本文是系列文章的第二篇。請閱讀第一篇。

「從數學與軌道的角度來看，用某種特定的技術，前往火星的方法其實沒有太多種。基本上已經研究得很透徹了。你或許可以在小數點後做些微調，但基本上如果你談的是化學火箭，前往火星的方式就是那樣。」—— John Aaron^[1]

月球不一樣，它像個孤單的長輩掛在天上等著有人來探望，火星則有自己豐富的軌道生活，不會隨時待在那裡招待遠道而來的太空人。每隔 26 個月，才有一次短暫的窗口能讓兩顆行星之間的旅行成為可能，而這個軌道力學上的限制是如此根本，以至於早在林白飛越大西洋的年代，我們就已經知道火星任務會是什麼樣子。^[2]

使用化學火箭，只有兩種任務類型可供選擇：（我在此給出的時間會有些變動，但大致具有代表性）。

• 長期停留：飛往火星六個月，在火星停留 17 個月，再花六個月飛回來（總計約 1000 天）。這有時被稱為合衝型（conjunction class）任務。這種模式用單純的來回軌道，換取在火星上的長時間停留。
• 短期停留：飛往火星六個月，停留 30 至 90 天，再花 400 天飛回來（總計約 650 天）。這也被稱為衝日型（opposition class）任務。這種模式用短暫的火星停留，換取一段漫長、坦白說令人恐懼的、穿越內太陽系的回程。

在比較兩者的優劣之前，值得強調它們的共通點——兩者都非常漫長，是太空飛行絕對紀錄（438 天）的兩倍多，是人類在無補給情況下停留太空最長時間（128 天）的五倍，也是人類在低地球軌道外累積停留時間（82 天）的約十倍。^[3] 正是這種不便的漫長，而非任何技術障礙，自 1960 年代具備前往火星能力的火箭問世以來，一直阻擋著我們前往火星。^[4]

而由於這個時間長度是由行星的相對運動所決定的，它很難靠技術來克服。你可以打造飛得更快的火箭，但除非你讓火星本身也加快速度，否則大多只是用更短的航行時間去換取更長的停留時間。要把來回時間壓到 500 天以下，需要在推進系統或燃料補給上取得根本性的突破。^[5]

不同天數的短期停留任務（左側）與長期停留任務（右側橘線）所需的速度增量（Delta-v）比較。請注意在約 500 天附近的急遽上升。來源。

這是壞消息。好消息是，這些限制是如此強大，以至於我們可以在不依賴任何特定太空船或任務設計的情況下，對前往火星這件事做出許多斷言。就像生活在海裡的動物很可能有靈敏的聽覺和流線型的體態一樣，僅從問題的本質出發，就有一些特性是任何前往火星的太空船都必須具備的。

一、無路可逃，無從救援

火星之旅在「必須走到底」這一點上，是人類太空飛行史上前所未有的。登月任務的設計是讓組員在任何時刻都能按下紅色按鈕迅速返回地球；在那些無法中止任務的短暫窗口期，工程師們只能拚命抽菸、啃著計算尺苦撐。^[6]

然而，前往火星的組員在發射後幾天內，就等於承諾要在毫無補給與救援希望的情況下，在太空中度過數年。如果出了問題，除了完成任務之外，唯一的替代方案就是轉入一條漫長的環繞軌道，讓太空船在大約兩年後才回到地球。^[7] 而如果他們被困在火星上，太空人的處境將類似早期的南極探險家，能透過無線電與地球通聯，卻被大自然不可改變的週期所迫，必須等待數月甚至數年才有救援船抵達。

在長期停留的火星任務中，從各個時間點以 50、70 與 90 天返回地球所需的速度增量（單位：公里／秒）。超過 10 公里／秒的數值以現有技術水準而言是不切實際的。來源

這種「無法中止」的狀態，使得火星任務的設計必須極度規避風險。你可以把飛往火星想成那種導演必須一鏡到底拍完整部電影的藝術片。即使沒有哪一場戲特別困難，但要求所有環節依序一次到位、不能暫停也不能重拍，就意味著即使是微小的風險，累積起來也會變得無法接受。

為了感受這種效應，試想一個簡化的模型：我們執行一趟為期 30 個月的火星任務。每個月，太空船的關鍵系統有 3% 的機率發生故障，一旦發生，太空船就進入劣化狀態，此後每個月都有 5% 的機率因後續故障而導致組員喪生。

在這個模型中，組員平安返家的機率算起來是 68%。但如果我們加入一個能在六個月內返家的中止選項，平安返家的機率就躍升至 85%。而若中止軌道只需三個月，平安返家的機率則會提升到 92%。

這些數字只是假設性的，但它們顯示了缺乏中止選項會對安全性造成多大的影響。^[8]

這種必要的規避風險，為任何火星計畫帶來了張力。花費一兆美元送一組人上去，結果卻要他們躲在太空船裡不敢輕舉妄動，意義何在？然而，由於在火星上外出活動是最危險的事情之一，早期的任務必須盡量減少外出。第一批訪客必須降落在最安全的地方，而且幾乎什麼都不能做。

風險與下一個議題——可靠度——緊密相關。

二、可靠度

人類所建造過最接近火星太空船的，就是國際太空站。但「可靠」絕不是 ISS 工程師在談論他們的傑作時第一個脫口而出的詞——甚至不是第一個能刊出來見人的詞。儘管經過二十年的努力，站上的設備仍不斷故障，仰賴從地球源源不絕運來的替換零件。^[9]

2023 年從國際太空站打包送回地球的故障熱交換器

前往火星將需要比現況高出一個數量級的可靠度。太空船上的系統必須能持續運作而不故障，或至少在故障時能讓組員自行修復。如果發生化學外洩或火災這類緊急狀況，組員必須能在受損的船體殘餘部分中存活數年。而那些在低地球軌道上只會成為趣聞的故障（例如堵住太空梭馬桶的尿液冰柱），就足以讓前往火星的組員喪命。

更棘手的是，傳統的可靠度工程方法在維生系統上並不管用，因為一切都透過組員的身體彼此連結。維生系統的工程比較像維護一個海水水族箱，而不是建造一枚火箭。因果難以釐清，整個系統會隨時間演變，而且在那些本應互不相關的子系統之間，存在大量「幽靈般的超距作用」。^[10] 事實上，維生系統的故障往往會在太空船內四處遊走，直到找到最無可取代的東西來搞壞。

想靠把太空船塞滿備用零件來硬撐，也行不通。同樣的系統性交互作用會讓一個零件受損，也能把再多的替換品一起耗盡。可靠度工程最根本的公理——複雜的設計可以被分割成故障率彼此獨立的子系統——在再生式維生系統上並不成立。

為了驗證維生系統而必須進行漫長且昂貴的試飛，又帶來了另一種規避風險——這次是在設計階段。由於原型必須在太空中飛行數年才算通過測試，就會產生一股壓力，迫使設計在勉強堪用的那一刻就凍結，之後無論有多少創新，都無法再被納入太空船。

這種動態與曾困擾太空梭的狀況類似：一個開創性的初始設計因為修改成本過高，導致底層技術在原型階段就凍結了三十年。在那段期間，我們對於如何打造更好的太空飛機毫無長進，卻耗費了數十年與數十億美元去修補那架勉強能用的原型機。

這種畏首畏尾的作風，與近年來 SpaceX 取得驚人成功的開發策略背道而馳——那種策略可稱為「頻繁試飛、大膽嘗試」。憑藉充裕的硬體，SpaceX 敢在每次 Starship 火箭測試之間做出大幅度的修改，依靠快速迭代以令人振奮的速度推進技術前沿。

但這種如淘氣阿丹（Yosemite Sam）般的測試方式對火星並不適用。工程師只需幾小時就能在 Starship 發射後收集到所需的資料，而火星系統的測試卻要持續數年。無可避免的結果是，開發計畫看起來會非常像 NASA——在漫長的推敲與分析之間，穿插著為數不多、昂貴得嚇人的試飛。

三、自主性

自主性對 NASA 而言是個陌生的概念，從第一位水星計畫太空人必須請求地面管制員允許才能小便（這項請求一路呈報到華納·馮·布朗）以來，NASA 就一直從地面鉅細靡遺地操控太空人。

至今，任務仍遵循試飛員模式，組員依據數月甚至數年前就準備好的詳細檢查清單工作。在太空站上，這表現為筆電螢幕上一條緩緩越過紅色垂直線的圖形化時程表，太空人被期望跟上那些移動的色塊。太空站上大多數例行工作（如抽水或管理廢熱）都交由地面的專門團隊處理，甚至不會讓組員看見。

艾倫·雪帕德（Alan Shepard）在自由七號（Freedom 7）上，解釋自己真的非常想上廁所。

然而，隨著前往火星的太空船離地球愈來愈遠，與地面管制中心的來回通訊延遲將逐漸增加到最長 43 分鐘，並在太陽正好位於兩顆行星之間時，進入長達一週以上的通訊中斷。這種物理限制意味著組員必須在沒有地面協助的情況下，完全掌控太空船上的所有系統。

自主性聽起來是件好事！誰會想讓政府的官僚來決定太空人怎麼運用他們的太空時間？但地面主導的模式也有其優點，最顯著的就是能減輕工作負擔。國際太空站由數百人的團隊運作，每天向太空站發送約 50,000 道指令。站上的七名太空人只有在最後關頭才會被叫來幫忙，即便如此，他們的時間壓力仍大到讓太空站難以執行其科學任務。^[11]

這種 NASA 在後座指揮的好處之一，始終是在緊急情況下，組員能即時獲得地球上無限的專家支援。最鮮明的例子出現在阿波羅 13 號：服務艙的氧氣槽在飛行 56 小時後破裂。組員與任務管制中心花了將近一小時才釐清狀況，當時只剩下短暫的時間窗口，必須以能保住返回地球能力的方式關閉太空船電源。

那第一個小時的通話紀錄顯示了組員與地面要弄清楚發生了什麼事、並排定優先順序有多困難。毫不貶低阿波羅 13 號組員之意，若當時有類似火星任務的通訊延遲，他們恐怕無法倖存。

而雖然這次任務是地面人員支援阿波羅組員最著名的例子，但在阿波羅計畫中，至少還有五次是靠地面及時協助才避免了嚴重麻煩：

• 阿波羅 12 號在發射後兩度遭到雷擊，導致電力系統大亂，指揮艙內警告燈大作。飛行管制員 John Aaron 認出了那令人困惑的錯誤模式，並因此留名 NASA 史冊——他告訴組員去撥動一個不起眼的開關，讓顯示恢復正常。
• 在阿波羅 14 號，登月艙的下降雷達未能正確鎖定，回傳了錯誤的測距資料。若沒有地面管制中心及時來電（指示飛行員重置一個斷路器），這個問題很可能導致著陸中止。
• 在阿波羅 15 號，組員努力控制一場可能惡化的漏水。十五分鐘後，地面的工程師追溯到發射前一個加氯閥的問題，並傳上一套解決程序。
• 同樣在阿波羅 15 號，一小片漂浮的金屬碎屑卡在開關中，導致登月艙引擎間歇性地發出中止訊號。要壓制這個訊號、讓登月艙安全下降，需要重新編寫機載電腦的程式——這個程序保證會讓每個現代軟體開發者頭皮發麻。
• 在阿波羅 16 號，服務艙上的一對伺服馬達在月球軌道上故障。任務規則要求中止，但在與指揮艙駕駛進行互動式除錯後，地面管制員找到了一個他們認為足夠安全、可以繼續著陸的變通辦法。

雖然這些事件特別突出，但阿波羅的通話紀錄顯示了無數組員與地面密切合作以掌控問題的例子。失去這種即時協助，對前往火星的太空人而言是真正的風險放大器。

四、分析

國際太空站依賴地球的另一個層面是對空氣與水樣本的實驗室分析，這些樣本按既定時程採集，並隨著每艘返回的太空艙送回。能在太空站本身進行的檢測非常粗淺，只能提醒組員有微生物或污染物的存在，卻無法提供追溯根本原因所需的詳細資訊。

對於火星任務，這種分析能力必須搬到太空船上。本質上，這意味著要打造一種「太空版 Theranos」——一個能在太空中自動執行生化檢測、無需維修或校正的黑盒子。這樣的儀器在地球上任何地方都不存在，但火星任務卻需要兩種版本——一種在無重力下運作，另一種在火星重力下運作。^[12]

這個黑盒子屬於火星計畫中常見的一類硬體：那些如果在地球上存在，將會是數十億美元產業的技術，卻被假定在需要裝上火星太空船時就能輕易發明出來。^[13]

有些火星任務的支持者甚至把這些技術當作前往火星將為人類帶來好處的例子。但這完全搞反了——在地球上困難的問題，不會因為把它們射向太空就變簡單；而那些不存在的技術出現在通往火星的關鍵路徑上，並不是支持前往火星的論據。

五、自動化

要求組員在部分成員失能且與地球斷聯的情況下仍能操控太空船，意味著原本需要國際太空站規模的工作量，必須自動化到只需兩到三名太空人就能運作的程度。

太空人 Alexander Gerst（右）與 NASA 耗資 600 萬美元的 AI 聊天機器人 CIMON 互動

自動化意味著軟體，而且是大量的軟體。要將一艘前往火星的太空船上的系統自動化，將是一項艱鉅的任務，就像試圖把客機的自動駕駛擴展到去經營機場的美食街、行李提領處和航空公司的退休金計畫一樣。可能的結果會是一個像國際太空站那樣、由測試嚴謹程度不一的軟體拼湊而成的混雜系統，運行在數百個處理器上。但這些硬體將暴露在比國際太空站系統嚴苛得多的輻射環境中，使得軟體設計與整合成為一大挑戰。

自動化問題的一個特例出現在長期停留任務中：當組員在火星表面停留一年半時，繞行中的太空船必須讓自己免於發霉、長真菌和出現「太空浣熊」的侵害。任何擁有度假小屋的人都知道，這個在火星文獻中被稱為「靜默休眠（quiescence）」的問題，在地球上就已經很難解決。

若未謹慎管理，自動化、複雜度與可靠度之間的交互作用可能陷入病態的惡性循環。為系統加入軟體會使其更複雜。為了保持可靠，複雜的系統必須能優雅地降級運作，讓整體在單一元件故障時仍能繼續運作。但這些降級模式，以及它們之間未預期的交互作用，又會帶來自身的複雜度，接著又必須用軟體來管理，如此循環不已。

其結果是，自動化本身就為「在真正前往火星之前先進行全時長模擬任務」提供了另一個獨立的理由。在如此複雜的系統中，會有太多錯誤，無法全留給第一批前往火星的組員去發現。

影響

我所概述的對自主性、可靠度與自動化的極端要求，對深空探測器的設計者來說是老生常談。太陽系中充滿了發射數十年後仍安靜嗶嗶作響的硬體，最壯觀的例子莫過於已飛行 46 年的航海家號太空船。

但從來沒有人試過把一箱大型靈長類動物綁在深空探測器上，並以讓牠們活著、快樂、而且不會發文抱怨 NASA 把牠們送進虛空等死為目標。一艘前往火星的太空船將是人類建造過最複雜的造物，比以往任何太空探測器都大上約一百倍，而在它內部，將是一個由軟體、硬體、細菌、真菌、太空人，以及（在半程任務中）組員帶回太空船的各種物質緊密耦合而成的系統。

設計這樣一台機器，意味著要把某件已處於人類能力邊緣的事（建造行星際探測器）與一件我們在地球上都還做不到的事（用再生式維生系統讓六到八個人存活數年）結合起來。^[14]

我的論點並非說這不可能做到，而是說不可能快速做到。為火星做準備將是一個反覆、開放式的過程，其中每一輪測試都會耗掉數年時間與我們大部分的太空預算，就像之前的阿提米絲計畫與國際太空站一樣。火星計畫的第一個十年，將與過去四十年的太空飛行別無二致——一系列重複的、長時間的軌道任務。NASA 唯一需要改變的只有計畫名稱。

這也不是一個可以委託給億萬富翁業餘玩家就能解決的問題。無論火箭上印的是誰的標誌，維生系統都將是一場苦戰。就算天空佈滿了 Starship，我們仍會被困在這些漫無目的的多年期任務中，對硬體與軟體進行全系統測試。

要在我們有生之年探索火星，唯一的方法就是拋開「人必須隨機器同行」的要求。

選擇任務模式

但既然我們決心要去火星，而又有兩種模式可選，哪一種比較好呢？

大家都同意，只有長期停留模式對探索才有意義。把 95% 的旅程都花在航行上，只為在目的地匆匆停留幾週，實在沒有意義。

但在以「讓組員活著回來」為目標的早期任務中，選擇就變得棘手。

長期停留

長期停留模式的優點在於單純。你把火箭飛向火星，等待 17 個月讓行星再次對齊，然後沿著相同的軌道飛回來。這段轉移航程的每一趟都大約像一次國際太空站的駐留期，而且可以透過多燒一些燃料來微調轉移時間（不過組員就必須在火星上停留更久來補償）。

在任務的每一個時刻，太空船都維持在距離太陽 1 到 1.5 天文單位之間。這簡化了熱控與太陽能板的設計，並大幅降低組員遭遇太陽風暴的風險。

但要在火星上打發那麼多時間的問題卻很棘手。500 天對於首次造訪任何地方來說都是很長的時間，即使那裡有夜生活和大氣層也一樣。而如我們將看到的，軌道任務大概是不可行的。要求組員在第一次造訪就得在火星上生活，大幅增加了風險等級。

短期停留

短期停留模式的吸引力就寫在名字裡。與其在火星上待到得報稅，不如讓第一批抵達的人插上旗子、撿起梯子旁最近的一塊石頭，然後趕緊走人。或者，他們也可以選擇跳過著陸，讓第一次任務純粹在軌道上進行，遵循航太工程中「把不可能的事按順序逐一嘗試」的傳統。

但短期停留模式的問題在於回程。返航軌道會深入金星軌道內側，使太空船的設計變得複雜，並在接近近日點的數週內為組員增添了壯觀的死法。在那段旅程的大部分時間裡，太空船都在太陽的另一側，妨礙了與地球的通訊，同時讓組員在太陽風暴來襲時毫無預警。

而且那組人必須連續兩年在深空中度過，最大化他們暴露於輻射與微重力下的時間——這是已知對太空人健康最大的風險。

短期停留模式也需要更多推進劑，在某些年份甚至會多到令人卻步。如果你的風險緩解策略是在每個會合週期都發射組員，讓隨時都有潛在的救援者正在前往火星的路上，那麼這就是個問題。

比較未來不同發射日期的短期與長期停留任務所需的速度增量圖。由於推進劑需求隨速度增量呈指數增長，2041 年的任務所需推進劑是 2033 年任務的五倍。來源「

待在軌道還是著陸？

一旦選定了任務模式，另一個要做的決定就是是否要讓太空船著陸。

顯然你遲早得讓組員著陸；如果不這麼做，其他國家的太空計畫會嘲笑你，國會聽證會上也會有尖銳的冷嘲熱諷。

但由於要活著完成一趟火星之旅，需要依序解決一系列互不相關的問題（抵達、進入、著陸、表面操作、起飛、會合），因此有理由把問題切成兩半，讓第一次任務只在軌道上進行。這正是阿波羅計畫所採取的方法——在可用的登月艙問世之前，先讓第一組人繞行月球。

第一次任務不必攜帶著陸器，意味著有更多空間容納備用零件與消耗品，從而提升組員的安全餘裕。這也為工程師爭取了時間，去處理進入、著陸、靜默休眠與起飛等難題，而不必拖累整個計畫。

但也有強而有力的理由反對軌道任務。既然前往火星的風險很大程度上就是時間的函數，為何要比必要時更多次地擲骰子？而考慮到費用與對組員身體的耗損，又如何能證明不嘗試著陸是合理的？想像你開車帶家人去迪士尼樂園，結果在停車場掉頭，然後宣布現在已經為明年真正的旅行做好準備。後座會傳來憤怒的踢椅聲，甚至發生叛變。

NASA 多年來在兩者之間搖擺不定。在 2009 年的設計參考架構中，他們傾向於讓四名組員執行長期停留任務。較近期的計畫則設想以短期停留模式執行一次精簡任務，由四名組員中的兩人嘗試著陸。

至於 Elon Musk，他則提出分階段解決問題：先送志願者去定居火星，之後再來想辦法怎麼接他們回家。^[15]

真正讓選擇變得困難的，是我們對兩個關鍵問題缺乏答案：

1. 人體如何對部分重力做出反應？

數十年在太空中的經驗，讓我們對長時間處於失重狀態會對太空人造成什麼影響、以及他們返回地球後如何恢復，有了相當的了解。但我們對於在部分重力下——無論是月球（0.16 g）還是火星（0.38 g）——會發生什麼，卻一無所知。特別是，我們不知道火星的重力是否足以抑制或減緩我們在失重狀態下觀察到的退化過程。^[16]

這個問題的答案將驅動一個關鍵決策：是否要讓太空船旋轉。如我們將看到的，讓太空船旋轉以產生人工重力是件極其麻煩的事，但是否能避免這麼做，取決於長期處於部分重力下的未知效應。^[17]

2. 銀河宇宙射線中重離子成分對組員的風險有多大？

太空中的輻射有許多種類，其中大多數透過在地球上類似環境的經驗已相當清楚。

低劑量的重離子輻射則不同。它在地球上只存在於粒子加速器中，在低軌道上也難以研究，因為磁層與地球本體為太空人屏蔽了他們在自由空間中會遭遇的大部分通量。

重離子輻射具有標準組織輻射損傷模型無法捕捉的生物效應。特別是，有一類被稱為非標靶效應（non-targeted effects, NTEs）的現象，已知會對遠離輻射徑跡的細胞造成損害。這是一種奇怪的效應，就像你的鄰居被車撞了，結果卻是你住進了醫院。據信 NTEs 會擾亂細胞中的表觀遺傳訊號機制，但此現象仍所知甚少。

對低劑量重離子輻射效應的不確定性，使我們對輻射風險的最佳估計至少擴大了兩倍。^[18] 在區間的低端，這些效應只是個有趣的現象，火星任務可以用傳統的輻射暴露模型來規劃。在區間的高端，長時間的軌道任務可能無法存活，而在火星表面的太空人則必須住在洞穴裡，或用數公尺厚的土壤覆蓋他們的棲息艙。

暴露於銀河宇宙射線一年後腫瘤發生率的預測。底部的實線顯示標準輻射模型（TE）。虛線顯示在不同假設下非標靶效應（NTE）的影響。請注意在無屏蔽情況下，預測的腫瘤發生率有近三倍的不確定性。來源

這種對生物效應的不確定性，使得輻射成為火星組員面臨的最大「已知未知」風險，並影響任務設計的方方面面。

把前往火星的三大風險因素彙整成一張大表會很有幫助：

這些表格中的灰色區域代表在決定如何前往火星之前必須填補的知識空白。

這項初步醫學研究需要多久，誰也說不準，但它必定是總任務時間的數倍。特別是研究部分重力很棘手——你可以在月球上（火星重力的 42%）進行研究，並期盼結果能外推到火星，或者你可以在太空中建造旋轉結構，在那裡進行更精確的測試。

研究輻射效應意味著要在磁層外讓動物暴露數年，然後觀察牠們是否長腫瘤，而這（除非輻射方面的消息真的很糟）同樣需要一些時間。

在軟體工程中，我們有一個很有用的概念叫「剃氂牛毛（yak shaving）」。要開始一個專案，你必須先準備工具，這往往涉及重新配置你的開發環境，這可能意味著要更新軟體，而這又需要找回一個久未使用的密碼，沒多久你就發現自己拿著六角扳手鑽到辦公桌底下。（電視影集《左右做人難》（Malcolm in the Middle）有一段對剃氂牛毛在居家修繕情境下的絕佳描繪。）

同樣的現象也困擾著我們前往火星的嘗試。如果只要有足夠的火箭與資金，探險家就能跳上太空船出發，那倒還好。但總有一長串必要的前置條件。我們在太空船側面漆上目的地：火星！的字樣，結果十年後卻發現自己還在低地球軌道上，為老鼠做離心實驗。令人沮喪。

人們很容易說「你就直接動手做就好」，把所有這些研究與測試斥為膽小、不必要。但這將意味著忽略前往火星最大的風險因素，為求完整，我在此一併列出。

前往火星的任務是如此艱難，以至於我們沒有本錢去忽略已知風險——我們需要把風險預算中所有能省下的空間，留給那些我們還不知道該擔心的事。

我在此所做的一切，目的不是要扼殺一個珍貴的夢想，而是試圖推動人們對「承諾登陸火星意味著什麼」抱持更務實的看法，特別是要以機會成本的角度來思考前往火星這件事。

近年來，太空探索出現了顯著的分歧。在分歧的一邊，是像好奇號（Curiosity）、詹姆斯·韋伯（James Webb）、蓋亞（Gaia）或歐幾里得（Euclid）這類日日帶來新發現的任務。這些計畫有明確的目標，並擁有卓越的發現紀錄。

在另一邊，則是國際太空站以及那個已持續二十年、要讓美國人重返月球的努力。這些計畫除了維持人類在太空中的存在之外別無目的，卻耗掉了國家一半的太空預算，且毫無成果可言。先別提火星——今天的我們距離登陸月球，比 1965 年時還要遙遠。

在前往火星這件事上，我們可以選擇要站在這本帳的哪一邊。我們可以積極地用機器人去探索這顆行星，受惠於自動化與軟體的持續革命，發射愈來愈強大的任務前往最有可能孕育生命的地方。

或者，我們可以繼續待在過去四十年來的跑步機上，慢慢累積能力，去登陸火星上最安全的一小塊土地，在那裡留下牌匾與旗幟。但我們無法兩者兼得。

下回：眼睛與骨骼

註釋

[1] 引文取自 2000 年與 Aaron 的口述歷史。

[2] 早期的例子可見 1928 年《科學人》文章「我們能去火星嗎？」，雖然對於推進方式的描述難免含糊，但其描述的合衝型軌道任務與 NASA 2009 年的設計參考架構並無太大差異。

[3] Valerii Polyakov 在 1995 年著陸的飛行中創下 437 天的紀錄。國際太空站在 2002 年 11 月 25 日至 2003 年 4 月 2 日期間未獲補給。九次阿波羅任務曾飛出低地球軌道，其中最長的（阿波羅 17 號）歷時 12.4 天。

[4] 農神五號（Saturn V）能夠將約 20 噸酬載送上火星掠飛軌道。NASA 在 1967 年曾為此任務（需四次農神五號發射）進行初步規劃。

[5] 1987 年，由 Sally Ride 主持的團隊提出了一種「分離／衝刺（split/sprint）」任務架構，這可能是前往火星的最佳方式。在此架構中，緩慢移動的補給船先在火星軌道上預置低溫推進劑儲存庫，然後在下一個會合週期，人類任務（即「衝刺」部分）短暫著陸火星，從軌道儲存庫補充燃料，並在 400 天內返回地球。這樣的任務需要約 15 次重型發射，以及兩項尚不存在的技術：在太空中長期儲存液態氫，以及在太空中於太空船之間輸送液態氫的能力。（有趣的是，這兩項技術都是 Blue Origin 登月計畫的一部分）。另一種快速前往火星的方式是使用核熱火箭。核熱火箭本質上就是一個把高溫氫氣從一端噴出的核反應爐。核熱火箭設計的效率約為化學火箭的兩倍，使得飛行具有更高速度增量需求的任務成為可能。

[6] 關於阿波羅中止模式的完整討論，請見1972 年阿波羅經驗報告——中止計畫。

[7] 關於可能的火星中止模式，可參閱地球至火星中止分析 for 載人火星任務。在什麼樣的故障情境下，一個長達兩年的中止選項才真的有幫助，是個有趣的哲學問題。

[8] 我寫了一個小小的 Python 腳本，讓你自行試玩這些情境。

[9] 國際太空站上的維生設備被包裝成稱為「軌道替換單元（Orbital Replacement Units）」的組件。在某些情況下，這意味著必須運送重達數百公斤的組件上太空，只因為其中的一個小感測器故障。以下是在 2023 年曆年中替換的部分 ORU 清單（來源）：

• 節點艙 3 的熱交換器
• 共用艙內大氣組件的水分離器
• 節點艙 3 的水分離器
• 共用艙內大氣組件水分離器的液體單向閥
• 全站 21 個活性碳濾網
• 節點艙 3 的 HEPA 濾網
• 二氧化碳移除組件中的鼓風機（兩次，第一次的替換品故障）
• 節點艙 3 的樣本分配組件
• 質譜儀組件
• 多重過濾床
• 製氧組件中的幫浦

[10] 太空站早期的一套尿液處理器因被來自太空人溶解骨骼的鈣結晶堵塞而故障，這是設計時未充分考量的失重效應。

[11] 50,000 道指令的數據來自《國際太空站：在新邊疆營運前哨站》，一本關於太空站運作的詳細入門書。近年國際太空站的利用率已提升，但仍低於每週 80 小時——相當於兩個全職人力。七名組員的清醒時間大多花在強制運動、內務與太空站維修上。

[12] 太空中的現有儀器通常只能在 10 至 20 種物質的目標清單中識別化學物質，這比識別任意化合物的任務要容易得多。關於後者技術現況，請見太空船水質不純物監測器有機與無機模組之進展——新一代載人載具完整水質分析系統（ICES-2023-110）。

[13] 其他神奇火星技術的例子包括太空衣的無洩漏密封、無水洗衣機、抗生物膜塗層、可在室溫下保存數年且營養完整的餐食，以及能將二氧化碳轉化為數百噸甲烷的自主太陽能工廠。

[14] 封閉式維生系統的耐久紀錄屬於生物圈二號（Biosphere 2），它讓組員存活了 17 個月，之後因與建材之間未預期的交互作用導致氧氣降至危險水平。

[15] 涉及 Starship 與火星的計畫仰賴能在火星表面生產數百噸推進劑，讓火箭能再次發射。在 Musk 或 SpaceX 未提供任何細節的情況下，最接近詳細計畫的是這篇發表於《Nature》的分析。

[16] 據我們所知，統稱為「失調（deconditioning）」的一系列問題在部分重力下可能會惡化。這違反我們的直覺，但在太空中曾出現過更大的意外。

[17] 另一個取決於部分重力效應的決策是，是否要在火星表面棲息艙中納入重型運動器材，在那裡空間與質量都極為珍貴。

[18] 關於此不確定性來源的討論，請見相關輻射風險評估文獻。