2009年10月，一小群机器人太空探索爱好者决定走出舒适区，开始集思广益，探讨将人类送入太空的不同方法。奥古斯丁委员会促使我们采取行动。该委员会是巴拉克·奥巴马总统在那年早些时候设立的蓝带专家组，旨在审查航天飞机及其计划中的继任者。委员会报告称，“美国载人航天计划似乎走上了一条不可持续的道路。”我们曾在激动人心的机器人探索计划中工作，该计划已将人类的触角从水星延伸到太阳系边缘。我们想知道，我们是否能为NASA的一些政治和预算挑战找到技术解决方案。
想法层出不穷：使用离子发动机运送月球基地的组件；向火星卫星火卫一上的机器人漫游车发射能量束；将大功率霍尔效应推进器连接到国际空间站（ISS）并将其置于火星环绕轨道；预先沿着行星际轨道放置化学火箭助推器，以便宇航员沿途拾取；使用类似《2001太空漫游》中的探索舱而非太空服；不将宇航员送往小行星，而是将一颗（非常小的）小行星带到空间站的宇航员身边。当我们计算数据时，我们发现电力推进——通过离子驱动或相关技术——可以显著减少人类小行星和火星任务所需的发射质量。
这就像回到了20世纪60年代的NASA，只是少了香烟烟雾。我们讨论了我们能做什么，避免陷入我们不能做什么的泥潭。在初步分析之后，我们为NASA喷气推进实验室（JPL）的同事们组织了一次午餐研讨会，综合了这些概念和计算结果。在接下来的春季和夏季，我们与其他对我们的方法感兴趣的工程师和科学家会面，他们为我们提供了改进方法的想法。我们了解到NASA内外的人们一直在进行的实验：从强大的电力推进器测试到轻型、高效太阳能电池阵列的设计。我们的讨论不断发展壮大，并已成为整个航天机构和航空航天工业创新思维浪潮的一部分。
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现在，我们将最有希望的提案与经过验证的策略相结合，制定了一项计划，以便最早在2024年将宇航员送往近地小行星2008 EV5，为最终的火星着陆做准备。这种方法旨在符合NASA目前的预算，并且至关重要的是，它将总体任务分解为一系列渐进式的里程碑，使该机构能够灵活地根据资金情况加速或减速。简而言之，目标是将机器人科学探索计划的经验教训应用于振兴人类探索计划。
积小步，成巨 leap
奥古斯丁委员会的报告点燃了一场强大的政治斗争，最终决定将发射宇航员进入轨道的任务大部分委托给私营公司[参见David H. Freedman的“启动轨道经济”；大众科学，2010年12月]。NASA现在可以专注于变革性技术，并将人类探索推向新的前沿。但是，如果NASA没有阿波罗登月辉煌时期所享有的政治支持和资源，它将如何前进？
机器人探索中已确立的方法是渐进式的：开发技术组合，使越来越雄心勃勃的任务得以实现。机器人探索计划不依赖于通往单一目标的孤注一掷的开发路径，而是利用新颖的技术组合来实现各种目标。诚然，机器人计划也遭受了自身的错误和效率低下；没有什么是完美的。至少当政治风向改变或技术创新滞后时，它不会完全停滞不前。人类计划可以借鉴这种策略。它不必像阿波罗计划那样从“一大步”开始。它可以从一系列适度的步骤开始，每一步都建立在前一步的基础上。
对于某些人来说，机器人探索的真正教训可能是我们根本不应该派遣人员。如果NASA的唯一目标是科学发现，那么机器人探测器肯定会更便宜、风险更低。然而，NASA的任务不仅仅是科学；科学只是人类探索更广泛冲动的一个方面。太空探索具有广泛的吸引力，因为普通人渴望有一天亲身体验它。机器人探测器只是太阳系探索的第一波浪潮。政府资助的载人任务将是第二波浪潮，第三波浪潮将是寻求财富和太空探险的私人公民。NASA过去的投资开发了当今商业太空竞赛的技术，太空舱发射到空间站，太空飞机飞越莫哈韦沙漠 [参见Joan C. Horvath的“经济型发射”；大众科学，2004年4月]。NASA现在可以开发我们需要深入更遥远太空的技术。
灵活性是关键词
我们推荐的路线遵循三个基本原则。第一个是奥古斯丁委员会倡导并得到奥巴马总统和国会接受的“灵活路径”方法。该策略用广泛的可能目的地选择取代了过去坚持的从地球到月球再到火星的固定路径。我们将从附近的地点开始，例如拉格朗日点（空间中物体运动与引力平衡的位置）和近地小行星。
灵活路径呼吁采用新的运载工具技术，尤其是电力推进。我们建议使用太阳能电池板供电的霍尔效应推进器（一种离子驱动器）。类似的系统推动“黎明号”探测器飞往巨型小行星灶神星，并将于2015年将其送往矮行星谷神星[参见Edgar Y. Choueiri的“电力火箭的新曙光”；大众科学，2009年2月]。传统的化学火箭产生强大但短暂的气体喷射，而电力发动机则发射温和但稳定的粒子流。电力使发动机更高效，因此它们使用的燃料更少。（想想太空普锐斯。）由于这种更高效率的代价是较低的推力，因此某些任务可能需要更长的时间。一个常见的误解是，电力推进对于载人航天来说太慢了，但有一些方法可以解决这个问题。我们在第一次头脑风暴会议上提出的想法是，使用机器人电力推进拖船在轨迹的关键点放置化学助推器，就像面包屑的踪迹一样；一旦踪迹铺设好，宇航员就可以出发并沿途拾取助推器。通过这种方式，任务既获得了电力推进的燃料效率，又保持了化学推进的速度优势。
至关重要的是，电力推进可以节省资金。由于飞船不需要携带那么多推进剂，其总发射质量降低了40%到60%。在第一级近似中，太空任务的价格标签与发射质量成线性比例。因此，将质量减半可能会将成本降低类似的比例。
许多太空爱好者想知道，既然火星是每个人最喜欢的目的地，我们为什么要费心访问小行星。实际上，小行星是实现火星目标的渐进式方法的完美目标。数千颗小行星散落在地球和火星之间的空隙中，为进入深空提供了名副其实的垫脚石。由于小行星的引力非常微弱，登陆小行星所需的能量比到达月球或火星表面所需的能量要少。进行长期的行星际探险（6到18个月）已经够困难了，更不用说还要开发精密的飞行器来着陆和再次发射升空。小行星任务让我们专注于我们估计的对于人类远离地球最远距离来说最复杂（且尚未解决）的问题：学习如何保护宇航员免受零重力和太空辐射的有害影响[参见Eugene N. Parker的“屏蔽太空旅行者”；大众科学，2006年3月]。随着NASA在应对深空危险方面获得经验，它将能够更好地设计火星表面任务的飞行器。
使用200千瓦（kW）的电力推进系统，宇航员可以访问几个具有科学意义的小行星，飞行时间从六个月到一年半不等，这相对于我们目前的能力来说是一个合理的进步；国际空间站目前安装了260千瓦的太阳能电池阵列。这样的任务将突破深空屏障，同时朝着火星探索所需的两到三年飞行时间和600千瓦系统迈出关键一步。
我们计划的第二个指导原则是，NASA不必像20世纪60年代那样为一切事物发明全新的系统。一些系统，最值得注意的是零重力和深空辐射防护，将需要新的研究。其他一切都可以从现有的航天资产中衍生出来。深空飞行器可以通过组合一些专门的元件来组装。例如，结构、太阳能电池阵列和生命支持系统可以从空间站上已实施的设计中进行调整。许多私营公司和其他国家的航天机构在这些领域拥有NASA可以利用的专业知识。
第三个原则是设计一个即使某个组件遇到问题或延误也能保持前进势头的计划。该原则应适用于国会通过的太空政策中最受争议的组成部分：将宇航员和探测飞行器从地球表面运送到轨道的发射运载火箭。国会指示NASA建造一种新型重型运载火箭，即太空发射系统（SLS）。正如今年9月宣布的那样，NASA计划分阶段开发该飞行器，从大约阿波罗土星五号火箭一半的运载能力开始，逐步提高到略高于该火箭的全部发射能力。第一枚SLS发射器，加上目前正在研制中的猎户座飞船，可以搭载宇航员进行为期三周的月球轨道和拉格朗日点短途旅行，但在没有开发新系统的情况下，无法将宇航员送往更远的地方。
幸运的是，深空之旅不需要等待SLS完成才能开始。现在就可以开始为月球以外的旅行开发所需的生命支持和电力推进系统做准备。通过将这些系统作为早期优先事项，即使在新型火箭仍在开发中，NASA也能够更好地完善SLS设计的细节，使其更适合深空任务。这些组件甚至可以设计为安装在商业或国际发射器上，然后在轨道上组装，就像国际空间站和和平号空间站一样。现有火箭的使用将产生深空探索的动力。凭借来自一系列选择的灵活性，NASA可以在日益有限的预算内进行更多的探索。
任务：2008 EV5
在我们的计划中，NASA的复兴始于构建人类在行星之间旅行的工具——深空飞行器。太阳能离子驱动器提供动力，新型运输舱提供远离家园的安全避风港。最基本的深空飞行器将由两个模块组成，这两个模块都可以通过NASA新型SLS火箭中最小型的火箭单次发射进入近地轨道。或者，三枚商业上可用的火箭可以完成这项任务，两枚用于飞行器组件，一枚用于旅行物资。
首次航行具有讽刺意味的是最无聊的。在两年内，这艘没有 crew 的飞船被远程驾驶，沿着从近地轨道到范艾伦辐射带再到高地球轨道的缓慢螺旋线飞行——这种旅行方式节省推进剂，但对于宇航员来说时间太长且具有放射性。一旦宇宙飞船位于地球引力井的外边缘，只需轻轻一推即可进入行星际空间，它就可以进行月球飞越和其他机动，以重塑轨道以实现高效出发。然后，宇航员乘坐传统的化学助推器从地面升空。
对于试飞，宇航员将驾驶飞行器进入几乎始终保持在月球南极上方的轨道。从那里，他们可以控制一支机器人探测器舰队，并调查艾特肯盆地永久黑暗陨石坑中古代冰沉积物的成分。这样的任务使长期探索经历考验，而地球的安全就在几天之外。在宇航员返回地球后，深空飞行器仍在高地球轨道上，等待加油和整修，以便执行首次小行星任务。
我们已经调查了范围广泛的此类任务。有些任务将带领宇航员前往月球以外的小型物体（直径小于100米），并在六个月内往返地球。另一些任务将冒险前往几乎到达火星的大型物体（大于一公里），并在两年内往返。仅关注较容易的任务可能会限制探索，从而为技术能力设定死胡同。相反，努力完成更困难的任务可能会因设定遥不可及的目标而永久推迟任何有意义的探索。我们的设计基线介于这两个极端之间。这是一次为期一年的往返行程，于2024年发射，花费30天时间探索小行星2008 EV5。这个物体直径约400米，似乎是一种行星科学家非常感兴趣的小行星类型——C型碳质小行星，可能是太阳系形成的遗迹，也可能代表地球有机物的原始来源。
到达那里的最有效方法是利用地球的引力来实现一种称为奥伯特效应的古老技巧。它与机器人太空探测器例行进行的轨道插入机动相反。为了为此做好准备，任务控制人员为深空飞行器配备了一个高推力化学火箭级，该火箭级由电力推进的补给拖船从地球运送上来。在火箭级连接好并且宇航员登上飞船后，深空飞行器从月球附近自由落体到地球大气层上方，以积累巨大的速度。然后，在恰当的时刻，高推力火箭级点火，飞行器在几分钟内摆脱地球的束缚。这种机动在飞行器以最高速度靠近地球时效果最佳，因为飞船获得的能量与它已经行驶的速度成正比。奥伯特效应是离子驱动器比化学火箭更有效规则的一个例外；您需要大量的推力，而且要快，才能充分利用来自地球的引力加速，只有高推力火箭才能提供它。与全化学系统相比，离子推进螺旋和化学动力奥伯特效应共同将逃离地球引力所需的燃料量减少了40%。
一旦宇航员逃离地球，霍尔效应推进器就会启动，并稳步推动飞行器朝着目的地前进。由于离子驱动器提供连续推力，因此具有灵活性。任务规划人员可以制定一套稳健的中止轨迹，以应对任务中任何时间点发生的故障。（日本机器人小行星任务“隼鸟号”能够从几次事故中恢复过来，这要归功于其离子驱动器。）如果技术或预算问题阻止我们及时准备好深空飞行器以到达小行星2008 EV5，我们可以选择另一个目标。同样，如果我们遇到技术困难，我们将即兴发挥。例如，如果高性能推进剂在深空中太难储存，我们可以切换到性能较低的推进剂并相应地修改任务。任务中没有任何内容是固定的。
吊舱的优势
在我们的计划中，宇航员在小行星上有一个月的时间进行探索。他们可以借鉴深海潜水器的经验，使用探索吊舱，而不是穿太空服。太空服基本上是大气球，宇航员不断地与气压作斗争，才能进行每一个微小的动作，这使得太空行走非常辛苦，并限制了可以完成的工作。带有机器人机械臂的吊舱不仅缓解了这个问题，还提供了吃饭和休息的空间。在吊舱中，宇航员可以一次巡游好几天。NASA已经在开发一种太空探索车（SEV），可以用作小行星上的吊舱，并且相同的设计稍后可以调整为月球和火星的表面漫游车。
宇航员进行全面调查，寻找不寻常的矿物露头和其他有希望挖掘样本的地方，这些样本可能可以追溯到太阳系的最早期。NASA希望派遣一支一半是印第安纳·琼斯，一半是斯科特先生的宇航员队伍：宇航员既要具备发现隐藏在尘埃中的珍贵样本所需的科学背景，又要具备解决沿途任何问题所需的工程背景。
一个月结束后，离子驱动器推动深空飞行器离开小行星，进入为期六个月的返程轨迹。在到达地球前几天，宇航员爬进太空舱，与主飞船分离，并设定航向溅落。空的深空飞行器仍然在绕太阳的轨道上运行。它飞越地球，并继续使用离子驱动器推进，以降低其相对于地月系统的能量，以便当它一年后返回地球时，它可以利用月球飞越重新进入高地球轨道，并等待下一次任务。它的离子驱动器和栖息舱模块可以多次重复使用。
在执行了几次为期一年的小行星任务之后，对生命支持系统和辐射屏蔽的逐步改进将为火星铺平道路。首次火星任务可能实际上不会在行星上着陆。相反，它很可能会探索它的两颗卫星，火卫一和火卫二[参见S. Fred Singer的“通过卫星前往火星”；大众科学，2000年3月]。这样的探险本质上是一次延长至两年半往返行程的小行星任务。乍一看，前往火星而不登陆火星似乎很傻，但登陆会极大地复杂化任务。火星卫星任务允许宇航员在尝试在火星上着陆、环绕和再次起飞的挑战之前，先熟练地穿越行星际空间。
工程师们已经提出了各种策略，以最大限度地提高火星表面任务的灵活性并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预先放置栖息地和探索系统，以便宇航员到达时有一个现成的基地。这些设备可以通过慢速（离子）船运送。到达那里后，它将在火星本身上生产推进剂，要么通过从大气中蒸馏二氧化碳并将其与从地球带来的氢气混合以产生甲烷和氧气，要么通过电解永久冻土中的水来制造液氢和氧气。通过发送一个可以在原位加注燃料的空返回火箭，任务规划人员大大减少了从地球发射的质量[参见Robert Zubrin的“火星直航计划”；大众科学，2000年3月]。
地球和火星的相对运动使宇航员在火星表面停留大约一年半（地球时间），之后行星才会重新对齐，因此他们将有充足的时间进行侦察。在他们逗留结束时，他们登上装满当地制造燃料的发射运载火箭，发射升空进入火星轨道，与源自小行星任务的深空飞行器会合，然后返回地球。该飞行器甚至可以放置在地球和火星之间往返的环行轨道上，利用引力弹弓免费提供所有推进力[参见James Oberg和Buzz Aldrin的“行星之间的巴士”；大众科学，2000年3月]。
即使预先安置了物资，火星着陆器和返回火箭也极其沉重，需要最大的计划SLS发射器才能将它们送上路。但是，第一批深空任务可以用更小的部件构建，这些部件在第一枚SLS甚至现有火箭上发射。我们推荐的渐进式方法将最大限度地提高计划的弹性和让NASA专注于解决真正困难的问题，例如辐射屏蔽。
NASA现在拥有千载难逢的机会，可以将自身重新聚焦于进入行星际空间的新型航天器。太空探索的最大障碍不是技术，而是弄清楚如何用更少的资源做更多的事情。如果NASA计划一个技术开发和任务的渐进式序列，这些任务的雄心壮志稳步增长，那么载人航天就可以在40年来首次摆脱近地轨道，并进入其有史以来最激动人心的时代。通过灵活的规划，NASA可以开辟一条在漫游星辰中漫步的道路。