将人类送往火星或许无需装满燃料：麻省理工学院的一项新研究表明，火星任务可以通过在月球补给燃料，大幅减轻发射载荷。
此前的研究表明，月球某些陨石坑中的月壤和水冰可能被开采并转化为燃料。麻省理工学院研究团队假设，在执行火星任务时已具备此类技术，并发现绕道月球加注燃料可使任务发射时的质量减少68%。
该团队建立了一个模型，用于确定前往火星的最佳路线，其前提是月球上具备资源和燃料生产基础设施。根据计算结果，团队确定了前往火星的最优路线，以尽量减少必须从地球发射的质量——这往往是太空探索任务的主要成本驱动因素。
研究发现，质量效率最高的路径是：载人飞船从地球出发时仅携带刚好能进入地球轨道的燃料。随后，月球表面的燃料生产工厂将把燃料运输船发射入太空，并使其进入引力轨道。这些燃料运输船最终将被前往火星的乘组接应；乘组随后前往附近的加注站补充燃料，最终才飞往火星。
麻省理工学院航空航天及工程系统教授Olivier de Weck表示，该方案偏离了NASA更为直接的“全程携带”路线。
“这完全违背了前往火星的既定常识，即直飞火星并携带所有物资，”de Weck说，“绕道进入月球系统……这非常违反直觉。但从最优网络和宏观角度看，从长远来看这可能非常经济可行，因为你不必把所有东西都从地球运来。”
这一成果基于Takuto Ishimatsu的博士论文，他现为麻省理工学院博士后研究员，研究结果发表于 《Journal of Spacecraft and Rockets》。
遥远的策略
过去，太空探索计划在为任务乘组提供资源方面主要采用两种策略：一是“全程携带”方式，即所有飞行器和资源始终与乘组同行，如阿波罗登月任务；二是“补给策略”，即定期补充资源，例如通过飞往国际空间站的航天飞行来实现。
然而，正如de Weck和Ishimatsu所写，随着人类探索地球轨道以外的太空，此类策略可能难以持续：“在预算受限、目的地距离故土遥远的情况下，周密的后勤策略变得必不可少。”
研究团队提出，前往火星及其他遥远目的地的任务，或可受益于一种以“原位资源利用”为核心的补给策略——即燃料等资源，以及水和氧气等补给品，可在太空探索路线沿途生产和收集。太空中生产的物资将取代原本需要从地球运输的物资。
例如，水冰可能被开采并加工成火箭燃料，目前已在火星和月球上均有发现。
“我们相当有信心这些资源是存在的，”de Weck说，“假设你能够提取这些资源，那么该如何利用它们呢？几乎没有人研究过这个问题。”
在太空中构建网络
为了探究太空中的燃料资源和基础设施是否有利于载人火星任务，Ishimatsu开发了一个网络流模型，用于探索前往火星的各种路线——从直接全程携带的飞行，到沿途一系列加油补给停靠点不等。该模型的目标是尽量减少从地球发射的质量，即使计入燃料生产工厂及需要预先部署的备件质量。
该方法模拟了太空供应链网络中货物和物资（如燃料）的流动。Ishimatsu开发了一种新的数学模型，在用于车辆路径规划的传统模型基础上加以改进。他将该模型加以调整，以适应更为复杂的太空长期任务情境，并考虑了太空飞行特有的约束条件。
该模型假设了一种未来情景：燃料可以在月球上加工，并从月球运送至太空中的会合点。同样，模型还假设燃料补给站可以设在太空中某些受引力束缚的位置，即所谓的拉格朗日点。在给定任务目标（例如一组重量限制）的前提下，模型会在供应网络中确定最佳路线，同时满足基本物理定律的约束。
Ishimatsu表示，该研究表明在太空中建立资源生产基础设施的重要性。他强调，此类基础设施对于首次火星之行或许并非必需。但太空中的资源网络将使人类能够以可持续的方式反复完成这一旅程。
“我们的终极目标是殖民火星，并在那里建立长期、自我维持的人类存在，”Ishimatsu说，“然而，同样重要的是，我认为我们需要在太空中‘铺设一条道路’，以便我们能够以经济可行的方式往返于各星球之间。”
“优化结果表明，月球可能在使我们反复、可持续地前往火星方面发挥重要作用，”de Weck补充道，“此前已有人暗示过这一点，但我们认为，这是第一篇从数学上明确论证其正确性的权威论文。”
NASA载人探索与运营副局长William Gerstenmaier表示，了解途中及抵达火星后可能可用的资源，对于“在近地轨道以外实现可持续的人类存在至关重要”。
“该论文清楚表明，利用水和其他珍贵的太空资源将降低人类探索太阳系的成本，”格斯特迈尔说道，他并未参与该研究。。“NASA此前曾计划利用火星资源来减少在火星上的推进剂需求。此项研究与其他研究一道，表明利用月球资源同样具有潜在优势。”
本文与 MIT News合作发布。刊发本文不代表世界经济论坛认同其中观点。
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作者：Jennifer Chu，MIT News撰稿人。
图片：一名男孩与投射在墙上的火星图像合影。REUTERS/Ali Jarekji。
