美国的奥德赛飞船重返火星

　　重返火星　《南方周末·科学》2001年4月19日
　　乔阿光编译
　　＂2001火星奥德赛＂起飞
　　北京时间4月8日凌晨，当地时间4月7日上午11点02分，重达758公斤、大小如同一辆小轿车的美国＂2001火星奥德赛＂飞船从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角发射场用＂德尔他＂二号火箭发射成功后，从美国东海岸起飞，然后飞过欧洲，在中东上空飞行器与火箭分离，随后以每秒11.５公里的速度飞离地球。
　　＂奥德赛＂花了三年时间才研制成功，为了避免失败，美国宇航局花了许多额外的钱，使这次发射总价值高达2.９7亿美元，超出预算1500万美元，差不多是1998年10月发射＂火星气候＂飞船的两倍。飞船本身价值为1.５1亿美元。这还没有把它今后两年半飞行工作所需经费算进去。
　　能够洗刷1999年的两次耻辱吗？
　　这次发射是美国宇航局(NASA)在1999年两艘火星飞船失败后，第一次向火星发射飞船。1999年9月23日＂火星气候＂飞船因工程师混淆了英制和公制的计量单位使飞船在火星上空坠毁。10个星期后，也就是1999年12月3日，另一艘飞船＂火星极地登陆者＂在着陆时，因在下降过程中登陆器腿伸开，产生的虚假信号造成登陆器已经登陆的假象，结果当登陆器还在火星上空时，就过早地关闭了发动机，使其坠落在火星上。两次失败的全部损失约为3.７亿美元。
　　事后美国宇航局总结教训，认为问题出在发射前没有足够的资金进行试验，并重新审视了它的火星计划。从喷气推进试验室到美国宇航局华盛顿总部都采取了顶级管理和财政检查措施，缩减了飞行任务，并曾一度计划把技术难度高、危险性大的火星取样试验飞行从2005年推迟到2011年以后(现因火星计划资金增加，又提前到2009年)。
　　 真正的考验在6个月后
　　这次飞船的名字来自1968年的电影《2001年：太空奥德赛》。奥德赛是古希腊神话中一位历经艰险最终回到故里的英雄，后转义指＂长期的冒险＂。凑巧的是1970年美国的阿波罗13在飞往月球时由于一个部件爆炸，差点导致三名宇航员丧生，而这艘阿波罗指挥舱的名字就叫＂奥德赛＂。按中国人的观点，这个名字是不吉利的。
　　美国宇航局为飞船取这个名称，一是因电影名和2001不谋而合，并体现了20世纪60年代的人们对21世纪闯荡太空的向往；二是希望在经历了1999年两次失败的耻辱后，这次对火星的探索能够成功。
　　由于有过前两次失败的教训，美国宇航局对这次发射异常认真，增加了检查人员，反复核查问题，消除一切可能的故障。他们为此花费了1200万美元重新检查了可能导致飞船坠毁的2200个操作过程。为了确保成功，美国宇航局还砍掉了原本与它同行的火星登陆器，把火星登陆器推迟两年发射。
　　如果一切顺利的话，今年10月24日它将到达火星，然后缓慢下降，2002年1月进入火星上空400公里高的极地轨道，这一轨道使它可以掠过整个火星。这时对＂2001火星奥德赛＂的考验才真正开始，也是令研制它的科学家们感到神经紧张的时刻，因为前两艘飞船都是在进入火星轨道时出问题的。
　　＂奥德赛＂面临的四大任务
　　＂2001火星奥德赛＂的研究工作将在2002年1月开始，至少持续到2004年6月。它的任务是：
　　第一，确定火星表面的成分，探测火星上的水和薄冰层，提供追溯火星气候历史的线索。长期以来人们认为火星表面是由石头、土壤和冰的混合物组成，但一直不知道这些物质的精确成分；
　　第二，通过测量整个火星土壤的氢含量，＂奥德赛＂将帮助我们弄清在未来的火星探险中有多少水可以利用，科学家们还希望能够找到间歇式喷泉；
　　第三，收集辐射数据，帮助确定火星的辐射环境对未来的载人火星飞行的潜在危险；
　　第四，它还将为预计在2003年发射的火星漫游器和随后的登陆器选择登陆地点，并成为未来的火星登陆器的通讯工具和行星际互联网的一个节点。它将用两年时间绘制火星表面并测量它的环境。
　　什么样的仪器能够完成任务
　　它所携带的科学仪器：热辐射成像系统(THEIMS)、伽马射线光谱仪(GRS)、火星辐射环境试验装置(MARIE)是它完成任务的保证。
　　热辐射成像系统将用高分辨率照相机和热红外成像光谱仪绘制火星的矿物图和表面的几何图形。它还能找到火星上的热区——比如仍在沸腾的火山或散热风口。最近发现火星过去有过较大规模的火山爆发，增加了在火星找到生命的可能性。科学家认为火星生命可能会由于火山的存在而存在。
　　伽马射线光谱仪用来获取火星全球表面的元素成分。除了水以外，火星上似乎没有其他含氢的化合物。伽马射线光谱仪发出的射线能深入到地下1米寻找冻土层。伽马射线光谱仪使科学家能仔细研究火星的地球化学状况。假如火星过去有过海洋，该仪器就能找到相应的指标。
　　而火星辐射环境试验装置是用来测定火星环境里的辐射状况的。
　　另据塔斯社报道，在＂2001火星奥德赛＂飞船上用于在火星找水的高能中子探测器是由俄罗斯宇航研究所制造的，完全用的是俄罗斯的资金，三国探索火星，美国独占鳌头。
　　飞往火星这颗太阳系里惟一和地球类似的星球是人类多年的愿望。然而在飞向它之前必须了解它。自1960年以来，人类已向火星发射了三十多艘无人飞船，对火星进行了详细的研究，总成功率为40%。
　　前苏联在1960年10月10日向火星发射了世界上第一艘无人飞船，但未到火星即失踪。到1988年为止，前苏联共发射了15艘飞船，失败了11次，只有4艘飞船成功到达火星并取得了一些数据。俄罗斯在1996年发射了一艘＂火星96＂飞船，刚发射完即坠毁。2011年还发射了一艘福布斯-土壤号火星探测器搭载我国第一个火星探测器＂萤火一号＂，结果还不如萤火，连火都没点着。
　　美国自1964年11月至2013年以来发射了21艘无人飞船，其中6艘在到达火星后或在途中出了问题，其他15艘均成功到达，并送回了大量数据资料。＂海盗＂1号和＂海盗＂2号以及＂火星探路者＂则成功地在火星表面登陆。
　　日本在1998年7月4日发射过一艘火星探测飞船，由于推进器问题推迟了到达火星的时间，随后便围绕太阳运转，成了在太空漂泊的小行星。
　　火星面貌仍然扑朔迷离
　　火星探险飞船送回的资料表明，火星上有火山活动的迹象，有古代湖泊、河床及海岸线的踪迹，这暗示着火星曾经是温暖潮湿的。于是出现了两个火星演变理论，一个推测火星曾经温暖而潮湿，有浓密的大气层，后来这些大气流失到太空中去了；第二个理论推测火星一直处于冻结状态，水深藏于地下，当温度周期性升高时，才会在表面出现。去年科学家根据火星全球测量飞船送回的照片分析，认为火星上有沟渠。
　　美国1996年11月发射的火星全球测量卫星现在仍在绕火星运行，差不多每六个月就会传送给我们一个＂新＂火星。火星的地貌远不同于前几年得到的情况，这表明需要重新审视有关火星的过去和现在的理论，研究如何开发火星表面和发射未来的载人火星飞船。
　　 十年内还有六位后继者
　　为进一步弄清火星情况，为载人火星飞行打下坚实的基础，在今后十年里美国还将发射一系列无人火星探测飞船。2003年6月将发射以欧洲宇航局和意大利宇航局为主、美国宇航局参与的＂火星快车＂飞船。它将携带一个＂甲虫＂2号登陆器和1996年因搭载俄罗斯＂火星96＂而坠毁的火星地震仪。
　　本文编译自美国宇航局火星探索网站(http://mars.jpl.nasa.gov/)4月8日雅虎新闻网提供的美联社、路透社等网站的新闻、美国空间网（http;//www.space.com）、该年3月24日俄罗斯tomsk城市网航天新闻（http://city.tomsk.net/space/first.htm）和4月7日俄罗斯航天百科全书网航天新闻（www.ipclub.ru/space/hotnews/）以及《科学美国人》2000年3月号。
　　后记：奥德赛火星探测器于2001年4月7日发射升空后，于当年10月进入火星轨道。2008年中国人郑人元成功操控美国＂奥德赛＂号火星探测器，对火星进行高清拍摄。
　　在本期《南方周末》上刊登的《人类如何登上火星》一文系由以下文章综合编写，为节省篇幅，并让读者了解更多资讯，我就不展示《南方周末》上的此文了。
　　飞向火星多艰难
　　科学难当火星探险的主角
　　探险自古以来以其艰难获得的成就而赢得众人瞩目，人们只看到它们辉煌成就的光明面，而忽略了它们之所以能成功的政治经济动力。比如，克利斯托夫·哥伦布是为寻找传说中黄金和香料满地的印度、为西班牙争得更多的荣誉才得到西班牙政府的资助，才有财力和物力冒险向西航行，从而发现新大陆的。美国是为了在冷战时期的美苏技术力量对比中占上风，才不惜斥巨资完成了宇航员登月计划。在这些探险里唱主角的实际上是政治和经济，而不是公众所看见的科学成就。
　　现在轮到火星成为人类下一个探险目标，却不幸地失去了政治经济动力。冷战已告结束，美国无须和谁在征服太空上进行竞争，相反在大型探险上进行国际合作的呼声日高，火星探险恐难例外，因而即便成功，美国也不能独占鳌头，可图之名不大；火星探险耗资巨大，耗时又长，仅来回一次就需几年，短期内难以获得经济回报，可得之利不多。更不用说，要在这样长的时间里维持公众对它的关注不容易，更难保证在此期间的政权更替对它没有负面影响。没有了政治和经济的需求，本应在探险中起巨大作用的科学似乎在火星探险中真正要当一回主角了。但研究科学的科学家虽有智慧，却无经济实力。要想探险就需政府或企业投资，于是政府和企业乃至整个社会就自然提出一系列问题：人类只能在火星上做这些实验吗？非要把宇航员送上火星吗？用遥控飞行器不行吗？这些实验能提供广泛而深入的资料来证实让人穿越巨大的太空的花费是值得吗？
　　这么一来，科学家们首先不得不投入是否必须由人亲自登陆火星探险的争论。这场争论已在美国著名杂志《科学美国人》http://www.sciam.com
　　上展开，1999年它的第三期刊登了一篇认为用机器人即可完成揭开火星生命奥秘的文章，今年它的第三期又刊登了五篇文章论述载人火星之行的必要和方案。下面就是他们的回答：
　　1.火星探险的目的——探索生命起源
　　火星全球测量器去年拍下了火星上的一条深沟，表明它几百甚至几千年来一直被水浸透着，这是火星上肯定有过液态水的可靠证据。由于在一个来自火星的陨石上发现细菌的痕迹，生命是否曾存在于此，是否直到现在还存在的问题是火星研究的主要目的。假如能确认生命独立地出现在火星和地球上，那么就会给宇宙中普遍存在生命提供第一个具体线索，生命起源的秘密是所有科学中最深的奥秘之一。
　　2.载人火星之行绝对必要
　　自1964年以来美国和其他国家就不断向火星发射了遥控探测器，揭开了火星的许多秘密。加之登陆火星之艰难和费钱，有人便提出无须登陆火星，用遥控飞行器或机器人便可揭开火星生命有无的奥秘（见《科学美国人 》1999年第三期）。
　　然而许多科学家认为要想找到火星生命的痕迹，必须在未开发的土地上长途跋涉，用尖嘴鹤挖掘，打开石头，去除有生命痕迹的页岩上的页层，轻轻地扫去上面的尘土，这远不是机器漫游器能做到的。
　　如果火星有生命的话，可能存在于很深的地底下。因为火星大气里含有可能是过氧化氢的强氧化物的痕迹，致使火星土壤的上层没有有机物，微生物只能在火星地底下防止受到氧化物和紫外线的伤害，所以搜寻火星微生物必须挖掘到火星地底下去。虽然最近的几个自动控制器都配备了能钻探到岩石下几厘米和能挖掘土壤下几米深的自动控制设备。但是，研究者们必须从火星土壤下几百米甚至几公里处取到样品，才能有根据说火星有无生命存在，人不亲自到火星上去是不可能完成这样的工作的。
　　当然，也很难预计机器人在今后五年到十年的能力。不过今天由NASA送到火星上的机器人远达不到要求。漫游车的工作能力也很有限，在探路者号未停止供电前，漫游车也只能在着陆点周围106米的范围内活动，目前，最好的机器人的智力还比不上一只蟑螂。
　　对机器人进行远距控制使其传感器和控制系统能代替人的眼睛、耳朵和四肢的方案似乎很诱人，然而不幸的是从火星到地球的通讯来回一趟要40分钟之久，这对严肃的野外科学工作是远远不够的。
　　可见载人火星之行是揭开火星奥秘必须要走的一步。但载人飞行的问题是花钱多。即便是最省钱的火星直接登陆计划也需要200亿到550亿（其实美国国会批给美国干涉科索沃的钱就是240亿）。虽然载人飞行更花钱，但它也更有效。把人送上火星去搜集地质样品比机器人多花十倍的钱，但会在1000倍大的范围里采到100倍多的物质样品。
　　当然，这并不排除机器的作用。由于火星地域广阔、地貌特别、气候恶劣必须由人机合作才能征服。
　　载人火星之行是如此必要，众多既省钱又安全的方案就接踵而出：
　　载人火星飞行的方案
　　火星是地球的近邻。但它的运行轨道在地球的运行轨道之外，火星绕太阳一周的时间是687个地球日，火星和地球两次相邻的接近时间之间的间隔是两年零50天，即26个月也就是780天。火星和地球一般距离在8000多万公里以上，只有在火星大冲时两者距离才最近，在5000到6000万公里，而这要每隔15到17年才有一次。飞往火星，单程需近一年，最好的发射时机每隔一年才有一次，到火星后，要想返回，也要隔一年半才有合适的时机。这就是说宇航员到达火星后，至少要在火星上呆一年半。飞向火星从技术上来说并不比登月复杂，只是所需燃料和给养大大多于登月。
　　1952年火箭研究的先驱者冯·布劳恩预言飞离地球需要用重量为37200吨的普通化学火箭把飞船送上天。就是拖这样的飞船进入地球轨道，也要花几千亿美元。
　　自那以后设计者们采用更有效的核火箭或电磁火箭、减少宇航员的数目和在火星上制造燃料等措施来减少开支。现在最便宜的方案是火星直接登陆计划，起飞价只要200亿美元。前后用十年，每次飞行加2亿。NASA自己的计划采用了许多火星直接登陆计划的思想，但报价比它高两倍，因为它考虑了额外的安全措施，飞行员的数目也多（是六个）。
　　NASA计划的最新版要用三个飞行器：一个是无人运输登陆飞船，它将把一个起飞船和推进剂厂送到火星上；一个是空的载人飞船，它将留在火星轨道上；一个是转移机组飞船（CTV）。假如，前两个飞船成功到达火星，那么在第一个飞船起飞26个月后，最后一个飞船就将发射。转移机组飞船CTV把宇航员送到火星去，和原先空着的载人登陆船会合。宇航员更换到此载人飞船上去，然后在火星着陆。而转移机组飞船CTV则留在火星轨道上，等着把他们送回家。每隔26个月另一组三个飞船就出发最终建成永久定居的基地。
　　以上几个计划的估价都比国际空间站或登月计划便宜，然而目前NASA却未得到社会和政府对这一计划的支持。怎么办？＂公＂路不通，走＂私＂路，于是，出现了一个——
　　私人集资的《火星协会》http：//www.marssociety.org/
　　1998年热心火星事业者建立了《火星协会》，动员公众支持人类开发火星并募集私人资金参与开发。由于加拿大北极地区的德文岛的地理和气候都类似火星，NASA的科学家早已对此地感兴趣。《火星协会》目前正在此地的一个陨石撞击坑建造火星模拟基地。《火星协会》的火星北极研究站将对此地环境进行大规模地调查，研究人类的火星探险策略，并提供住房、地面移动系统、光电系统和特制钻架等原型设备进行野外实验。
　　他们希望通过此计划获得社会信任，使社会扩大对火星探险的投资。最后争取在飞向火星的无人飞行计划，以及最后的载人计划中和NASA或其他政府机构分摊资金。
　　还有一个麻省理工学院和哈佛商学院的学生建立的组织——ThinkMars。他们提议成立一个可赢利的公司来管理飞往火星的工程，把各项工作承包给私人公司和NASA的研究中心。让美国和其他国家的政府可以较便宜的价格购买火星飞船的座位或货物空间。有人认为这是一个最完善的方案。可见科学要当探险的主角是多么艰难啊！
　　到火星探险宇航员应该从哪儿飞向火星？这个问题似乎问得有点怪。到火星探险不从地球飞到火星还能从哪儿呢？然而在1981年火星会议上有刺激性的结论之一是认为可以——
　　从火星的月亮飞向火星
　　两全其美的火星月亮空间站
　　在载人火星探险中最流行的方案是用一对飞船。第一个飞船把推进剂和其他笨重部件如居住舱和返回舱送到火星上或火星轨道上。第二个载人飞船把宇航员送过去。载人飞船和载物飞船分别飞向火星后怎么联系呢？
　　一是采用类似早期的阿波罗方案，留一个大型飞船在火星的低轨道上飞行，宇航员乘小登陆艇登陆，返回时上大飞船间接飞回地球；二是设计可长时间地在火星附近停留的类似俄罗斯和平号的火星轨道空间站，宇航员可借助它登陆和返回地球。这两种方案虽安全，但由于费钱等种种原因迫使宇航员尽早返回。
　　于是有人提出了火星直接登陆计划，在火星上生产燃料，建立基地，甩掉了这个大飞船。这虽然省钱，没有了后顾之忧，但安全性差点。怎样才能两全其美呢？
　　那就是利用老天爷送的大飞船或叫空间站——火星的两个卫星德莫斯和福布斯。它们体积小，重量轻，重力场小，在它上面进出火星，和大飞船一样方便，还有种种想不到的好处。这一方案在价格和收益上达到了平衡，有可能为科学提供最大的回报。
　　德莫斯
　　德莫斯是太阳系里最小的卫星（直径12.6公里）。在火星两月亮中处于外圈，离火星较远（23459公里）。据说可能是被木星推入火星轨道的小行星。它不是标准的圆球，长宽高分别是15、12.2、11公里。德莫斯的希腊文原意为＂惊慌的＂，在希腊神话中它是火星和金星的儿子。如把德莫斯作为天生的的火星轨道空间站，它会成为最出色的火星研究基地。因为德莫斯围绕火星转一圈是30小时18分，而火星自转一圈是24.6小时。它和火星这种近似同步的运动使宇航员可直接和在火星上的漫游车进行一次长达40小时左右的联系。在德莫斯上宇航员还可部署和控制大气探测器、勘探火星表面下情况的穿透器和漫游车。德莫斯上的基地由太阳能板、实验室及居住屋组成。太阳能板能跟踪太阳、随太阳旋转。德莫斯的重力场很小，实验室只需用螺钉卯住即可。居住屋需埋入地下以防辐射。有关德莫斯的情况，可看：
　　http://seds.lpl.arizona.edu/nineplanets/deimos.html。
　　福布斯
　　福布斯离火星较近（离火星中心9378公里）也不是标准的圆球，长宽高分别是：27、21.6、18.8公里。其名希腊文原意是＂害怕＂，在希腊
　　神话中也是火星和金星的儿子。
　　可是它绕火星运行速度较快，公转一圈只要7小时39分。因而失去了作为最出色基地的优势。但宇航员在任一个火星月亮上都不用担心被任何形式的火星生命污染，可以从容地分析带回来的样品。有关福布斯的情况可看：http;//seds.lpl.arizona.edu/nineplanets/phobos.html
　　火星月亮空间站的优越性
　　火星月亮上现成的真空使质谱分析仪和电子显微镜工作起来很容易。德莫斯上微不足道的重力又使宇航员很容易搬家以躲避太阳磁暴和陨石雨。同时这些火星月亮本身也有值得研究之处（见 1977年2月的《科学美国人》http://www.sciam.com ）
　　相对来说，在火星表面的基地上工作有许多障碍。漫游车四处漫游仍然不可避免要通过遥控来指挥它们的行动，这还需要卫星通讯系统的帮助，否则会延误指挥。从遥远的定居地把样品送回基地更困难，在夜晚或尘暴期间需用沉重的后备电池和核发动机为基地提供电力，而科学家设想的位于德莫斯北极附近的陨石坑基地终年都有太阳照射。
　　从科学和探险的角度来看把火星月亮作为空间站和探险基地，从那儿飞到火星表面去探险能实现载人火星飞行的大部分优越性。只要用一个小飞船就可完成任务，而不需要大型登陆船。这样就缩减了整个飞行的价格。从一个已在轨道上建好的基地上出发，宇航员可更灵活地选择登陆地点。反之，大型火星登陆船要选择一个容易返回地球的地点不是易事，需考虑它的安全。
　　火星直接登陆计划
　　——最便宜的载人火星飞行
　　摆脱阿波罗模式另辟蹊径
　　破除旧规范又套新枷锁，创新之路历来不易。当年众多登月方案都只晓得直接登月离月，离不了花费巨大的火箭及其燃料。阿波罗飞船登月方案别出心裁地在轨道上留下一个大飞船，此飞船就获得了和月球重力场相等的离心力，只用较小的推力较少的燃料就可让它的登月舱进出月球，方便了登月和返地。此法一出，众方皆休，阿波罗方案便成了宇航飞行的典范。众人又把它作为新枷锁锁住了自己的思维，大小各种火星探险方案都离不了那个大飞船。他们也不想想，登月飞行只有几天，而火星探险却是几年，这个大飞船岂不成累赘。首先，多造一个飞船，就多一次发射，就多一笔开支。其次，把它留在轨道上就要大量的给养和燃料，它就成了堵不住的钱窟窿。最后，留在飞船上的宇航员还要面临失重和防辐射等问题，因而迫使火星探险者迅速返回地球。这就是照搬阿波罗方案的火星探险计划遇到的主要困难。
　　1990年当时还在NASA工作的罗伯特·祖柏林和他的同事大卫·倍克尔却大胆地挣脱掉大飞船的枷锁，又回到了当年被否定的直接登陆直接返回的老方案。不过并不是完全重复那些被淘汰的方案，而是创造性地在火星上建一个——
　　全自动的火星化工厂
　　返地飞行器送原料
　　按祖柏林的设想，大约2005年在卡纳维拉尔角发射一个大型运载火箭。当飞船飞出大气层时助推火箭脱落，飞船本身的发动机点火，把一个45公吨无人控制的载荷送到火星上。
　　这个无人控制的载荷就是返地飞行器ERV，是用来把宇航员从火星送回地球的。
　　但这时并无人在飞船上，它携带的是6吨液氢、一套压缩器、一个全自动的化工厂设备、几个大小适中的科技漫游车及一个小型的100千瓦核反应器，这个核反应器安在大漫游车的后部。返地飞行器本身在返回途中要用的甲烷-氧气罐却没装燃料。
　　返地飞行器起飞八个月后到达火星，用空气动力制动技术减速，进入围绕火星运转的轨道，然后用降落伞和制动（减速）火箭在火星表面着陆。它一落地，科学家就在地球上对它遥控，让大漫游车从它里面开出来，开到离它几百米远的地方。接着飞行控制机构打开核反应器，为压缩器和化工厂提供能源。
　　甲烷化和电离生产燃料 在化工厂里从地球带来的氢气，和火星大气（其中95%是二氧化碳）产生反应，生成水和甲烷，免除了长期储存冷冻液氢的麻烦，这一过程叫甲烷化。生成的甲烷被液化储存，水分子被电离成氢和氧。氧留下，以待后用。氢在化工厂里产生更多的水和甲烷。
　　最后这两类反应——甲烷化和电离——将提供48吨氧和24吨甲烷作为火箭推进剂供宇航员返回时用。为保证甲烷和氧充分燃烧，还必须在火星大气里分解二氧化碳获取36吨氧，全过程仅需10分钟。最终将产生总数为108吨甲烷和氧，是从地球带来的原料——6吨液氢的18倍。返回仅需用96吨，留下12吨用于漫游车。还能产生多余的氧，既可用于呼吸，又可用于和地球带来的氢作用转变成水。在火星上生产水和氧大大减少了必需从地球带来维持生命所需的供给。
　　化工厂在火星上选定的地址开始正常工作后，载人飞船就要登陆火星。
　　载人飞船登陆火星
　　＂甜蜜之家＂载人舱安全着陆
　　2007年将从卡纳维拉尔角再发射两个以上的运载火箭，再次把载荷扔在通向火星的路上。第一个仍然是和2005年一样的返地飞行器，另一个是由四个男女宇航员组成的机组驾驶的载人飞船，他们带着可用三年的物品，也带来了一个用压缩的甲烷和氧作动力的地面漫游车。它使宇航员能在袖形环境里作远距离的探险。
　　在旅途中载人舱（＂甜蜜之家＂）和已脱落的前一级火箭之间系着一条绳索，它使整个系统以一定的速度旋转，比如说，每分钟一圈，产生如同火星上一样的人造重力，这样就有助于消除失重对人体健康产生的影响。机组所受的辐射也在可接受范围之内，太阳耀斑辐射可用12厘米深的水或其它物品屏蔽，船上有足够的材料来建造一个大小适中的防磁暴间以应付此类情况的发生。在整个两年半的旅途中残余的宇宙射线大约为50个雷姆，由此产生癌症的危险约为1%，和在同样的时间内由吸烟造成的危害相当。
　　到达火星后，载人飞船扔掉连着运载火箭的绳索用空气动力制动法减速，然后在2005年选定的地点着陆。2005年安置的标志使飞船能准确的在那儿着陆，假如着陆点离开飞行路线几十或几百公里，宇航员仍然能驾驶着漫游车到达那儿。然而假如发生了飞船落到几千公里以外的情况（尽管这不太可能发生），由载人飞船发射的第二个返地飞行器可作为后备系统用。假如这也失败的话，载人飞船上的额外给养使机组人员能活到2009年发射第三个返地飞船和附加的供应。
　　建立火星基地的系列计划
　　假如宇航员按计划到达2005年的位置，第二个返地飞行器将在几百公里外落地。这个新返地飞行器像它的前任一样开始制造推进剂，这次是为了2009年的任务。这次也将携带一个附加的返地飞行器来建造第三个火星点。
　　这样根据火星直接登陆计划，美国和它的国际合作者将每隔一年发射两个大运载火箭。一次为派遣一个四人小组定居火星，另一次为为下一次飞行作准备工作。平均发射速率是美国现行太空飞船发射速率的15%。火星直接登陆计划采用的地外生存战略摆脱了用超大飞船进行载人火星飞行。使飞往火星的难度降到和阿波罗飞往月球相当。
　　飞往火星的男女机组人员将在火星上呆一年半，利用地面漫游车在火星地面进行广泛地勘探。这些漫游车携带着12吨燃料，在一年半内可驱车24000公里，使他们可对火星过去或现在是否有生命，即生命是否仅存于地球还是广泛地存在于宇宙之中作出有根有据的结论。
　　因为无人留在轨道上，机组人员在火星上可得到火星的自然重力，受到火星环境提供的防辐射保护，不需要很快返回地球，可从从容容地工作。在火星直接登陆计划中，火星宇航员将乘坐返地飞行器ERV直接返回地球。随着一系列飞行任务的进行，在火星上留下一连串基地，为人类进一步进行火星探险直至最终在火星定居打下基础。
　　乔阿光编译自《科学美国人》网络版2000年3月号
　　行星际巴士
　　化学火箭以其巨大的推力在登月飞行中出色地完成了任务。然而，在飞向我们的近邻火星及其他星球的旅途中却不太适用了。因为把人送上火星需要许多燃料，化学火箭需要的燃料尤其多。所以所有飞向火星的方案都有在火星表面生产大量燃料以便返回地球这一措施。然而这一措施增加了飞行的危险和复杂。而更强大的等离子火箭还要十年多以后才能用于载人宇宙飞行。
　　于是有两位科学家提出了一个折中方案：在使用化学火箭时利用行星重力场的重力辅助增加推进力。也就是把飞船当作——
　　太空乒乓球
　　我们打乒乓球时都是挥动球拍击打乒乓球来改变球的速度和方向。为什么呢？原来根据牛顿物理学的整个运动系统动量守衡的原则，在球和球拍的运动系统里，球的动量变化和球拍的动量变化一样大。但球拍的质量远远比乒乓球大，所以球的速度变化远远大于球拍。
　　在飞船和行星组成的运动系统里，飞船好比乒乓球，行星好比球拍。球拍打球，就相当于飞船和行星的重力场发生弹性碰撞。碰撞前后，行星的动量变化和飞船动量变化一样大，但由于行星质量远大于飞船，行星的速度就不会有太大的变化，而飞船被撞后的速度就会比飞船最初飞向行星的速度大。而且不仅改变了速度，还改变了方向，于是飞船的的轨道形状也发生了变化。行星的质量越大，飞船的轨道改变得越厉害。太阳系里最大的行星——木星能把飞船相对于行星的方向改变160度。这就叫重力辅助飞行。
　　科学家们常用这种办法改变飞向外太阳系行星的探测器的速度。否则它们是不可能到达这些遥远的行星的。70年代飞行器的设计者在水手10号飞向水星时开始使用重力辅助，它是从金星的重力场得到帮助的。飞向土星的先锋11号飞过木星的附近和旅行者1号都曾利用木星强大的重力场被弹出，旅行者1号现在以每小时62000公里的速度穿越星际空间。
　　虽然在地球和火星之间没有大小合适的物体，但科学家们仍然想出了利用它们自己的重力场帮助飞船在两行星间飞行的办法。当飞船在地球和火星之间循环飞行时，用地球和火星的重力场作为它们的轨道成型器，飞船就像在指定路线上行走的＂巴士＂，在两个行星间运送宇航员和给养。这种＂巴士＂在进入火星轨道时无须减速，返回地球无须从火星表面起飞，大大方便了探险任务的完成。这一思想产生于三十年前，但至今仍继续在新飞行任务中使用。
　　 太空城堡——行星际巴士
　　早在80年代早期就有两位科学家提出在绕太阳运行的轨道上建几个周期性接近地球和火星的长久的空中基地，他们称之为＂城堡＂(左图）。机组人员可在那里居住两年以至更多的时间。在城堡和火星或地球相遇期间来往于行星间的旅行者可使用小飞船（相当于地面上的＂的士＂）在星球和城堡之间往来，这大约只要用一星期或更少的时间。这种城堡可使用离子推进技术，这种推进方式速度慢但效率高，它不适合直接飞往星球、需高速飞行的载人飞船，却适用于靠重力辅助加速的城堡。这样一来，飞往火星就无须携带大量的燃料，也无须为返回地球在火星上生产燃料了。克服了使用化学火箭的弊病。而且，飞行时间还可以缩短。要使城堡有效地利用行星重力场的辅助来加速，同时又能让来往于火星和地球之间的宇航员尽可能缩短旅行时间，就必须精心设计——
　　城堡的飞行轨道
　　曾跟在阿姆斯特朗后面第二个登上月球的宇航员奥尔德林1985年提出一个循环轨道方案，在每次飞过地球时都能充分使用重力辅助。城堡还是围绕太阳运转，但它们的轨道的远日点远在火星之外，这样就能缩短从地球到火星之间的旅行时间，每2.7年它就可与两行星相遇一次，宇航员在两行星间的旅行时间将不到六个月。而直接从地球飞往火星即便在地球和火星最接近时也需近一年的时间。
　　这一方案的缺点是需周期性地对城堡推进，以保持轨道不变。城堡每次接近火星时，火星可能位于太阳系不同的地方。因而城堡里的宇航员必须通过改变城堡轨道的极距线（从近日点到远日点的线）的办法，在接近火星时和它交会，而不至于擦肩而过。
　　奥尔德林后来又继续改进他的城堡轨道。在最近的方案中城堡将以较低的速度在轨道上运转，使得在城堡和行星间旅行可有更多的时间和更大的灵活性。同时改变它原来按照地球-火星-地球-火星的顺序和两行星相遇的方案，从只借助一次地球重力变成了多次和地球相遇，多次借助地球重力，按火星-地球-地球-地球-地球-火星的顺序和两行星相遇，创造性地利用天体运动学来增加在火星和地球上的停留时间。
　　NASA加州喷气推进实验室的邓尼斯· 伯恩斯最近又对奥尔德林的方案作了进一步的改进。因地球绕太阳运转一圈是365天，火星绕太阳运转一圈是687天，地球和火星每26个月即780天才有一次会合机会。他认为在一条轨道上如果有三个城堡，就可以覆盖三个地球和火星的会合周期（大约78个月）。城堡在和火星两次相遇之间五次飞过地球，每年都有一次离开地球的机会。这样一个系统每年都能提供一次从地球飞往火星的机会，而原来要每26个月才有一次从地球飞往火星的机会。
　　尽管太空城堡有这么多优点，但它的造价太高，很难和传统的飞向火星的方案的价格相当。必须有在太空进行大量基本建设的勇气和财力才能把纸上的方案付诸实现。
　　乔阿光编译自《科学美国人》网络版2000年3月号