尽管有《星球大战》、《星际迷航》以及许多其他展示人类在太空中的活跃形象的电影和电视节目，但我们似乎比以往任何时候都更受地球束缚。自上次我们踏足月球已过去 20 多年，而且我们没有任何具体的返回计划。火星现在以可能带有地外生命痕迹的陨石诱惑着我们，但我们很快就能到达那里的机会似乎渺茫。对于渴望摆脱地球束缚的太空爱好者来说，这种情况近乎悲剧。
在我们离开地球的众多障碍中，最令人畏惧的是金钱——或者更确切地说，是金钱的匮乏。在太空飞行中，金钱等同于能量。能量又意味着燃料。尽管听起来很平凡，但限制我们载人航天器往返火星能力的主要因素是我们无法资助一艘足够大的飞船来携带所需的燃料并供宇航员居住数年。
这种情况乍一看可能令人困惑。毕竟，28 年前，我们曾成功地将三名宇航员和两艘太空舱送往月球又返回，而且火箭发动机的威力肯定没有减弱。当然，火星距离地球比月球远约一千倍。但这并不一定意味着以相同的速度旅行会需要一千倍的时间，或者单程近十年——对于任何载人任务来说都太长了。由于地球绕太阳运行的速度大约是阿波罗飞船前往月球速度的 20 倍，因此它为快速将火箭送往火星提供了便捷的跳板。以这种方式利用地球的速度，单程旅行只需六个月到一年，假设飞船相对于地球的速度仅是阿波罗任务的二到三倍。
实现速度的提升似乎很容易，但实际上成本很高。要理解这个问题，需要回顾一下火箭的工作原理。火箭推进取决于一个称为动量守恒的物理定律。简单地说，这条定律规定，如果我把东西从我身边扔出去，我就会朝相反的方向后退。火箭向后喷射物质，所以它们向前反冲。
火箭前进的速度取决于三个因素：a) 推进剂喷出的速度；b) 喷出的推进剂质量；c) 火箭加上剩余燃料的质量。这些因素在我给气球充气时也起作用。如果我不打结就把它放开，空气会迅速排出，将它推向房间。如果气球是用混凝土做的，它就动不了。如果我只给气球充一点气，以至于气球壁张开不大，空气很慢地从后面逸出，它也动不了。
对于气球来说，里面的空气的额外质量可以忽略不计。真正的火箭则不然：它们需要巨大的能量，因此无法忽略燃料的重量。问题就在这里。如果我想更快地移动（而推进剂的速度是固定的），那么我必须向后抛出更多的推进剂。但当我携带更多燃料时，就需要更多的能量来移动这额外的质量，这意味着我需要携带更多的推进剂。加速飞船所需的每一点额外燃料，都需要为现在更重的飞船加速，需要另一小点燃料。以此类推，无穷无尽。
这种无限的燃料叠加是否意味着它将需要无限的燃料才能移动？不。对于远低于光速的速度，只要我不断添加到总数中的增量足够快地减小——在这种情况下，它们确实减小了——结果将始终是有限的燃料量。是的，是有限的，但结果的燃料量也取决于最终飞船相对于推进剂喷出速度的快慢，甚至是指数级的。 (推进剂的速度和飞船的速度是两个完全不同的概念。只要飞船向后喷射物质，它就会继续加速，而不管这些物质的速度有多快。)
当最终速度开始超过推进剂速度时，燃料的成本就会急剧上升。例如，将火箭的最终速度提高到推进剂速度的两倍，将需要增加近 4 倍的燃料。但将火箭的最终速度提高到推进剂速度的四倍，则需要增加 30 多倍的燃料。在这种情况下，根据计算，飞船加上燃料的初始质量将是飞船（不含燃料）质量的 55 倍。实际上，情况更糟，因为设计用于携带更多燃料的飞船通常需要更坚固，因此重量也更大。这些因素通常意味着飞船无法实际携带足够的燃料以超过其推进剂速度的三到四倍的速度飞行。
问题并未就此结束。往返火星的航行至少需要数年时间。这意味着您必须设计一艘能够为宇航员提供足够居住空间、食物和可呼吸空气的航天器。这样的航天器将比阿波罗太空舱重得多，并需要相应更多的燃料。这意味着，即使不需要更快的速度，火星任务所需的净燃料量也将远远超过月球航行所需的燃料量。
然后你还得回来。当阿波罗宇航员去月球时，他们只需要足够的燃料来摆脱月球微弱的引力。火星的引力场强度是其两倍多，部分原因在于您需要几乎与出发旅程一样多的燃料（相对于现在较轻的航天器质量）才能返回。当然，如果您需要将这些燃料带到出发旅程中，那么您必须将它们的质量添加到航天器的初始质量中，并重新计算出发旅程的燃料需求。为了了解由此产生的问题，假设离开低地球轨道后，以每秒三英里的速度相对于地球行驶所需的燃料是飞船（空载）质量的五倍。如果您需要类似的比例才能在返回旅程中加速，那么您必须带着比空载航天器重六倍的航天器（即空载航天器质量加上航天器燃料质量的五倍）降落在火星上。但这又意味着，从地球起飞的初始航天器加上燃料的总质量必须是空载航天器的 36 倍。很快，套用国家空间学会执行委员会主席、火箭工程师鲍勃·祖布林的说法，您就会得到一艘“太空堡垒”。这正是 NASA 在 1989 年首次正式估计往返火星任务成本在 4000 亿至 4500 亿美元之间时所遇到的情况。
以这样的价格，这辈子去火星仍然只是一个不切实际的梦想。幸运的是，祖布林和少数其他太空狂热者提出了一种更好、更实惠的计划，该计划基于一个简单的原则：就地取材。早期探险家和定居者无法携带所有食物和补给，因此他们在探索的国家里狩猎和觅食。祖布林方法的核心是将宇航员送往这颗红色星球，他们乘坐的飞船只有足够的燃料进行单程航行。
谁会愚蠢到签署这样的自杀任务？嗯，这听起来并不像听起来那么疯狂。正如祖布林所指出的，燃料可以在火星表面使用非常简单的技术制造。（事实上，非常简单，祖布林本人并非化学工程师，但他已经在地球上制造了一个工作原型。）火星大气层恰好是 95% 的二氧化碳气体，很容易过滤和储存，在火星地表温度下压缩和加压成液体。祖布林的提议包括携带少量氢气，这仅占返回旅程所需推进剂的 5%，并将其与二氧化碳反应生成甲烷和水。
由于该反应是放热的——也就是说，它会释放热量——因此无需消耗能量来驱动它。只需要镍或钌的催化剂，反应就会自发发生。然后，只需将甲烷和水分离，并通过电解过程将水分解成其组成元素氢和氧。氢气被循环利用；氧气被冷藏和储存。到了回家的时候，只需将氧气和甲烷混合——瞧！——您就有了一种高性能且可以长期储存的火箭燃料。
当然，还有许多其他担忧——往返火星过程中的辐射暴露、火星表面的运输和动力、船员规模等等——但这些只有在您知道能够负担得起旅行时才会出现。祖布林估计，根据您处理这些问题的具体方式，往返载人任务的成本将在 100 亿至 500 亿美元之间。这绝不算便宜，但还在大致可行的范围内。
祖布林的氧甲烷就地生产厂并非唯一选择。位于克利夫兰的 NASA 刘易斯研究中心的工程师们正在研究一种似乎更简单的反应，该反应根本不需要氢气。您可以简单地加热火星大气中的二氧化碳，将其分解成一氧化碳和氧气，然后使用氧化锆膜将两者分离，然后它们可以作为火箭燃料直接燃烧。这有一些缺点。这种燃料产生的能量不如甲烷-氧气混合物多，因此您需要更多。它还必须在高温下制造，这需要太阳能电池或小型核反应堆提供的能量。而且它的燃烧温度太高，大多数现有发动机都无法承受。最后这两点至少是工程问题。一旦刘易斯的研究人员解决了这些问题，这种方法可能会成为首选。
尽管这些计划很有吸引力，但它们仍然没有解决传统化学火箭最大的物理障碍——燃料效率低下。燃料性能以比冲来衡量，即一磅推进剂能够产生一磅推力所持续的秒数。最好的火箭发动机的比冲约为 450 秒。上面描述的甲烷-氧气混合物的比冲为 380 秒，而一氧化碳-氧气混合物的比冲约为 270 秒。在任何这些性能水平下，燃料需求仍然很大，足以严重限制火星任务的有效载荷尺寸——以至于最终的航天器可能需要在太空中组装，并分两到三个独立的部分发射。为了进一步减少所需的燃料量，NASA 工程师正在探索下一代推进方法，遵循“小即是美”的指导原则。
考虑以下挑战：您被困在非常滑的冰面上。回到无冰陆地的唯一方法是使用推进力。您可以非常有效地推开附近的岩石。在这种情况下，大量的质量（岩石）缓慢地远离您，而您则非常快地远离。然而，这假设您不必自带推进装置——大多数人不会选择为此携带一块非常沉重的石头。您可以用几颗乒乓球代替。当您想在冰上移动时，您会解开乒乓球，一次扔一个。您扔出的每个乒乓球都非常轻，无法给您太大的加速度。但是，由于您可以比扔一块沉重的石头扔得更快，而且不仅仅是推进剂的质量重要，还包括它移动的速度，所以当您耗尽乒乓球时，您的速度可能比您使用岩石时更快。
这种理念指导着许多当前高性能发动机的设计。请记住，所需的燃料量取决于您想要的航天器最终速度与推进剂速度之比的指数，推进剂速度越快，所需的质量就越少。所以目标很明确：提高推进剂速度，你就赢了。为此，您需要使用轻质推进剂。
有什么比氢更轻的呢？其分子仅由一个质子和一个电子组成，原子质量为一？氢是我们所知的最轻的气体，因此是扮演乒乓球角色的最佳候选者。这是由刘易斯工程师斯坦·博罗夫斯基领导的核热火箭的核心理念。核裂变反应堆会将氢气加热到非常高的温度（约 4900 度），这将使氢分子以高速喷射出去。博罗夫斯基设想这种火箭发动机的比冲达到 900 秒。
核动力电推进可能是一个更好的选择。在这里，核能将产生热量，然后热量会转化为电能——这正是地球上的核电站现在所做的。强大的电流会将电子从液态氙气或氩气原子中打出，使它们变成带正电的离子，然后离子会通过电场，随着它们前进而加速。（基本原理与物理学家在地球上制造的使亚原子粒子达到接近光速的基本粒子加速器相同。）当离子从火箭发动机的后部飞出时，它们的速度会非常快，以至于比冲达到 5000 秒。它们将是终极的乒乓球。有了这样的发动机，我们就可以用比化学发动机所需燃料少得多的燃料来旅行到行星。
当然，太空梦想家们为实现太阳系旅行想出了无数种方案——太阳帆、核聚变、反物质火箭等等。所有这些最终都可能实现，但在接下来的几十年里，它们很可能仍然停留在幻想的领域。它们肯定不是火星任务所必需的。对于火星任务，我们所需要的只是意愿，以及一种不花大价钱就能实现它的方法。
