將宇宙飛船送往火星非常麻煩。即使在“發射視窗”期間發射——地球和火星的最佳軌道對齊每 26 個月才會出現一次，運輸成本也可能飆升至數億美元。造成如此高昂成本的一個重要因素？在紅色星球上驚險的著陸。以每小時數千公里的速度疾馳的宇宙飛船必須緊急剎車，點燃反向火箭才能進入軌道。此次燃燒可能需要數百磅額外的燃料，這些燃料需要花費鉅額資金從地球運出，並且存在一定的失敗風險，可能會導致飛船掠過火星，甚至直接撞向火星。
這種獲得軌道的蠻力方法，稱為霍曼轉移，在歷史上為資金雄厚的航天機構提供了良好的服務。但在科學預算縮減的時代，霍曼轉移的高昂價格和內在風險顯得具有侷限性。
現在，新的研究提出了一種更平穩、更安全的方式來實現火星軌道，而不會受到發射視窗的限制或超出預算。這種方法稱為彈道捕獲，可能有助於為更多的機器人任務、未來載人探險甚至殖民努力開啟火星邊疆。“這令人大開眼界，”NASA 行星科學部門主管詹姆斯·格林說。“這可能對我們來說是一個相當大的進步，並且真正為我們節省資源和能力，這始終是我們所追求的。”
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彈道捕獲的前提：與傳統的霍曼轉移不同，宇宙飛船不是瞄準火星在其軌道上的位置以在那裡與它相遇，而是隨意地被拋入類似火星的軌道，使其飛在火星前方。雖然發射和巡航成本保持不變，但減速並擊中火星靶心的巨大燃燒——就像在霍曼情景中一樣——被取消了。對於彈道捕獲，宇宙飛船的巡航速度略低於火星本身，因為火星圍繞太陽執行軌道圈。火星最終會悄悄靠近宇宙飛船，透過引力將其捕獲到行星軌道。“這就是彈道捕獲的魔力——就像編隊飛行一樣，”普林斯頓大學訪問副研究員愛德華·貝爾布魯諾說，他是米蘭理工大學弗朗切斯科·託普託的論文合著者，該論文詳細介紹了通往火星的新路徑及其背後的物理學原理。該論文已釋出在 arXiv 上，並已提交給期刊 Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy。
“精巧的舞蹈”
彈道捕獲，也稱為低能量轉移，本身並不是一個新想法。早在四分之一個世紀前在 NASA 噴氣推進實驗室工作時，貝爾布魯諾就為將探測器滑行到月球提出了節省燃料、降低成本的軌道進入方法。一艘名為 Hiten 的日本飛船於 1991 年首次利用了該方法，NASA 的 GRAIL 任務（於 2011 年發射）也採用了該方法。
貝爾布魯諾研究出如何讓地球、太陽和月球相互競爭的引力輕輕地將宇宙飛船拉入所需的月球軌道。可以將所有三個天體都視為在時空中製造碗狀凹陷。透過將宇宙飛船的軌跡與這些碗對齊，使動量沿途減緩，宇宙飛船就可以在最後“滾動”下來進入月球的小碗中，從而在不消耗燃料的情況下輕鬆進入軌道。“這是一場精巧的舞蹈，”貝爾布魯諾說。
不幸的是，在火星（或任何其他地方）進行類似的操作似乎不可能，因為紅色星球的速度比月球快得多。似乎沒有辦法讓宇宙飛船減速到足以滑入火星引力時空凹陷的程度，因為“碗”本身就不是很深，而且本身就是一個移動速度太快的目標。“我放棄了它，”貝爾布魯諾說。
然而，最近在為 NASA 的太空發射系統（旨在將人類送往火星的主要承包商）波音公司提供諮詢時，貝爾布魯諾、託普託和同事們偶然想到了一個主意：為什麼不在火星附近順勢而為呢？將宇宙飛船航行到火星前方一百萬甚至數千萬公里的軌道路徑中，將使火星（及其時空碗）有可能輕鬆進入宇宙飛船附近，從而隨後讓宇宙飛船被彈道捕獲。波音公司對這條通往火星的新穎途徑很感興趣，資助了這項研究，作者在研究中計算了一些數字並開發了捕獲模型。
拓展我們的火星視野
彈道捕獲並不是唯一一種節省燃料的入軌技術。在另一種稱為大氣捕獲的方法中，到達的宇宙飛船會衝入火星大氣層，並讓摩擦力消耗掉其部分過剩速度，而不是僅僅依靠巨大的燃料燃燒來完成這項任務。然而，這種方法需要一個沉重的隔熱罩，這會增加額外的質量，從而增加發射成本，抵消了霍曼轉移抵達時節省的燃料費用。託普託說，彈道捕獲“速度較慢且更溫和”。
因此，與目前的火星探測方法相比，彈道捕獲具有許多優勢。例如，除了避免霍曼轉移的燃料消耗外，它還降低了飛船的危險性，因為飛船不再需要在靠近火星的狹窄視窗中急剎車，從而避免了過沖或欠衝的風險。貝爾布魯諾粗略估計，該方法還將整體旅程的燃料需求降低了 25%。這種減少可以用來省錢，但也可以用來以相近的價格運送更大的有效載荷。將更多質量送入火星軌道意味著可以將更多的機器人探測車、補給品或其他物資送到火星表面。“我們想要做的是利用[彈道捕獲]將更多質量放在地面上，”格林說。“那是我們的夢想。”
避免在罕見的發射視窗期間發射火箭也將是一件大事，因為發射延遲是出了名的頻繁。錯過一個視窗可能意味著火星任務將被擱置兩年，外加浪費的發射準備成本。
為了機器人，也為了人類？
當然，彈道捕獲也存在很多注意事項。使用急剎車直接飛往火星大約需要六個月，而依賴彈道捕獲的行程則需要額外幾個月。無燃燒捕獲高度也相當高——大約在火星上方 20,000 公里處，遠遠超出科學衛星為近距離觀測這顆行星而設立的地點。但是攜帶少量額外燃料可以輕輕地將彈道捕獲的宇宙飛船降低到科學價值高的標準軌道，例如使用霍曼轉移實現的約 100 到 200 公里的軌道——甚至更進一步到達火星表面進行著陸。
對於載人任務，彈道轉移將是一把雙刃劍。一方面，其較長的旅程將增加將人員運送到火星的挑戰。我們已經擔心前往火星的探險家們會被困在罐頭盒裡六個月而發瘋，更不用說吸收不可接受的高太空輻射劑量了。因此，機器人任務似乎將成為貝爾布魯諾和託普託的新型低能量轉移的首批潛在受益者。
另一方面，由於不再需要發射視窗，彈道捕獲可以維持向火星輸送物資的穩定 поток。任何擴充套件的火星居住努力都可能依賴地球提供物資，至少在建立自給自足的農業和製造業之前是這樣。“彈道捕獲將是在載人任務之前或作為載人任務的一部分向火星運送物資的好方法，”貝爾布魯諾說。
NASA 的格林對此表示贊同。“這種[彈道捕獲技術]不僅可以應用於機器人的末端，也可以應用於人類探索的末端，”他說。因此，格林安排貝爾布魯諾在 10 月份與該機構的約翰遜航天中心工作人員談論載人任務如何利用這一概念。
貝爾布魯諾說，從更長遠的角度來看，彈道捕獲將非常適合將衛星放置到“火星靜止”軌道——與地球靜止軌道相同，只不過是在火星（又名阿瑞斯）上。結果是：火星網際網路和手機網路，有人要嗎？如果新的低能量轉移在火星上有效，那麼理論上也可以將其擴充套件到向太陽系中的任何世界批次運送物質。
誠然，這項潛在的突破性研究仍處於早期理論階段。正在進行的工作包括重新計算物理學原理，方法是將對火星飛船產生較小影響的因素（例如木星的引力）納入考慮範圍，而不是僅僅考慮火星本身的引力。NASA 的格林表示，他設想該機構希望在 2020 年代在火星上測試彈道捕獲轉移。
貝爾布魯諾對此寄予厚望。“我在 1991 年發現的通往月球的路線被認為可能是我理論的唯一應用，”他說。“我對這個火星結果感到非常興奮。”