将宇宙飞船送往火星非常麻烦。即使在“发射窗口”期间发射——地球和火星的最佳轨道对齐每 26 个月才会出现一次，运输成本也可能飙升至数亿美元。造成如此高昂成本的一个重要因素？在红色星球上惊险的着陆。以每小时数千公里的速度疾驰的宇宙飞船必须紧急刹车，点燃反向火箭才能进入轨道。此次燃烧可能需要数百磅额外的燃料，这些燃料需要花费巨额资金从地球运出，并且存在一定的失败风险，可能会导致飞船掠过火星，甚至直接撞向火星。
这种获得轨道的蛮力方法，称为霍曼转移，在历史上为资金雄厚的航天机构提供了良好的服务。但在科学预算缩减的时代，霍曼转移的高昂价格和内在风险显得具有局限性。
现在，新的研究提出了一种更平稳、更安全的方式来实现火星轨道，而不会受到发射窗口的限制或超出预算。这种方法称为弹道捕获，可能有助于为更多的机器人任务、未来载人探险甚至殖民努力打开火星边疆。“这令人大开眼界，”NASA 行星科学部门主管詹姆斯·格林说。“这可能对我们来说是一个相当大的进步，并且真正为我们节省资源和能力，这始终是我们所追求的。”
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弹道捕获的前提：与传统的霍曼转移不同，宇宙飞船不是瞄准火星在其轨道上的位置以在那里与它相遇，而是随意地被抛入类似火星的轨道，使其飞在火星前方。虽然发射和巡航成本保持不变，但减速并击中火星靶心的巨大燃烧——就像在霍曼情景中一样——被取消了。对于弹道捕获，宇宙飞船的巡航速度略低于火星本身，因为火星围绕太阳运行轨道圈。火星最终会悄悄靠近宇宙飞船，通过引力将其捕获到行星轨道。“这就是弹道捕获的魔力——就像编队飞行一样，”普林斯顿大学访问副研究员爱德华·贝尔布鲁诺说，他是米兰理工大学弗朗切斯科·托普托的论文合著者，该论文详细介绍了通往火星的新路径及其背后的物理学原理。该论文已发布在 arXiv 上，并已提交给期刊 Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy。
“精巧的舞蹈”
弹道捕获，也称为低能量转移，本身并不是一个新想法。早在四分之一个世纪前在 NASA 喷气推进实验室工作时，贝尔布鲁诺就为将探测器滑行到月球提出了节省燃料、降低成本的轨道进入方法。一艘名为 Hiten 的日本飞船于 1991 年首次利用了该方法，NASA 的 GRAIL 任务（于 2011 年发射）也采用了该方法。
贝尔布鲁诺研究出如何让地球、太阳和月球相互竞争的引力轻轻地将宇宙飞船拉入所需的月球轨道。可以将所有三个天体都视为在时空中制造碗状凹陷。通过将宇宙飞船的轨迹与这些碗对齐，使动量沿途减缓，宇宙飞船就可以在最后“滚动”下来进入月球的小碗中，从而在不消耗燃料的情况下轻松进入轨道。“这是一场精巧的舞蹈，”贝尔布鲁诺说。
不幸的是，在火星（或任何其他地方）进行类似的操作似乎不可能，因为红色星球的速度比月球快得多。似乎没有办法让宇宙飞船减速到足以滑入火星引力时空凹陷的程度，因为“碗”本身就不是很深，而且本身就是一个移动速度太快的目标。“我放弃了它，”贝尔布鲁诺说。
然而，最近在为 NASA 的太空发射系统（旨在将人类送往火星的主要承包商）波音公司提供咨询时，贝尔布鲁诺、托普托和同事们偶然想到了一个主意：为什么不在火星附近顺势而为呢？将宇宙飞船航行到火星前方一百万甚至数千万公里的轨道路径中，将使火星（及其时空碗）有可能轻松进入宇宙飞船附近，从而随后让宇宙飞船被弹道捕获。波音公司对这条通往火星的新颖途径很感兴趣，资助了这项研究，作者在研究中计算了一些数字并开发了捕获模型。
拓展我们的火星视野
弹道捕获并不是唯一一种节省燃料的入轨技术。在另一种称为大气捕获的方法中，到达的宇宙飞船会冲入火星大气层，并让摩擦力消耗掉其部分过剩速度，而不是仅仅依靠巨大的燃料燃烧来完成这项任务。然而，这种方法需要一个沉重的隔热罩，这会增加额外的质量，从而增加发射成本，抵消了霍曼转移抵达时节省的燃料费用。托普托说，弹道捕获“速度较慢且更温和”。
因此，与目前的火星探测方法相比，弹道捕获具有许多优势。例如，除了避免霍曼转移的燃料消耗外，它还降低了飞船的危险性，因为飞船不再需要在靠近火星的狭窄窗口中急刹车，从而避免了过冲或欠冲的风险。贝尔布鲁诺粗略估计，该方法还将整体旅程的燃料需求降低了 25%。这种减少可以用来省钱，但也可以用来以相近的价格运送更大的有效载荷。将更多质量送入火星轨道意味着可以将更多的机器人探测车、补给品或其他物资送到火星表面。“我们想要做的是利用[弹道捕获]将更多质量放在地面上，”格林说。“那是我们的梦想。”
避免在罕见的发射窗口期间发射火箭也将是一件大事，因为发射延迟是出了名的频繁。错过一个窗口可能意味着火星任务将被搁置两年，外加浪费的发射准备成本。
为了机器人，也为了人类？
当然，弹道捕获也存在很多注意事项。使用急刹车直接飞往火星大约需要六个月，而依赖弹道捕获的行程则需要额外几个月。无燃烧捕获高度也相当高——大约在火星上方 20,000 公里处，远远超出科学卫星为近距离观测这颗行星而设立的地点。但是携带少量额外燃料可以轻轻地将弹道捕获的宇宙飞船降低到科学价值高的标准轨道，例如使用霍曼转移实现的约 100 到 200 公里的轨道——甚至更进一步到达火星表面进行着陆。
对于载人任务，弹道转移将是一把双刃剑。一方面，其较长的旅程将增加将人员运送到火星的挑战。我们已经担心前往火星的探险家们会被困在罐头盒里六个月而发疯，更不用说吸收不可接受的高太空辐射剂量了。因此，机器人任务似乎将成为贝尔布鲁诺和托普托的新型低能量转移的首批潜在受益者。
另一方面，由于不再需要发射窗口，弹道捕获可以维持向火星输送物资的稳定 поток。任何扩展的火星居住努力都可能依赖地球提供物资，至少在建立自给自足的农业和制造业之前是这样。“弹道捕获将是在载人任务之前或作为载人任务的一部分向火星运送物资的好方法，”贝尔布鲁诺说。
NASA 的格林对此表示赞同。“这种[弹道捕获技术]不仅可以应用于机器人的末端，也可以应用于人类探索的末端，”他说。因此，格林安排贝尔布鲁诺在 10 月份与该机构的约翰逊航天中心工作人员谈论载人任务如何利用这一概念。
贝尔布鲁诺说，从更长远的角度来看，弹道捕获将非常适合将卫星放置到“火星静止”轨道——与地球静止轨道相同，只不过是在火星（又名阿瑞斯）上。结果是：火星互联网和手机网络，有人要吗？如果新的低能量转移在火星上有效，那么理论上也可以将其扩展到向太阳系中的任何世界批量运送物质。
诚然，这项潜在的突破性研究仍处于早期理论阶段。正在进行的工作包括重新计算物理学原理，方法是将对火星飞船产生较小影响的因素（例如木星的引力）纳入考虑范围，而不是仅仅考虑火星本身的引力。NASA 的格林表示，他设想该机构希望在 2020 年代在火星上测试弹道捕获转移。
贝尔布鲁诺对此寄予厚望。“我在 1991 年发现的通往月球的路线被认为可能是我理论的唯一应用，”他说。“我对这个火星结果感到非常兴奋。”