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第175章 人类登月二（第1页）

若在合適的时间从地球发射第一艘循环飞行器，5个月后可抵达火星；大约在第21个月时，它会再次穿过火星轨道，但此时它並不会靠近火星——实际上，此时它离地球更近；第26个月时，它会返回地球轨道；第31个月时，才会再次回到火星附近。我们或许可以考虑在循环轨道上採用有动力的低推力轨道，以改变这种运行模式，稍后我们会详细探討这一点。不过，更简单的方法是再部署一艘循环飞行器，专门负责从火星快速返回地球的航线。

通常我们所说的火星26个月发射窗口，其核心原理与上述循环周期概念一致，只是具体时间安排有所不同。常规情况下，从地球发射后约9个月才能抵达火星，著陆后需等待火星到地球的发射窗口开启（这一窗口遵循另一个26个月周期）才能返回。例如，若在2024年9月26日从地球发射，预计2025年6月11日抵达火星；但令人困扰的是，火星到地球的返回窗口在2024年7月20日就已开启——这甚至在我们从地球出发之前，若此时从火星返回，预计2025年4月5日就能抵达地球。下一个火星到地球的返回窗口则要等到2026年11月11日，返回地球的时间为2027年5月24日。这意味著，船员需要在火星表面等待一年半的时间，才能等到返回窗口——整个航行周期长达971天（32个月），这还未计入从地球出发前的准备时间（为避免因恶劣天气错过发射窗口，以及抵达合適位置进入转移轨道，通常需要提前几天从地球发射）。而第二艘循环飞行器的部署，则能帮助我们缩短等待窗口的时间。

现在，情况会出现一些变化：循环飞行器的轨道周期不必恰好等於一个会合周期——我们並非计划一直乘坐它绕轨道运行，而只是利用它完成从一颗行星到另一颗行星的短途航行。因此，通过部署多艘循环飞行器，並让它们运行在不同周期（例如两个或三个会合周期）的轨道上，我们就能获得更频繁的发射窗口。我们还设想过捕获一些轨道与循环轨道偏差不大的小行星，將其推入循环轨道，然后对其进行挖掘，利用其物质作为防护层和原材料。需要说明的是，地球-火星循环飞行器的轨道可以设置为靠近甚至穿过小行星带，因此它也可用於执行小行星带的探测任务。

这就引出了对有动力循环飞行器的討论：虽然循环飞行器的一大优势是无需持续消耗燃料，但如果飞行器本身已配备核反应堆，那么正如我们之前提到的，就可以利用多余的能量驱动离子推进器，並且只需偶尔补充新的推进剂即可。与化学火箭相比，离子推进器消耗的推进剂质量要少得多，只是推进过程非常缓慢——但循环飞行器（尤其是运行在多个会合周期轨道上，或前往小行星带以外更远天体的循环飞行器）有充足的时间。需要注意的是，在靠近太阳的轨道段，太阳能驱动的循环飞行器也可以实现这一功能，但这类轨道段的长度较短。因此，在这一领域，核动力（无论是核裂变还是核聚变——如果能实现的话）通常是最佳选择，不过通过雷射或微波传输能量也是一种可行方案，太阳能帆板或磁帆同样具有很大的应用潜力。

几年前，伊桑?麦克唐纳研究过一种有动力版本的循环飞行器，假设採用上述低推力推进方式。他计算出一个可能的飞行窗口：2022年2月23日从地球出发，一年多后（2023年3月7日）抵达火星，仅一个月后（2023年4月6日）就从火星启程返回地球，最终在2024年5月20日回到地球。这种方案在火星停留的时间很短，但非常適合船员轮换任务：新船员乘坐穿梭机在一个月內抵达火星表面，与驻火星团队交接物资、帮助新成员適应正在开展的项目，隨后便可搭乘飞行器返回地球。

这种有动力航线还有一个优势：抵达火星时，飞行器相对於火星的速度仅为5千米秒；而常规的无动力（弹道式）循环飞行器，从地球抵达火星时的相对速度为11千米秒，从火星返回地球时的相对速度为6千米秒。这意味著，往返於行星与循环飞行器之间的穿梭机，无需消耗大量燃料就能完成轨道转移。

无论是有动力还是无动力版本的循环飞行器，在轨道上部署多艘（通常是两艘）时效率最高。不过，我们也可以在任意循环轨道上部署一对互补的循环飞行器。瑞安?拉塞尔和塞萨尔?安帕发现了24种地球-火星循环飞行器，其轨道周期为2至4个会合周期；若周期为更多会合周期，这类循环飞行器的数量会更多；此外，还有数百种非弹道式循环飞行器——这类飞行器需要进行一些有动力的轨道机动。

由於这些循环飞行器通常是为特定方向的航行设计的（要么从地球到火星，要么从火星到地球），我们通常將前者称为“上行扶梯”，將后者称为“下行扶梯”。不过，前往金星或水星的循环飞行器是个例外——由於太阳位於太阳系的“底部”，从地球前往这些更靠近太阳的行星，被视为“向下”航行；而柯伊伯带甚至奥尔特云则被视为太阳系的“顶部”。另一个例外是往返於小行星带、柯伊伯带或奥尔特云的循环飞行器——这些区域並非单一的点，而是广阔的盘状、环状甚至球状区域。因此，穿过这些区域的循环飞行器，在往返途中能有很长的时间窗口与眾多天体实现交会，而且不同周期的循环飞行器均可在此类区域运行（以小行星带为例，小行星的公转周期从3年到6年不等）。

奥尔德林还提出了一种改进方案——半循环飞行器，作为弹道式或有动力循环飞行器的替代方案。这种飞行器从地球出发抵达火星后，会进入火星轨道，在此期间充当太空作业基地，之后再启程返回地球。这种方案会消耗大量燃料，但能减轻穿梭机自身的燃料负荷；此外，一些擬议中的引力辅助机动技术，可將燃料需求降低15%。

与我们设想的、能在弹道轨道上运行数百年並多次停靠的大型循环飞行器相比，半循环飞行器的质量可能要小得多，更类似於其他类型的火星任务构想——即飞行器前往火星后停留在轨道上，船员乘坐穿梭机或著陆器前往火星表面探索，完成任务后再返回轨道飞行器。

正如前文所述，循环飞行器的设计可適用於其他行星，尤其適合水星：水星的会合周期短得多，而且在水星轨道附近有充足的阳光可供利用（尤其是对於太阳能帆板而言），因此更容易实现有动力轨道运行。通常来说，前往水星的航行速度更快，航行时间也更短，或许能比其他行星的循环飞行器更早投入使用。

此外，月球也可以作为循环飞行器的目的地。近十年前，巴兹?奥尔德林和安东尼?热內瓦在一篇题为《用於星际巡航飞船的月球自由返回循环轨道》的论文中，探討了这一构想。这篇论文提醒我们，循环飞行器的应用不仅限於围绕同一恆星运行的行星之间，或围绕同一行星运行的卫星之间——经过適当改造，循环飞行器也可用於行星与其卫星之间，甚至拉格朗日点之间的航行。

需要说明的是，多年来有许多人都在致力於循环飞行器的研究，其中包括巴兹的儿子。在缅怀巴兹贡献的同时，我们不应忽视其他人的付出；也不应认为循环飞行器的应用仅限於地球与火星，甚至地球与月球之间——例如，地球与太阳-地球拉格朗日l1点之间的循环飞行器可能会非常实用。我们经常设想在l1点建立大型轨道基础设施，尤其是在其他行星上：例如，为了帮助行星实现地球化改造，我们可能会在目標行星的l1点部署太阳遮光板、透镜或磁体，以冷却金星这样的行星，或加热火星这样的行星；也可能为火星建立人工磁层，以帮助其保留我们可能为其补充的大气层。

在银河系中，几乎適宜居住的行星数量可能远多於完全適宜居住的行星。对於这类行星，我们很可能需要在其l1点建立完善的基础设施，以帮助其实现宜居化改造，而往返於这些行星或其l4、l5拉格朗日点的循环飞行器，將与往返於卫星之间的循环飞行器同样重要（许多行星可能並没有值得一提的卫星）。

我们的月球就是一颗值得关注的卫星，但人类已有半个世纪没有重返月球了。迄今为止，最年轻的登月者查尔斯?杜克出生於1935年。我敢说，这些登月者中仍有在世者，唯一的原因是他们身体健康——这既是他们当初被选中执行登月任务的因素之一，也让他们拥有了令人钦佩的长寿。用於月球任务的奥尔德林循环飞行器，能帮助我们重返月球，並提供稳定的航行保障，其防护设计可应对太空辐射。如果我们在月球建立了永久基地和通信卫星，那么当船员在月球表面执行任务时，就无需再像阿波罗计划那样，让指挥舱在月球轨道待命；而且，航行时间也不必像阿波罗任务那样要求严格的短途。阿波罗11號整个任务从发射到溅落仅用了约8天，阿姆斯特朗和奥尔德林在月球表面停留的时间也仅略多於21小时。

顺便提一句，我们即將迎来罗伯特?戈达德首次液体燃料火箭发射100周年（1926年）。鲜为人知的是，巴兹?奥尔德林的父亲埃德温?尤金?奥尔德林sr。曾师从罗伯特?戈达德学习火箭技术。巴兹?奥尔德林是家中的次子，父子俩分別以“吉恩”和“巴兹”为暱称。吉恩?奥尔德林是一名工程师和物理学家，曾在俄亥俄州代顿市的赖特-帕特森空军基地创立了美国空军理工学院——2000年，20岁的我正在那里攻读物理学学士学位，完成我的本科课程。1969年，罗伯特?戈达德纪念图书馆开馆时，巴兹?奥尔德林为图书馆剪彩；同年晚些时候，他前往月球时，隨身携带了一本微型版的戈达德自传。美国国家航空航天局（nasa）不允许他將这本书留在月球上，於是他將书带回地球，签名后赠予了戈达德的遗孀埃斯特尔。这本书隨阿波罗11號船员完成了完整的月球往返之旅，也为戈达德家族与奥尔德林家族之间的渊源画上了圆满的句號。

在狭窄的舱体中度过3到4天的航行绝非易事，因此没人愿意延长这段旅程——但地球与月球之间的循环飞行器並不会显著增加航行时间，除非我们让飞行器持续搭载船员（我认为这种情况是可能的）。而且，通过增大飞行器尺寸，我们可以大幅提升航行舒適度，例如增加更多防护层，或许还能在地球与月球引力影响之间的区域，设置一个通过自旋產生人工重力的舱段，帮助船员適应重力变化。

月球循环飞行器甚至可能成为一条热门的“巡航航线”——其部分轨道段会从地球向外延伸，再返回地球，中途並不经过月球。这种轨道模式看起来像从地球延伸出的瓣，与行星循环飞行器围绕太阳运行的椭圆轨道不同。1985年，奥尔德林提出的月球循环飞行器採用三瓣式轨道，每26天靠近月球一次，但更频繁地靠近地球——每次轨道循环中，只有一“瓣”轨道会经过月球，另外两“瓣”则处於空旷的太空中。每段轨道的航行时间约为一周，这样的时长非常適合开展太空旅游，从而为月球往返的核心任务提供资金支持。

早在1963年，艾伦?斯特恩就曾提出过四瓣式月球循环飞行器概念。与奥尔德林后来提出的三瓣式设计相比，四瓣式设计的轨道转移时间更长，但所需推力更小——delta-v（速度增量）仅为19米秒（三瓣式设计的推力需求略高）。不过，两者的推力需求都很低（仅为几十米秒，而非千米秒），因此补充燃料相对容易。

除了三瓣式和四瓣式，月球循环飞行器还可以採用其他多种轨道模式。如果我们在月球的l4和l5拉格朗日点（这些位置是极具吸引力的太空开发区域）建立基础设施，那么低动力版本的循环飞行器或许能在空载轨道上，与其中一个或两个拉格朗日点实现交会。

人员往返月球的每段航程约为几天，发射间隔略少於一个月。通过部署多艘循环飞行器，我们可以进一步缩短发射间隔——理论上甚至可以实现每日发射，但实际上，仅一艘循环飞行器就足以满足各类月球任务的需求，让我们能够更频繁地向月球永久基地运送船员和物资。此外，专为月球空间站或月球太空电梯设计的循环飞行器版本，还能为月球探索开闢更多可能性。

以上就是我们今天要介绍的內容——一种重返月球或前往其他行星的可行方案。这一方案的研发，得到了太空探索领域首批先驱者之一（巴兹?奥尔德林）的助力。这位不仅踏上过月球，更用一生的时间帮助他人追隨自己的脚步、探索更遥远星辰的人，为我们勾勒了这一宏伟愿景。