2009年10月，一小群機器人太空探索愛好者決定走出舒適區，開始集思廣益，探討將人類送入太空的不同方法。奧古斯丁委員會促使我們採取行動。該委員會是巴拉克·奧巴馬總統在那年早些時候設立的藍帶專家組，旨在審查太空梭及其計劃中的繼任者。委員會報告稱，“美國載人航天計劃似乎走上了一條不可持續的道路。”我們曾在激動人心的機器人探索計劃中工作，該計劃已將人類的觸角從水星延伸到太陽系邊緣。我們想知道，我們是否能為NASA的一些政治和預算挑戰找到技術解決方案。
想法層出不窮：使用離子發動機運送月球基地的元件；向火星衛星火衛一上的機器人漫遊車發射能量束；將大功率霍爾效應推進器連線到國際空間站（ISS）並將其置於火星環繞軌道；預先沿著行星際軌道放置化學火箭助推器，以便宇航員沿途拾取；使用類似《2001太空漫遊》中的探索艙而非太空服；不將宇航員送往小行星，而是將一顆（非常小的）小行星帶到空間站的宇航員身邊。當我們計算資料時，我們發現電力推進——透過離子驅動或相關技術——可以顯著減少人類小行星和火星任務所需的發射質量。
這就像回到了20世紀60年代的NASA，只是少了香菸煙霧。我們討論了我們能做什麼，避免陷入我們不能做什麼的泥潭。在初步分析之後，我們為NASA噴氣推進實驗室（JPL）的同事們組織了一次午餐研討會，綜合了這些概念和計算結果。在接下來的春季和夏季，我們與其他對我們的方法感興趣的工程師和科學家會面，他們為我們提供了改進方法的想法。我們瞭解到NASA內外的人們一直在進行的實驗：從強大的電力推進器測試到輕型、高效太陽能電池陣列的設計。我們的討論不斷發展壯大，並已成為整個航天機構和航空航天工業創新思維浪潮的一部分。
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現在，我們將最有希望的提案與經過驗證的策略相結合，制定了一項計劃，以便最早在2024年將宇航員送往近地小行星2008 EV5，為最終的火星著陸做準備。這種方法旨在符合NASA目前的預算，並且至關重要的是，它將總體任務分解為一系列漸進式的里程碑，使該機構能夠靈活地根據資金情況加速或減速。簡而言之，目標是將機器人科學探索計劃的經驗教訓應用於振興人類探索計劃。
積小步，成巨 leap
奧古斯丁委員會的報告點燃了一場強大的政治鬥爭，最終決定將發射宇航員進入軌道的任務大部分委託給私營公司[參見David H. Freedman的“啟動軌道經濟”；大眾科學，2010年12月]。NASA現在可以專注於變革性技術，並將人類探索推向新的前沿。但是，如果NASA沒有阿波羅登月輝煌時期所享有的政治支援和資源，它將如何前進？
機器人探索中已確立的方法是漸進式的：開發技術組合，使越來越雄心勃勃的任務得以實現。機器人探索計劃不依賴於通往單一目標的孤注一擲的開發路徑，而是利用新穎的技術組合來實現各種目標。誠然，機器人計劃也遭受了自身的錯誤和效率低下；沒有什麼是完美的。至少當政治風向改變或技術創新滯後時，它不會完全停滯不前。人類計劃可以借鑑這種策略。它不必像阿波羅計劃那樣從“一大步”開始。它可以從一系列適度的步驟開始，每一步都建立在前一步的基礎上。
對於某些人來說，機器人探索的真正教訓可能是我們根本不應該派遣人員。如果NASA的唯一目標是科學發現，那麼機器人探測器肯定會更便宜、風險更低。然而，NASA的任務不僅僅是科學；科學只是人類探索更廣泛衝動的一個方面。太空探索具有廣泛的吸引力，因為普通人渴望有一天親身體驗它。機器人探測器只是太陽系探索的第一波浪潮。政府資助的載人任務將是第二波浪潮，第三波浪潮將是尋求財富和太空探險的私人公民。NASA過去的投資開發了當今商業太空競賽的技術，太空艙發射到空間站，太空飛機飛越莫哈韋沙漠 [參見Joan C. Horvath的“經濟型發射”；大眾科學，2004年4月]。NASA現在可以開發我們需要深入更遙遠太空的技術。
靈活性是關鍵詞
我們推薦的路線遵循三個基本原則。第一個是奧古斯丁委員會倡導並得到奧巴馬總統和國會接受的“靈活路徑”方法。該策略用廣泛的可能目的地選擇取代了過去堅持的從地球到月球再到火星的固定路徑。我們將從附近的地點開始，例如拉格朗日點（空間中物體運動與引力平衡的位置）和近地小行星。
靈活路徑呼籲採用新的運載工具技術，尤其是電力推進。我們建議使用太陽能電池板供電的霍爾效應推進器（一種離子驅動器）。類似的系統推動“黎明號”探測器飛往巨型小行星灶神星，並將於2015年將其送往矮行星穀神星[參見Edgar Y. Choueiri的“電力火箭的新曙光”；大眾科學，2009年2月]。傳統的化學火箭產生強大但短暫的氣體噴射，而電力發動機則發射溫和但穩定的粒子流。電力使發動機更高效，因此它們使用的燃料更少。（想想太空普銳斯。）由於這種更高效率的代價是較低的推力，因此某些任務可能需要更長的時間。一個常見的誤解是，電力推進對於載人航天來說太慢了，但有一些方法可以解決這個問題。我們在第一次頭腦風暴會議上提出的想法是，使用機器人電力推進拖船在軌跡的關鍵點放置化學助推器，就像麵包屑的蹤跡一樣；一旦蹤跡鋪設好，宇航員就可以出發並沿途拾取助推器。透過這種方式，任務既獲得了電力推進的燃料效率，又保持了化學推進的速度優勢。
至關重要的是，電力推進可以節省資金。由於飛船不需要攜帶那麼多推進劑，其總髮射質量降低了40%到60%。在第一級近似中，太空任務的價格標籤與發射質量成線性比例。因此，將質量減半可能會將成本降低類似的比例。
許多太空愛好者想知道，既然火星是每個人最喜歡的目的地，我們為什麼要費心訪問小行星。實際上，小行星是實現火星目標的漸進式方法的完美目標。數千顆小行星散落在地球和火星之間的空隙中，為進入深空提供了名副其實的墊腳石。由於小行星的引力非常微弱，登陸小行星所需的能量比到達月球或火星表面所需的能量要少。進行長期的行星際探險（6到18個月）已經夠困難了，更不用說還要開發精密的飛行器來著陸和再次發射升空。小行星任務讓我們專注於我們估計的對於人類遠離地球最遠距離來說最複雜（且尚未解決）的問題：學習如何保護宇航員免受零重力和太空輻射的有害影響[參見Eugene N. Parker的“遮蔽太空旅行者”；大眾科學，2006年3月]。隨著NASA在應對深空危險方面獲得經驗，它將能夠更好地設計火星表面任務的飛行器。
使用200千瓦（kW）的電力推進系統，宇航員可以訪問幾個具有科學意義的小行星，飛行時間從六個月到一年半不等，這相對於我們目前的能力來說是一個合理的進步；國際空間站目前安裝了260千瓦的太陽能電池陣列。這樣的任務將突破深空屏障，同時朝著火星探索所需的兩到三年飛行時間和600千瓦系統邁出關鍵一步。
我們計劃的第二個指導原則是，NASA不必像20世紀60年代那樣為一切事物發明全新的系統。一些系統，最值得注意的是零重力和深空輻射防護，將需要新的研究。其他一切都可以從現有的航天資產中衍生出來。深空飛行器可以透過組合一些專門的元件來組裝。例如，結構、太陽能電池陣列和生命支援系統可以從空間站上已實施的設計中進行調整。許多私營公司和其他國家的航天機構在這些領域擁有NASA可以利用的專業知識。
第三個原則是設計一個即使某個元件遇到問題或延誤也能保持前進勢頭的計劃。該原則應適用於國會透過的太空政策中最受爭議的組成部分：將宇航員和探測飛行器從地球表面運送到軌道的發射運載火箭。國會指示NASA建造一種新型重型運載火箭，即太空發射系統（SLS）。正如今年9月宣佈的那樣，NASA計劃分階段開發該飛行器，從大約阿波羅土星五號火箭一半的運載能力開始，逐步提高到略高於該火箭的全部發射能力。第一枚SLS發射器，加上目前正在研製中的獵戶座飛船，可以搭載宇航員進行為期三週的月球軌道和拉格朗日點短途旅行，但在沒有開發新系統的情況下，無法將宇航員送往更遠的地方。
幸運的是，深空之旅不需要等待SLS完成才能開始。現在就可以開始為月球以外的旅行開發所需的生命支援和電力推進系統做準備。透過將這些系統作為早期優先事項，即使在新型火箭仍在開發中，NASA也能夠更好地完善SLS設計的細節，使其更適合深空任務。這些元件甚至可以設計為安裝在商業或國際發射器上，然後在軌道上組裝，就像國際空間站和和平號空間站一樣。現有火箭的使用將產生深空探索的動力。憑藉來自一系列選擇的靈活性，NASA可以在日益有限的預算內進行更多的探索。
任務：2008 EV5
在我們的計劃中，NASA的復興始於構建人類在行星之間旅行的工具——深空飛行器。太陽能離子驅動器提供動力，新型運輸艙提供遠離家園的安全避風港。最基本的深空飛行器將由兩個模組組成，這兩個模組都可以透過NASA新型SLS火箭中最小型的火箭單次發射進入近地軌道。或者，三枚商業上可用的火箭可以完成這項任務，兩枚用於飛行器元件，一枚用於旅行物資。
首次航行具有諷刺意味的是最無聊的。在兩年內，這艘沒有 crew 的飛船被遠端駕駛，沿著從近地軌道到範艾倫輻射帶再到高地球軌道的緩慢螺旋線飛行——這種旅行方式節省推進劑，但對於宇航員來說時間太長且具有放射性。一旦宇宙飛船位於地球引力井的外邊緣，只需輕輕一推即可進入行星際空間，它就可以進行月球飛越和其他機動，以重塑軌道以實現高效出發。然後，宇航員乘坐傳統的化學助推器從地面升空。
對於試飛，宇航員將駕駛飛行器進入幾乎始終保持在月球南極上方的軌道。從那裡，他們可以控制一支機器人探測器艦隊，並調查艾特肯盆地永久黑暗隕石坑中古代冰沉積物的成分。這樣的任務使長期探索經歷考驗，而地球的安全就在幾天之外。在宇航員返回地球后，深空飛行器仍在高地球軌道上，等待加油和整修，以便執行首次小行星任務。
我們已經調查了範圍廣泛的此類任務。有些任務將帶領宇航員前往月球以外的小型物體（直徑小於100米），並在六個月內往返地球。另一些任務將冒險前往幾乎到達火星的大型物體（大於一公里），並在兩年內往返。僅關注較容易的任務可能會限制探索，從而為技術能力設定死衚衕。相反，努力完成更困難的任務可能會因設定遙不可及的目標而永久推遲任何有意義的探索。我們的設計基線介於這兩個極端之間。這是一次為期一年的往返行程，於2024年發射，花費30天時間探索小行星2008 EV5。這個物體直徑約400米，似乎是一種行星科學家非常感興趣的小行星型別——C型碳質小行星，可能是太陽系形成的遺蹟，也可能代表地球有機物的原始來源。
到達那裡的最有效方法是利用地球的引力來實現一種稱為奧伯特效應的古老技巧。它與機器人太空探測器例行進行的軌道插入機動相反。為了為此做好準備，任務控制人員為深空飛行器配備了一個高推力化學火箭級，該火箭級由電力推進的補給拖船從地球運送上來。在火箭級連線好並且宇航員登上飛船後，深空飛行器從月球附近自由落體到地球大氣層上方，以積累巨大的速度。然後，在恰當的時刻，高推力火箭級點火，飛行器在幾分鐘內擺脫地球的束縛。這種機動在飛行器以最高速度靠近地球時效果最佳，因為飛船獲得的能量與它已經行駛的速度成正比。奧伯特效應是離子驅動器比化學火箭更有效規則的一個例外；您需要大量的推力，而且要快，才能充分利用來自地球的引力加速，只有高推力火箭才能提供它。與全化學系統相比，離子推進螺旋和化學動力奧伯特效應共同將逃離地球引力所需的燃料量減少了40%。
一旦宇航員逃離地球，霍爾效應推進器就會啟動，並穩步推動飛行器朝著目的地前進。由於離子驅動器提供連續推力，因此具有靈活性。任務規劃人員可以制定一套穩健的中止軌跡，以應對任務中任何時間點發生的故障。（日本機器人小行星任務“隼鳥號”能夠從幾次事故中恢復過來，這要歸功於其離子驅動器。）如果技術或預算問題阻止我們及時準備好深空飛行器以到達小行星2008 EV5，我們可以選擇另一個目標。同樣，如果我們遇到技術困難，我們將即興發揮。例如，如果高效能推進劑在深空中太難儲存，我們可以切換到效能較低的推進劑並相應地修改任務。任務中沒有任何內容是固定的。
吊艙的優勢
在我們的計劃中，宇航員在小行星上有一個月的時間進行探索。他們可以借鑑深海潛水器的經驗，使用探索吊艙，而不是穿太空服。太空服基本上是大氣球，宇航員不斷地與氣壓作鬥爭，才能進行每一個微小的動作，這使得太空行走非常辛苦，並限制了可以完成的工作。帶有機器人機械臂的吊艙不僅緩解了這個問題，還提供了吃飯和休息的空間。在吊艙中，宇航員可以一次巡遊好幾天。NASA已經在開發一種太空探索車（SEV），可以用作小行星上的吊艙，並且相同的設計稍後可以調整為月球和火星的表面漫遊車。
宇航員進行全面調查，尋找不尋常的礦物露頭和其他有希望挖掘樣本的地方，這些樣本可能可以追溯到太陽系的最早期。NASA希望派遣一支一半是印第安納·瓊斯，一半是斯科特先生的宇航員隊伍：宇航員既要具備發現隱藏在塵埃中的珍貴樣本所需的科學背景，又要具備解決沿途任何問題所需的工程背景。
一個月結束後，離子驅動器推動深空飛行器離開小行星，進入為期六個月的返程軌跡。在到達地球前幾天，宇航員爬進太空艙，與主飛船分離，並設定航向濺落。空的深空飛行器仍然在繞太陽的軌道上執行。它飛越地球，並繼續使用離子驅動器推進，以降低其相對於地月系統的能量，以便當它一年後返回地球時，它可以利用月球飛越重新進入高地球軌道，並等待下一次任務。它的離子驅動器和棲息艙模組可以多次重複使用。
在執行了幾次為期一年的小行星任務之後，對生命支援系統和輻射遮蔽的逐步改進將為火星鋪平道路。首次火星任務可能實際上不會在行星上著陸。相反，它很可能會探索它的兩顆衛星，火衛一和火衛二[參見S. Fred Singer的“透過衛星前往火星”；大眾科學，2000年3月]。這樣的探險本質上是一次延長至兩年半往返行程的小行星任務。乍一看，前往火星而不登陸火星似乎很傻，但登陸會極大地複雜化任務。火星衛星任務允許宇航員在嘗試在火星上著陸、環繞和再次起飛的挑戰之前，先熟練地穿越行星際空間。
工程師們已經提出了各種策略，以最大限度地提高火星表面任務的靈活性並最大限度地降低成本。最引人注目的策略首先是在火星表面預先放置棲息地和探索系統，以便宇航員到達時有一個現成的基地。這些裝置可以透過慢速（離子）船運送。到達那裡後，它將在火星本身上生產推進劑，要麼透過從大氣中蒸餾二氧化碳並將其與從地球帶來的氫氣混合以產生甲烷和氧氣，要麼透過電解永久凍土中的水來製造液氫和氧氣。透過傳送一個可以在原位加註燃料的空返回火箭，任務規劃人員大大減少了從地球發射的質量[參見Robert Zubrin的“火星直航計劃”；大眾科學，2000年3月]。
地球和火星的相對運動使宇航員在火星表面停留大約一年半（地球時間），之後行星才會重新對齊，因此他們將有充足的時間進行偵察。在他們逗留結束時，他們登上裝滿當地製造燃料的發射運載火箭，發射升空進入火星軌道，與源自小行星任務的深空飛行器會合，然後返回地球。該飛行器甚至可以放置在地球和火星之間往返的環行軌道上，利用引力彈弓免費提供所有推進力[參見James Oberg和Buzz Aldrin的“行星之間的巴士”；大眾科學，2000年3月]。
即使預先安置了物資，火星著陸器和返回火箭也極其沉重，需要最大的計劃SLS發射器才能將它們送上路。但是，第一批深空任務可以用更小的部件構建，這些部件在第一枚SLS甚至現有火箭上發射。我們推薦的漸進式方法將最大限度地提高計劃的彈性和讓NASA專注於解決真正困難的問題，例如輻射遮蔽。
NASA現在擁有千載難逢的機會，可以將自身重新聚焦於進入行星際空間的新型航天器。太空探索的最大障礙不是技術，而是弄清楚如何用更少的資源做更多的事情。如果NASA計劃一個技術開發和任務的漸進式序列，這些任務的雄心壯志穩步增長，那麼載人航天就可以在40年來首次擺脫近地軌道，並進入其有史以來最激動人心的時代。透過靈活的規劃，NASA可以開闢一條在漫遊星辰中漫步的道路。