載人火星任務是 20 至 21 世紀的太空科學及工程學研究目標，也是科幻小說的主題之一。最終目標不僅是讓人類登陸火星，而且包括火星殖民（包括火衛一及火衛二在內）及火星地球化。 人類最初從 1950 年代開始研究載人火星任務的可行性，並預計在 10 至 30 年內實現此一目標。各國許多太空研究機構都計劃完成此一目標，包括美國太空總署、歐洲太空總署在內。美國在 2010 年取消 2020 年預計執行的載人月球任務，轉而支援 2025 年預計執行的載人小行星任務與 2030 年預計執行的載人火星任務。另外，中國計劃在 2030 年先建成月球基地，作為載人登陸火星的試點。 挑戰 想要完成載人火星任務，必須解決幾個關鍵問題： 人體暴露在高度宇宙射線及遊離輻射下所產生的物理影響 長期處於低重力的環境下對人體造成的物理影響，例如視力喪失 長期處於昏暗環境下對人體造成的物理影響 遠離地球所造成的心理影響 缺乏與地球社會間的聯絡所造成的心理影響 幾位太空人長期生活在封閉空間所造成的影響 缺乏醫療裝置 HUMEX 研究已經將這些議題做過統計 Horneck and Comet 2006 doi 101016jasr200506077。Ehlmann 教授等人已經考慮過政治、經濟、科技及生物等方面對於載人火星任務的議題 Ehlmann B L et al 2005 doi 101016jactaastro200501010。載人火星任務所需的燃料對於科學家是一個挑戰，使用甲烷與氧可以製造出水及二氧化碳 Rapp et al 2005 doi 101109AERO20051559325。 發射視窗 將太空船從地球發射至火星需要轉移軌道，每 26 個月會有一次合適的發射視窗 Page 1819 in Chapter 3 of David S F Portrees Humans to Mars Fifty Years of Mission Planning 1950 2000 NASA Monographs in Aerospace History Series Number 21 February 2001 Available as NASA SP20014521 。在 20 世紀中，1969 與 1971 年的發射視窗及 1986 年與 1988 年的發射視窗所需的轉移軌道能量較少 ，大約每 15 年重複一次。霍曼轉移軌道途中只需兩次引擎推進，相對地節省燃料。柯爾可拋射是另一種轉移軌道方式 Page 1516 in Chapter 3 of David S F Portrees Humans to Mars Fifty Years of Mission Planning 1950 2000 NASA Monographs in Aerospace History Series Number 21 February 2001 Available as NASA SP20014521 ，這兩種方式大不相同。傳統的火星探測計畫需要 400 至 450 天在圓形軌道上飛行。但是火星探測計畫最快只需要 245 天就可以抵達火星。 構想 20 世紀 火箭專家華納馮布朗是歷史上首位著手研究火星探測科技的人，《火星計劃》與一些後續的著作內詳細記錄著他的構想。沃納馮布勞恩計畫將近千個三段式火箭從地球發射升空，隨後在近地球軌道上建造太空站，從而為後續的火星探測鋪平道路。 Aeronutronic FordFranklin Dixon Summary Presentation Study of a Manned Mars Excursion Module in Proceeding of the Symposium on Manned Planetary Missions 19631964 Status NASA TM X53049 1964、通用動力公司及洛克希德公司在 1962 年曾研究一項火星探測計畫，它也是馬歇爾太空飛行中心主導的帝國計畫的一部分 Annie Platoff Eyes on the Red Planet Human Mars Mission Planning 19521970 1999 available as NASACR20012089280 July 2001。雖然帝國計畫只是構想，但是該計畫也是美國太空總署首次詳細探討載人火星任務的可能性。 沃納馮布勞恩在阿波羅計畫成功後，曾提出一項載人火星任務計畫來主導載人太空任務 Wernher von Braun Manned Mars Landing Presentation to the Space Task Group presentation materials August 1969 referenced by Portree 2001 op cit。他計畫使用農神 5 號運載火箭將核熱力火箭發射升空（NERVA 計畫）。後來美國總統尼克森取消該計畫，轉而支援發展太空梭。 蘇聯火箭專家吉洪拉沃夫曾經提出火星飛行複合計畫，該計劃於 1956 年至 1962 年間運作，預計使用 N1 運載火箭將太空船發射升空。 蘇聯在 1960 年代設計 TMK 計畫，準備發射載人太空船至火星與金星，但是不登陸地表。TMK 計畫預計在 1971 年發射，在為期三年的旅程中，將利用火星進行重力拋射，並釋放出探測器。蘇聯意圖發展 TMK 計畫來對抗美國的載人登月計畫，但是該計畫因為 N1 運載火箭發射失敗被迫放棄。 火星探測複合計畫是蘇聯另一個火星探測計畫，準備將太空人花費 630 天的時間完成火星探測。 科羅拉多大學博爾德分校在維京號登陸火星後，曾於 1981 年至 1998 年間進行一項稱為「Case for Mars」的計劃。該計劃從火星返回地球時使用火星資源來當作火箭燃料，而且後來在美國太空航行學會（American Astronautical Society）出版的書籍中公佈 Penelope J Boston ed AAS Science and Technology Series Volume 57 Proceedings of The Case for Mars I 1984 second printing 1987 ISBN 0877031975Christopher P McKay ed AAS Science and Technology Series Volume 62 Proceedings of The Case for Mars II 1985 second printing 1988 730p Hard cover ISBN 087703219x Soft cover ISBN 0877032203。一些後續的概念沿用了「Case for Mars」計劃的設計，包含羅勃祖賓（Robert Zubrin）的「火星直擊」概念及傑弗裡蘭迪斯的「火星足跡」概念 Geoffrey A Landis Footsteps to Mars an Incremental Approach to Mars Exploration Journal of the British Interplanetary Society Vol 48 pp 367342 1995 presented at Case for Mars V Boulder CO 2629 May 1993 appears in From Imagination to Reality Mars Exploration Studies R Zubrin ed AAS Science and Technology Series Volume 91 pp 339350 1997 text available as Footsteps to Mars pdf file 。 美國太空總署在 1989 年曾進行所謂的宇宙探索計劃（Space Exploration Initiative），準備在國際太空站完成後進行月球及火星探測任務。這項研究被稱為 90 天研究計畫 NASA Report of the 90day study on human exploration of the Moon and Mars published 111989 abstract ，後來外界批評該計劃太過複雜且昂貴，最終研究經費遭到刪除 Dwayne Day Aiming for Mars grounded on Earth The Space Review February 16 2004 link 。 因為火星與地球之間的距離，所以火星載人探測任務比月球載人探測任務更加危險且昂貴。火星載人探測任務必須攜帶 2 至 3 年的燃料，而且太空船必須能夠抵擋至少部分的宇宙輻射。羅勃祖賓與大衛貝克在 1990 年提出一份論文，計畫使用火星大氣層氣體來當作火箭燃料 R M Zubrin D A Baker and O Gwynne Mars Direct A Simple Robust and Cost Effective Architecture for the Space Exploration Initiative paper AAS 90168 in The Case for Mars IV The International Exploration of Mars Part I MISSION STRATEGY ARCHITECTURES AAS Science and Technology Series Volume 89 Proceedings of The Case for Mars Conference ed Thomas R Meyer 1997 ISBN 0877034184R Zubrin and D A Baker Mars Direct Humans to the Red Planet by 1999 41st Congress of the International Astronautical Federation 1990，藉此減輕太空船的重量及成本。後來羅勃祖賓將這個概念發展成「火星直擊」構想，並於 1998 年創辦火星學會（Mars Society）來提倡該計劃。 國際太空大學於 1991 年在法國土魯斯研究國際載人火星任務 Wendell W Mendell A Mission Design for International Manned Mars Mission 1991 ，計畫使用核子動力探測器將太空人送至火星 Wendell W Mendell A Mission Design for International Manned Mars Mission 1991 。 美國太空總署在 1990 年代曾設計幾個火星載人任務，其中一個是火星設計參考 30 計畫。該計畫由強森太空飛行中心執行，內容描述火星載人任務的運作及技術概念。火星設計參考計畫沿用之前的設計概念，包括祖賓使用火星大氣層氣體的構想。 21 世紀 俄羅斯計畫的火星領航軌道站計畫使用核反應爐，該計畫草案在 2005 年曝光。計畫設計於 2012 年完成，2021 年完成太空船建造。歐洲太空總署規劃的曙光女神計劃是長期的火星載人探測，預計在 2030 年將人類送上火星。ExoMars 及 NEXT 是曙光女神計劃早期的旗艦任務。美國總統喬治沃克布什在 2004 年 1 月宣佈一項載人探測計畫，稱為太空探測願景。計劃於 2012 年在月球建造前哨基地，2010 年至 2020 年的前期計劃將由 Adringa 等人研發相關科技 Adringa J M et al 2005 doi 101109AERO20051559312。美國太空總署署長予 2007 年 9 月 24 日暗示將在 2037 年進行火星載人探測 AFP NASA aims to put man on Mars by 2037 。從太空科學任務發展至火星載人探測所需的資金約為 110 億美元。美國太空總署認為從月球發射太空船至火星可以減少成本 The Space Age at 50 National Geographic Magazine October 2007 issue。 德國火星學會計畫使用改良後的亞利安 5 號運載火箭來進行火星載人探測，大約發射 5 次火箭可將 5 名太空人送入太空，展開為期 1200 天的探測任務。 因為太空人從火星地表返回地球是載人火星任務中最困難的環節之一，所以單程載人火星任務曾多次被提出。科學家曾在 1998 年國際太空發展會議中提出單程載人火星任務 Bruce MackenzieOne Way to Mars a Permanent Settlement on the First Missionpresented at the 1998 International Space Development Conference May 2125 Milwaukee WI Abstract ，想要在首次載人火星任務中建造永久的太空站。科學家認為單程載人火星任務難度及成本較低，因為太空人不需要返回地球。一位美國太空總署的工程師在 2006 年提出一個概念：只送一位太空人前往火星建造永久的太空站，後來許多媒體都報導這項訊息，包括《哈潑斯》James C McLane IIIStarship TrooperHarpers Magazine November 2006 link pay subscription required 、《紐約時報》、《太空總覽》James C McLane IIISpirit of the Lone Eagle an audacious program for a manned Mars landing The Space Review July 31 2006 link 及《探索雜誌》James C McLane IIIOne Way Ticket to Mars SEARCH Magazine JanFeb 2009 link to archived copy。阿波羅 11 號太空人巴茲奧爾德林也支援人類在火星上居住 Buzz Aldrin Speaks Out Forget the Moon Lets Head to Mars by Eliza Strickland 26 June 2006 Discover Magazine。 美國太空總署在 2009 年的報告中，提出使用戰神五號運載火箭來發射獵戶座太空船的構想。美國總統貝拉克奧巴馬在 2010 年 4 月 15 日曾在甘迺迪太空中心發表演說，認為美國在 2030 年代中期可以將太空人送至火星軌道上，隨後讓太空人登陸火星。美國國會也支援美國太空總署新的發展方向，取消布什總統的 2020 年月球探測計畫，轉而計畫在 2025 年進行小行星探測及 2030 年代進行火星探測 Congress Mostly Approves New Direction for NASA Yudhijit Bhattacharjee 30 September 2010 Science 。2015 年 10 月 8 日，美國 NASA 發表登陸火星計劃（Journey to Mars）三步走：依賴（Earth Reliant）、試驗場（Proving Ground）、獨立（Earth Independent）。 俄羅斯與歐州合作的火星 500 在 2011 年 11 月 4 日順利完成 Mars500 crew report good health after experiment RIAN。俄羅斯在 2000 年 7 月完成載人火星任務所需的生物科技裝置。太空 X 製造的低成本火星登陸艙紅龍號太空船正在研發中，它改良自天龍號太空船。這種概念將應用於美國太空總署預計在 2018 年發射的探測器中，主要目標是偵測火星生命是否存在 。 荷蘭私人公司所主導的火星探測計畫火星一號，目的是在火星建立永久殖民地。火星一號計畫在 2016 年發射通訊衛星前往火星，2018 年發射探測車登陸火星，最終在 2023 年建立永久殖民地。四位太空人將會兩年前往火星一次。殖民地的能源來自 3000 片太陽能板。 根據 2025 年中國國家航天局探月與航天工程中心在聯合國外空司會議的演講，中國預計在 2040 年代開展載人火星任務。 相關故事作品 參考資料 外部連結 Human Exploration of Mars The Reference Mission Design Reference Mission 10 Reference Mission Version 30 Addedum to Human Exploration of Mars Design Reference Mission 30 Mars Expeditions Flybys Selected Flybys List of most manned mission projects to Mars a longer bibliography can be found in the bibliography of Portrees book available in pdf format from NASA M M