星任务有益，石松建立了一系列的物流模型：包括携带全部物资的直飞火星，甚至在飞行沿途建立多个补给点。该模型的目标是最大限度地减少从地球发射的载荷质量，这其中包括发射部署在太空生产燃料的设备质量。

该模型内货物与商品的运转，比如燃料，会在太空中有一个网络供应链。石松建立了数学模型去改进常规的物流模式，新的模型更适合长期太空任务的复杂场景，并考虑到特定太空任务的条件限制。

这个模型假定了未来的场景，燃料可以在月球生产并运输出来；另一方面，在地月拉格朗日点建立燃料库，让其稳定在太空固定位置上。给定一个任务目标，如一系列重量的限制，模型将确定最佳的补给路线，同时符合基本的物理学约束。

石松称研究证明了在太空部署资源生产设施的重要性。他强调，这样的设施对第一次载人火星任务可能没必要，但是在太空建立资源补给网络可以让人类能够以可持续的方式前往火星。

“我们最终的目标是在火星建立自给自足，永久性的人类定居点。但同样重要的是，我们需要在太空建立一条补给通道，能够让我们以更经济实惠的方式进行地球与火星之间的行星际旅行。”石松说。

“优化的研究结果证明：月球将在未来我们可持续地来往地球与火星之间发挥重要作用。虽然此前人们提到过它，但这是第一次有权威论文用数学的方法告诉我们为什么这个是最经济的方法。”奥利弗说。（桂林/编译）