本文是本系列的第二篇。第一篇请见此处。

“从数学和轨道的角度来说，在现有技术条件下，去火星的办法其实没几种，早就研究透了。你可以在小数点后微调一下数字，但本质上，只要用的是化学火箭，去火星就只有那一种走法。”——约翰·阿伦^[1]

与像孤独的祖辈一样挂在天上等着有人探望的月球不同，火星有着自己丰富的轨道生活，并不会一直待在那里招待过往的宇航员。每隔26个月才有一次短暂的窗口期适合在两颗行星之间往返，而这个轨道力学上的根本限制是如此基础，以至于早在林德伯格飞越大西洋时，我们就已经知道火星任务会是什么样子。^[2]

如果使用化学火箭，可选的任务类型只有两种：（此处给出的时长会有浮动，但具有代表性）。

• 长期驻留：飞往火星6个月，在火星停留17个月，再用6个月返回（总计约1000天）。这有时被称为合日类任务。这种方案用简单的往返轨道换取在火星上的长时间驻留。
• 短期驻留：飞往火星6个月，在火星停留30至90天，再用400天返回（总计约650天）。这也被称为冲日类任务。这种方案用短暂的火星停留换取一段漫长而坦白说令人恐惧的、穿越内太阳系的归途。

在比较两者的优劣之前，有必要强调它们的共同点——两者都非常漫长，都超过了太空飞行绝对纪录（438天）的两倍，是迄今无人补给条件下在轨停留最长时间（128天）的五倍，也大约是人类在近地轨道之外累计停留时间（82天）的十倍。^[3]正是这种让人头疼的漫长，而非任何技术障碍，自20世纪60年代具备往返能力的火箭问世以来，一直阻碍着我们前往火星。^[4]

而由于这一时长是由行星的相对运动决定的，它很难靠技术来克服。你可以造出更快的火箭，但除非你能让火星本身转得更快，否则大多只是在用更短的飞行时间换取更长的停留时间。要把往返时间压缩到500天以内，需要在推进或在轨加注方面取得根本性突破。^[5]

不同时长的短期驻留任务（左侧）与长期驻留任务（右侧橙线）的速度增量需求对比。注意在500天附近的急剧上升。来源。

这是坏消息。好消息是，这些限制如此强大，以至于我们无需确定具体的飞船或任务设计，就能对火星之旅做出很多判断。就像生活在海里的动物很可能听力灵敏、体型流线一样，仅仅从问题的本质出发，就有一些必然适用于任何火星飞船的规律。

一、有去无回，无人可救

火星之旅的决绝程度在人类航天史上是前所未有的。登月任务的设计保证了机组在任何时刻都能按下红色按钮迅速返回地球；工程师们只在那些无法中止的短暂窗口期里紧张地一根接一根抽烟、对着计算尺发愁。^[6]

但在发射后几天内，火星飞船的乘组就将注定要在太空中度过数年，期间没有任何补给或救援的希望。如果出了问题，完成任务之外的唯一选择是转入一条漫长的大回环轨道，在出发约两年后才能回到地球。^[7]而如果他们被困在火星上，宇航员的处境将类似于早期的南极探险者，能够通过无线电与家里联系，却不得不受制于自然界不可改变的周期，等待数月乃至数年才有救援飞船到来。

在长期驻留火星任务的不同时间点，用50、70和90天返回地球所需的速度增量（公里/秒）。超过10公里/秒的数值以现有技术水平是不现实的。来源

这种无法中止的后果使得火星任务的设计极度厌恶风险。你可以把飞往火星想象成那种必须一镜到底的文艺片。即便没有哪一场戏特别难拍，但要求所有环节依次顺利、不能暂停也不能重拍，就意味着即便很小的风险累积起来也会变得不可接受。

为了感受这种效应，不妨设想一个简单的模型：我们执行一次30个月的火星任务，每个月飞船关键系统有3%的概率发生故障，一旦发生，飞船进入降级状态，此后每个月有5%的概率出现导致乘组丧生的二次故障。

在这个模型中，乘组安全返回的概率为68%。但如果增加一个能在六个月内把他们送回地球的中止选项，这一概率会跃升至85%。而如果中止轨道只需三个月，安全返回的几率则会升至92%。

这些数字只是假设，但它们说明了缺乏中止选项会对安全性产生多大的影响。^[8]

这种必要的风险厌恶给任何火星计划都带来了张力。花一万亿美元把人送过去，如果他们只能躲在飞船里不敢出来，又有什么意义？然而，由于出舱是在火星上最危险的活动之一，早期任务必须将其减至最少。第一批火星访客将不得不降落在尽可能安全的地方，并且几乎无所作为。

风险与下一个问题——可靠性——密切相关。

二、可靠性

人类迄今建造的最接近火星飞船的东西是国际空间站。但“可靠”绝不是空间站工程师谈起自己作品时首先想到的词——甚至连能见诸文字的词都算不上。尽管付出了二十年的努力，站上的设备仍不断出故障，依赖从地球源源不断运来的备件维持运转。^[9]

2023年从国际空间站打包返回地球的一个故障热交换器

前往火星将需要在现有水平上实现数量级的可靠性提升。飞船上的系统必须做到不坏，或者即便坏了也能让乘组自行修复。如果发生化学品泄漏或火灾等紧急情况，乘组必须能在飞船的残余部分中继续生活数年。而那些在近地轨道上还能成为趣闻的故障（比如堵住航天飞机马桶的尿液冰柱），就足以让火星上的乘组丧命。

更复杂的是，传统的可靠性工程方法在生命保障系统上行不通，因为一切都是相互关联的，往往通过乘组人员的身体彼此牵连。生命保障工程更像是维护一个海水水族箱，而不是建造一枚火箭。很难厘清因果，整个系统会随时间演化，而那些本应互不相关的子系统之间还存在大量“幽灵般的超距作用”。^[10]事实上，生命保障系统的故障往往会在飞船内游走，直到找到最不可替代的部件下手。

靠堆备件也无法用蛮力解决问题。导致某个部件损坏的系统性相互作用，同样会把任意数量的备件消耗殆尽。可靠性工程的基石公理——复杂设计可以被划分为故障率相互独立的隔离子系统——在再生式生命保障系统中并不成立。

需要进行漫长而昂贵的试飞来验证生命保障系统，这又带来了另一种风险厌恶，这次是在设计阶段。由于原型机需要在太空中飞行数年进行测试，就会产生一种压力，迫使人们在生命保障设计刚达到勉强可用时就将其冻结，此后无论有多少创新都无法再上船。

这与当年困扰航天飞机的动态如出一辙：一个开创性的初始设计修改成本如此之高，以至于让底层技术在原型阶段就冻结了三十年。在此期间，我们在制造更好的空天飞机方面毫无进展，却花了数十年和数百亿美元去修补第一个能用的原型机。

这种谨小慎微的做法，与近年来SpaceX取得巨大成功的发展策略背道而驰，那种策略可称为“多飞多试”。凭借充足的硬件，SpaceX在“星舰”火箭的每次测试之间都敢于进行大刀阔斧的改动，依靠快速迭代以惊人的速度推进技术前沿。

但这种“扬基山姆”式的测试方法对火星并不适用。工程师在“星舰”发射后只需几小时就能收集到所需数据，而火星飞船系统的试运行却要持续数年。必然的结果是一个看起来非常像NASA的研制计划：漫长的推敲与分析，间或进行几次代价高昂的试飞。

三、自主能力

自主是一个对NASA来说很陌生的概念，从第一位水星宇航员不得不向地面请求上厕所的许可（这一请求一路上报到了冯·布劳恩那里）起，NASA就一直在从地面事无巨细地操控宇航员。

时至今日，任务仍沿用试飞员模式，乘组按照数月甚至数年前就为他们准备好的详细检查单工作。在空间站上，这体现为笔记本电脑屏幕上一条红色竖线缓缓划过图形化的日程表，宇航员需要跟上移动的色块。站上大多数日常工作（如抽水或管理废热）都交由地面的专业团队处理，乘组甚至看不到这些操作。

艾伦·谢泼德在“自由7号”飞船内，解释自己真的憋得很厉害。

但随着火星飞船离地球越来越远，与地面控制中心的往返通信延迟将逐渐增加到最长43分钟，并在太阳正好位于两颗行星之间时达到一周甚至更长的通信中断。这一物理限制意味着乘组必须在没有地面帮助的情况下完全掌控飞船上的每一个系统。

自主听起来是好事！谁愿意让政府里的官僚来决定宇航员在太空里怎么打发时间？但地面主导的模式也有其优势，最显著的是能减轻工作负荷。国际空间站由数百人的团队运行，每天向空间站发送约5万条指令。站上的七名宇航员只有在万不得已时才会被叫去处理，而且即便如此，他们的时间依然非常紧张，以至于空间站一直难以完成其科学任务。^[11]

NASA这种“后座驾驶”的一个好处始终是，一旦发生紧急情况，乘组可以获得地球上无限的实时专家支援。最典型的例子发生在阿波罗13号上，服务舱的氧气罐在飞行56小时后爆炸。乘组和任务控制中心花了近一个小时才弄清状况，而当时留给他们以能保住返回能力的方式关闭飞船的时间窗口已经所剩无几。

一份对那一小时的文字记录显示，乘组与地面要理清发生了什么并确定应对优先级是多么困难。不对阿波罗13号的乘组有任何不敬地说，如果当时存在类似火星那样的通信延迟，他们是不可能幸存下来的。

而虽然这次任务是最著名的地面控制人员支援阿波罗乘组的例子，但在阿波罗计划中，至少还有五次是地面的及时帮助避免了严重麻烦：

• 阿波罗12号在发射后两次被闪电击中，电气系统大乱，指令舱内警示灯全亮。飞控员约翰·阿伦认出了这种令人费解的故障模式，并通过让乘组拨动一个不起眼的开关恢复了显示的正常，由此成为NASA的传奇。
• 在阿波罗14号上，登月舱的下降雷达未能正确锁定，返回了错误的距离数据。如果没有地面控制中心的及时呼叫（让飞行员重置一个断路器），这个问题很可能会导致着陆中止。
• 在阿波罗15号上，乘组努力控制一场可能变得严重的漏水。15分钟后，地面工程师追查到问题源于发射前一个氯化阀门的异常，并上传了解决方案。
• 同样在阿波罗15号上，一块漂浮在开关中的金属碎屑导致向登月舱发动机间歇性发送中止信号。要抑制该信号以使登月舱安全下降，需要对机载计算机进行重新编程，这一操作足以让今天的每一位软件开发者头皮发麻。
• 在阿波罗16号上，服务舱的一对伺服电机在月球轨道上失灵。任务规则要求中止，但在与指令舱飞行员进行交互式排故后，地面控制人员找到了一个他们认为足以安全继续着陆的变通办法。

虽然这些事件很突出，但阿波罗的文字记录显示了无数乘组与地面密切协作解决问题的例子。失去这种实时帮助，对前往火星的宇航员来说是一个实实在在的风险放大器。

四、分析能力

国际空间站依赖地球的另一个方面是对空气和水样的实验室分析，这些样本会定期采集，并随每一艘返回的飞船送回。能在空间站本身进行的检测非常初级，只能提醒乘组存在微生物或污染物，却无法提供追踪根本原因所需的详细信息。

对于火星，这种分析能力必须搬到飞船上。本质上，这意味着要在飞船里建造一种“太空Theranos”——一个无需维修或校准就能在太空中自动进行生化分析的黑盒子。这种仪器在地球上任何地方都不存在，而火星任务却需要两种——一种在失重环境下工作，另一种在火星重力下工作。^[12]

这个黑盒子属于火星计划中经常出现的一类硬件：如果存在于地球上，将是价值数十亿美元的产业，但在把它们装上火星飞船时，却被假定为到时候自然就能发明出来。^[13]

一些火星计划的支持者甚至把这些技术列为前往火星将给人类带来的好处。但这完全搞反了——在地球上都很难的问题，发射到太空中并不会变得更容易，而那些尚不存在的技术恰恰处于通往火星的关键路径上，这并不是支持前往火星的理由。

五、自动化

要求乘组在部分成员丧失能力且与地球失联的情况下仍能操控飞船，意味着国际空间站量级的工作负荷必须自动化到两三名宇航员就能应付的程度。

宇航员亚历山大·格斯特（右）与NASA耗资600万美元的AI聊天机器人CIMON互动

自动化意味着软件，而且是大量的软件。要将火星飞船上的系统自动化，将是一项艰巨的任务，就像试图把客机的自动驾驶扩展到让它去经营机场的特许商店、行李提取和航空公司养老金计划一样。可能的结果是一个类似国际空间站那样的大杂烩——软件以不同的严谨程度进行测试，运行在数百个处理器上。但这些硬件将暴露在比国际空间站苛刻得多的辐射环境中，这使得软件设计与集成成为一项特殊挑战。

自动化问题的一个特例出现在长期驻留任务中，届时环绕飞行的飞船必须在乘组于火星表面停留的一年半时间里，自行保持不受霉菌、真菌和太空浣熊的侵扰。任何拥有度假屋的人都知道，这个在火星文献中被称为“静默飞行”的问题，在地球上就已经很难解决。

如果管理不善，自动化、复杂性和可靠性之间的相互作用会进入一种病态螺旋。给系统增加软件会使其更复杂。为了保持可靠，复杂系统必须能够优雅降级，即单个部件失效时整体仍能继续工作。但这些降级模式以及它们之间意想不到的相互作用，又会引入新的复杂性，而这些复杂性又必须用软件来管理，如此循环往复。

结果是，自动化本身就构成了在真正前往火星之前进行全时长模拟任务的另一个独立理由。在如此复杂的系统中，缺陷太多，不可能全留给第一批火星乘组去发现。

影响

我概述的对自主、可靠性和自动化的极端要求，对于深空探测器的设计者来说是老生常谈。太阳系中充满了发射数十年后仍在安静地发回信号的硬件，最引人注目的是已有46年历史的“旅行者”号探测器。

但从未有人尝试过把一箱大型灵长类动物绑在深空探测器上，并设法让他们活着、开心，而且不在社交媒体上抱怨NASA把他们送进了茫茫虚空等死。火星飞船将是人类建造过的最复杂的造物，比以往任何空间探测器都要大上约一百倍，而它的内部将是一个由软件、硬件、细菌、真菌、宇航员以及（在任务的一半时间里）乘组带回飞船的各种物质紧密耦合的系统。

设计这样一台机器，意味着要把一件处于人类能力边缘的事（建造行星际探测器）与一件我们在地球上都还做不到的事（用再生式生命保障让六到八人存活数年）结合起来。^[14]

我的论点并不是说这不可能做到，而是说不可能很快做到。火星准备工作将是一个迭代的、开放式的事业，每一轮测试都要耗费数年时间和我们大部分的太空预算，就像之前的“阿尔忒弥斯”计划和国际空间站一样。火星计划的头十年将与过去四十年的载人航天别无二致——一系列重复的、在轨长期任务。NASA唯一需要改变的只是项目名称。

这也不是可以外包给亿万富翁业余爱好者的问题。无论火箭上印着谁的标志，生命保障都将是一场苦战。即便天空布满“星舰”，我们仍会被困在这些漫长的“无处可去”的全系统试飞中。

在我们有生之年探索火星的唯一方法，就是放弃让人随机器同行的要求。

选择哪种方案

但既然我们决心要去火星，又有两种方案可选，哪一种更好呢？

大家都同意，只有长期驻留方案才适合探索。花95%的时间在途中，只为在目的地匆匆停留几周，是没有意义的。

但在以让乘组活着回来为目标的早期任务中，选择就很棘手了。

长期驻留

长期驻留方案的好处在于简单。你把火箭飞到火星，等待17个月让行星对齐，然后沿同样的轨道飞回来。转移飞行的每一段都大约相当于一次国际空间站的驻留时长，而且可以通过多消耗燃料来微调转移时间（不过乘组随后就必须在火星上停留更久作为补偿）。

在任务的每个阶段，飞船都保持在距太阳1至1.5天文单位的范围内。这简化了热控和太阳能电池板的设计，并大大降低了乘组遭遇太阳风暴的风险。

但如何打发在火星上的漫长时间却是个棘手的问题。500天对于首次在任何地方的停留来说都是很长的时间，即便是有夜生活和大气的地方也是如此。而且如我们将看到的，轨道任务很可能行不通。要求乘组在首次访问时就到火星上生活，极大地增加了风险。

短期驻留

短期驻留方案的吸引力正在于名字本身。第一批到达者不必在火星上待到要报税才离开，可以插上旗子、捡起梯子边最近的一块石头就赶紧走人。或者他们也可以选择跳过着陆，让第一次飞行 strictly 成为轨道飞行，遵循航天工程中将不可能的任务分步尝试的传统。

但短期驻留方案的问题在于回程。返回轨道会深入到金星轨道以内，使飞船设计复杂化，并在近日点附近的数周内为乘组增添了惊险的致命风险。在那段旅程的大部分时间里，飞船位于太阳的另一侧，妨碍了与地球的通信，同时让乘组对太阳风暴毫无预警。

而且那批乘组必须在深空中连续度过两年，使他们暴露于辐射和失重的最大化影响之下——这是已知的对宇航员健康最大的风险。

短期驻留方案还需要更多推进剂，在某些年份甚至多到令人望而却步。如果你的火星风险缓解策略是在每个会合周期都发射乘组，以确保始终有潜在的救援者在前往火星的途中，那么这就是个问题。

未来不同发射日期下短期驻留与长期驻留任务的速度增量需求对比图。由于推进剂需求随速度增量呈指数增长，2041年的任务所需推进剂是2033年的五倍。来源“

绕轨还是着陆？

一旦选定了方案，另一个要做的决定是是否让飞船着陆。

显然你最终必须让乘组着陆；如果不着陆，其他国家的航天计划会嘲笑你，国会听证会上也会出现刻薄的质问。

但由于完成一次火星之旅需要攻克一系列互不相关的问题（抵达、进入、着陆、表面作业、起飞、交会），首次任务只做绕轨飞行，把问题减半是有道理的。这正是阿波罗计划所采取的方法——在可用的登月舱问世之前，先让第一批乘组绕月飞行。

首次任务不必携带着陆器，意味着有更多空间装载备件和消耗品，从而提高了乘组的安全裕度。这也为工程师争取了时间，去攻克进入、着陆、静默飞行和起飞等难题，而不必让整个计划停滞。

但反对轨道任务的理由也很充分。既然去火星的风险很大程度上就是时间的函数，为什么要不必要地多掷一次骰子？而且考虑到费用和对乘组身体的损耗，又怎能不尝试着陆呢？想象一下开车去迪士尼乐园，到了停车场却掉头往回开，并向家人宣布明年再来一次真正的旅行。后座上会有人愤怒地踢座椅，甚至发生哗变。

NASA多年来在这两种选择之间摇摆不定。在2009年的设计参考架构中，他们倾向于让四名乘组执行长期驻留任务。而在更近期的计划中，他们设想的是让四名乘组执行短期驻留的精简任务，其中两人尝试着陆。

埃隆·马斯克则提出分阶段解决问题，先让志愿者去定居火星，之后再想办法让他们回家。^[15]

真正让选择变得困难的是，我们对两个关键问题缺乏答案：

1. 人体如何应对部分重力？

数十年的太空经历让我们对长期失重对宇航员的影响以及返回地球后的恢复情况有了相当的了解。但我们对部分重力下的情况一无所知，无论是在月球（0.16g）还是火星（0.38g）上。特别是，我们不知道火星重力是否足以阻止或减缓我们在失重状态下观察到的退化过程。^[16]

这个问题的答案将决定一个关键决策：是否要让飞船旋转。如我们将看到的，让飞船旋转以产生人工重力是个巨大的麻烦，但是否可以避免，则取决于长期部分重力影响这一尚未研究的课题。^[17]

2. 银河宇宙射线中重离子成分对乘组的风险是什么？

太空中的辐射种类繁多，其中大多数通过其在地球上的类似物已得到充分了解。

然而，低剂量重离子辐射是不同的。它在地球上只存在于粒子加速器中，在近地轨道上也很难研究，因为磁层和地球本体屏蔽了宇航员在自由空间中会遭遇的大部分辐射通量。

重离子辐射具有标准组织辐射损伤模型无法涵盖的生物学效应。特别是有一类被称为非靶向效应（NTE）的现象，已知会损伤远离辐射径迹的细胞。这是一种奇怪的效应，就好像你的邻居被车撞了，你却因此住院了。据信非靶向效应会扰乱细胞中的表观遗传信号机制，但这一现象尚未得到充分理解。

对低剂量重离子辐射效应的不确定性使我们对辐射风险的最佳估计至少扩大了一倍。^[18]在范围的低端，这些效应只是个有趣的现象，火星任务可以按传统的辐射暴露模型来规划。在范围的高端，长期轨道任务可能无法幸存，而火星表面的宇航员要么住进洞穴，要么用数米厚的土壤覆盖住所。

接受1年银河宇宙射线照射后的肿瘤发生率预测。底部实线显示标准辐射模型（TE），虚线显示在不同假设下非靶向效应（NTE）的影响。注意在无屏蔽情况下，预测的肿瘤发生率有近三倍的不确定性。来源

这种对生物学效应的不确定性使得辐射成为火星乘组面临的最大未探明的已知风险，并影响着任务设计的方方面面。

把前往火星的三个主要风险因素汇总到一张大表中会很有帮助：

这些表格中的灰色区域代表在决定如何前往火星之前必须填补的知识空白。

这项前期医学研究需要多长时间，谁也说不准，但它必定是任务总时长的好几倍。特别是研究部分重力很棘手——你可以在月球上（火星重力的42%）进行研究并寄希望于结果能推广到火星，或者在太空中建造旋转结构来进行更精确的测试。

研究辐射效应则意味着要在磁层外飞行数年的动物身上观察肿瘤，这（除非辐射方面的消息真的很糟）也需要一些时间。

在软件工程中，我们有一个有用的概念叫“剃牦牛”。要开始一个项目，你必须先准备好工具，这往往涉及重新配置编程环境，可能意味着更新软件，这又需要找到一个久未使用的密码，很快你就会发现自己拿着六角扳手钻到了办公桌底下。（电视剧《马尔科姆的一家》对“剃牦牛”在家居维修场景下有绝妙的呈现。）

同样的现象也困扰着我们前往火星的尝试。假如只要有足够的火箭和资金，探险者就能登上飞船出发，那倒也简单。但总有这一连串必要的前提条件。我们在飞船侧面刷上目的地：火星！，结果十年后却发现自己仍在近地轨道上，给老鼠做离心实验。这很令人沮丧。

人们很容易说“直接造就行了”，把所有这些研究和测试斥为胆小和多余。但这将意味着忽视火星最大的风险因素，为了完整起见，我也把它列在这里。

火星之旅如此艰难，以至于我们没有余裕去忽视已知风险——我们需要在风险预算中为那些尚不知需担忧的事情留出一切可能的空间。

我做这一切的目标不是要扼杀一个珍贵的梦想，而是试图推动人们对承诺火星着陆意味着什么形成更现实的看法，特别是要从机会成本的角度来思考火星之旅。

近年来，太空探索出现了显著的分化。在分界线的一边是“好奇号”、詹姆斯·韦布、盖亚或欧几里得等任务，它们每天都在带来新发现。这些项目目标明确，成果斐然。

在另一边，则是国际空间站和已持续二十年的让美国人重返月球的努力。这些项目除了维持人类在太空的存在之外别无目的，却耗掉了国家一半的太空预算而一无所获。别说火星——我们在登月方面甚至比1965年时离目标更远。

在前往火星的问题上，我们可以选择站在这本账的哪一边。我们可以利用自动化和软件领域正在进行的革命，积极用机器人去探索这颗行星，向最有可能存在生命的地方发射能力越来越强的探测任务。

或者，我们也可以继续在过去四十年的跑步机上缓慢前行，慢慢积攒能力，以便把人类送到火星上最安全的一小块土地上，让他们在那里留下铭牌和旗帜。但两者不可兼得。

下期预告：眼睛与骨骼

脚注

[1] 引自2000年对阿伦的一次口述历史。

[2] 一个早期例子见1928年《科学美国人》的文章“我们能去火星吗？”，该文虽然对推进方式的描述不免含糊，但所描述的合日类轨道任务与NASA 2009年的设计参考架构并无本质区别。

[3] 瓦列里·波利亚科夫于1995年着陆的飞行中创造了437天的纪录。国际空间站曾在2002年11月25日至2003年4月2日期间未获补给。九次阿波罗任务曾飞出近地轨道，其中时间最长的阿波罗17号全程12.4天。

[4] 土星五号有能力将约20吨载荷送入火星飞掠轨道。NASA在1967年曾为此类任务（需要四次土星五号发射）进行过初步规划。

[5] 1987年，由萨莉·莱德领导的一个团队提出了“分步/冲刺”任务架构，这可能是前往火星的最佳方式。在该架构中，缓慢飞行的油轮先在火星轨道上预先部署低温推进剂库，然后在下一个会合周期，载人任务（即“冲刺”部分）短暂着陆火星，从轨道库中加注燃料，并在400天内返回。此类任务需要约15次重型发射和两项尚不存在的技术：在太空中长期储存液氢，以及在太空中在飞船之间泵送液氢。（有趣的是，这两项技术都是蓝色起源建造月球着陆器计划的一部分）。
另一种快速前往火星的方法是使用核热火箭。核热火箭本质上就是从一端喷出高温氢气的核反应堆。核热火箭设计比化学火箭效率高约一倍，使得执行更高速度增量需求的任务成为可能。

[6] 关于阿波罗中止模式的全面讨论，见1972年《阿波罗经验报告——中止规划》。

[7] 关于可能的火星中止模式，可参阅《载人火星任务的地火中止分析》。什么样的故障场景才能从长达两年的中止选项中受益，是一个有趣的哲学问题。

[8] 我写了一个小小的Python脚本，你可以自己尝试这些场景。

[9] 国际空间站上的生命保障设备被打包成称为“轨道可更换单元”的组件。在某些情况下，这意味着仅仅因为其中一个微小传感器失效，就必须发射一个重达数百公斤的总成。
以下是2023年日历年内更换的部分轨道可更换单元清单（来源）：

• 节点舱3的热交换器
• 公共舱大气组件的水分离器
• 节点舱3的水分离器
• 公共舱大气组件水分离器的液体单向阀
• 全站21个活性炭过滤器
• 节点舱3的高效空气过滤器
• 二氧化碳去除组件中的鼓风机（更换两次，第一次的更换件失效）
• 节点舱3的样品分配组件
• 质谱仪组件
• 多重过滤床
• 制氧组件中的泵

[10] 空间站上早期的一套尿液再处理器因被来自宇航员溶解骨骼的钙结晶堵塞而失效，这是设计时未充分考虑的失重效应。

[11] 5万条指令的数据来自《国际空间站：在新边疆运营前哨》，这是一本关于空间站运行的详细入门读物。近年来国际空间站的利用率有所提高，但仍低于每周80小时——相当于两个全职人力。七名乘组人员醒着的大部分时间都花在强制锻炼、内务和空间站维修上。

[12] 太空中现有仪器通常只能识别目标清单上10至20种物质，这比识别任意化合物要容易得多。
关于后者的最新水平，见《空间站水质杂质监测仪的有机与无机模块进展——面向载人飞行器的下一代完整水分析系统》（ICES-2023-110）。

[13] 其他神奇的火星技术例子包括航天服的无泄漏密封件、无水洗衣机、防生物膜涂层、可在室温下储存数年的营养完整餐食，以及将二氧化碳转化为数百吨甲烷的自主太阳能工厂。

[14] 封闭式生命保障的耐力纪录属于“生物圈2号”，它让乘组存活了17个月，之后由于与建筑材料发生未预料的相互作用，氧气降至危险水平。

[15] 涉及“星舰”与火星的计划依赖于能在火星表面生产数百吨推进剂以便火箭再次发射。在马斯克或SpaceX未提供任何细节的情况下，我们最接近详细计划的是《自然》上的这篇分析。

[16] 就我们所知，统称为“失重退化”的一系列问题在部分重力下可能会恶化。这有悖直觉，但在太空中已出现过更大的意外。

[17] 另一个取决于部分重力影响的决策是是否在火星表面栖息地配备重型锻炼设备，在那里空间和质量都十分宝贵。