若在合適的时间从地球发射第一艘循环飞行器,5 个月后可抵达火星;大约在第 21 个月时,它会再次穿过火星轨道,但此时它並不会靠近火星 —— 实际上,此时它离地球更近;第 26 个月时,它会返回地球轨道;第 31 个月时,才会再次回到火星附近。我们或许可以考虑在循环轨道上採用有动力的低推力轨道,以改变这种运行模式,稍后我们会详细探討这一点。不过,更简单的方法是再部署一艘循环飞行器,专门负责从火星快速返回地球的航线。
通常我们所说的火星 26 个月发射窗口,其核心原理与上述循环周期概念一致,只是具体时间安排有所不同。常规情况下,从地球发射后约 9 个月才能抵达火星,著陆后需等待火星到地球的发射窗口开启(这一窗口遵循另一个 26 个月周期)才能返回。例如,若在 2024 年 9 月 26 日从地球发射,预计 2025 年 6 月 11 日抵达火星;但令人困扰的是,火星到地球的返回窗口在 2024 年 7 月 20 日就已开启 —— 这甚至在我们从地球出发之前,若此时从火星返回,预计 2025 年 4 月 5 日就能抵达地球。下一个火星到地球的返回窗口则要等到 2026 年 11 月 11 日,返回地球的时间为 2027 年 5 月 24 日。这意味著,船员需要在火星表面等待一年半的时间,才能等到返回窗口 —— 整个航行周期长达 971 天(32 个月),这还未计入从地球出发前的准备时间(为避免因恶劣天气错过发射窗口,以及抵达合適位置进入转移轨道,通常需要提前几天从地球发射)。而第二艘循环飞行器的部署,则能帮助我们缩短等待窗口的时间。
现在,情况会出现一些变化:循环飞行器的轨道周期不必恰好等於一个会合周期 —— 我们並非计划一直乘坐它绕轨道运行,而只是利用它完成从一颗行星到另一颗行星的短途航行。因此,通过部署多艘循环飞行器,並让它们运行在不同周期(例如两个或三个会合周期)的轨道上,我们就能获得更频繁的发射窗口。我们还设想过捕获一些轨道与循环轨道偏差不大的小行星,將其推入循环轨道,然后对其进行挖掘,利用其物质作为防护层和原材料。需要说明的是,地球 - 火星循环飞行器的轨道可以设置为靠近甚至穿过小行星带,因此它也可用於执行小行星带的探测任务。
这就引出了对有动力循环飞行器的討论:虽然循环飞行器的一大优势是无需持续消耗燃料,但如果飞行器本身已配备核反应堆,那么正如我们之前提到的,就可以利用多余的能量驱动离子推进器,並且只需偶尔补充新的推进剂即可。与化学火箭相比,离子推进器消耗的推进剂质量要少得多,只是推进过程非常缓慢 —— 但循环飞行器(尤其是运行在多个会合周期轨道上,或前往小行星带以外更远天体的循环飞行器)有充足的时间。需要注意的是,在靠近太阳的轨道段,太阳能驱动的循环飞行器也可以实现这一功能,但这类轨道段的长度较短。因此,在这一领域,核动力(无论是核裂变还是核聚变 —— 如果能实现的话)通常是最佳选择,不过通过雷射或微波传输能量也是一种可行方案,太阳能帆板或磁帆同样具有很大的应用潜力。
几年前,伊桑?麦克唐纳研究过一种有动力版本的循环飞行器,假设採用上述低推力推进方式。他计算出一个可能的飞行窗口:2022 年 2 月 23 日从地球出发,一年多后(2023 年 3 月 7 日)抵达火星,仅一个月后(2023 年 4 月 6 日)就从火星启程返回地球,最终在 2024 年 5 月 20 日回到地球。这种方案在火星停留的时间很短,但非常適合船员轮换任务:新船员乘坐穿梭机在一个月內抵达火星表面,与驻火星团队交接物资、帮助新成员適应正在开展的项目,隨后便可搭乘飞行器返回地球。
这种有动力航线还有一个优势:抵达火星时,飞行器相对於火星的速度仅为 5 千米 / 秒;而常规的无动
