第4.10节：第五阶段B - 火星开发

火星一直是流行文化中未来殖民的首要地点。这是因为从多项指标来看，火星的自然环境最类似于地球。许多虚构作品描述了各种可能性，真实程度各不相同。美国国会图书馆列出了450部主要关于火星作为天体对象的作品，73部关于太空飞行目标的作品，以及大量其他非虚构作品对其进行了引用，例如行星科学方面的作品。截至2017年，已有25次成功的任务飞越或抵达火星，以及一些失败的尝试。其中8个正在运行，另外7个处于不同的开发阶段。载人任务是美国宇航局的目标，而殖民是私营公司SpaceX公开的目标。

然而，大多数关注和工作都集中在火星本身，而忽略了太阳系其他区域的资源和开发。我们在这本书中描述的项目更具包容性。它将火星视为众多开发地点之一。部分原因是其他地点拥有不同的物质和能源资源，并且其当地环境更适合某些用途。另一个原因是人们是不同的，并非所有人都想居住或工作在同一类型的环境中。

与之前的阶段一样，我们将向火星区域运送一批初始设备。它们利用当地资源来引导自身扩展并开始开发。这将火星加入不断增长的已开发区域网络中。到开始火星开发时，这种方法已经在地球和之前的太空地点使用过七次，应该会被很好地理解。利用早期阶段以及火星本身的设备和资源，应该能够以低成本进行大规模的火星开发。这与“插旗和足迹”项目（如阿波罗计划）形成对比。它们没有留下任何持久的基础设施或经济活动，因此每次任务都需要从地球运送所有东西，成本相同。我们这种方法的投资回报率应该会高得多，甚至可能在经济上实现自给自足。

我们首先通过描述该区域的特征和一项调查来确定可能的未来活动，从而开始对本阶段进行概念探索。然后，我们研究动机、经济学和技术，并将所有信息结合起来，按功能确定开发方法和一组项目，然后将它们与其他项目阶段联系起来。对于我们有更多详细信息和计算的项目，将在本节末尾进行更详细的描述。作为这项概念探索的输出，我们将确定本阶段需要哪些研发工作，并将其反馈给之前的第0N阶段 - 火星开发研发。

火星区域特征

火星区域位于内行星际区域，该区域从靠近太阳延伸到1.8个天文单位的距离，涵盖了围绕四个内行星的区域。该区域包括火星、两颗小型卫星以及距离火星中心340,000公里（100个火星半径）内的轨道。火星的卫星火卫一和火卫二的轨道半径分别为9,376公里和23,460公里，位于该区域内。它们的轨道几乎是圆形的，并且与火星赤道平行。

太阳的质量是火星的3,098,000倍，在该区域边缘平均距离火星670倍。因此，在该距离上，太阳的引力比火星的引力强6.9倍。然而，轨道稳定性取决于质量比的立方根，因为扰动轨道的因素是太阳对火星与轨道上各点的吸引力差异。因此，距离火星1,084,000公里内的轨道至少在理论上是稳定的。我们武断地将区域边界设定在这个距离的三分之一左右，在这个距离上，物体的能量与逃逸能量的差值在1%以内。

火星的水平表面积为1.448亿平方公里，巧合的是，这相当于地球陆地面积的97%，几乎相等。相对于参考高度，海拔高度从海拉斯盆地的-8.2公里到奥林匹斯山的+21.2公里不等（图4.14-1）。有关更详细的版本，请参见美国地质调查局2013年火星地形图。火星日长24小时40分钟，略长于地球日，火星年为1.88个地球年。两颗卫星的自转与其轨道同步，始终保持同一面朝向火星。它们的白昼长度等于7.65小时和30.31小时的轨道周期。火星的自转轴倾角为25.2度，从地理角度来看，导致了类似于地球的季节变化。由于轨道距离太阳的距离在1.381到1.666个天文单位之间变化，因此季节变化的幅度更大。

环境参数

温度 - 火星的气候与地球的气候有重要的相似之处，包括极地冰盖、季节和天气模式。由于平均距离太阳更远，地表温度在极地和赤道中午之间变化范围为120到293开尔文（-153到20摄氏度）。平均温度每升高1-2公里变化约1-2开尔文。由于稀薄的大气层没有多少热质量，因此典型的昼夜温差为70开尔文。在沙尘暴期间，这种温差会降低到约10开尔文。地表大部分覆盖着沙子和尘土，随着深度达到1米，会使温度变化趋于年平均温度。由于缺乏直接测量数据，地下温度知之甚少。基于间接数据的模型表明，地下温度可能每增加1公里深度就会增加6-10开尔文，在冰饱和土壤中，温度升高幅度较小。

轨道和卫星上的温度主要取决于直接暴露在阳光下的百分比。低轨道上的温度较低，因为它们在火星阴影中停留的时间更长。卫星始终保持一面朝向火星，并且形状不规则。因此，可用阳光以及温度会因特定表面位置而异。火星充当次要红外源，在低轨道上几乎占据了50%的视野，而在该区域边缘仅占据0.00275%。全日光照下的黑色表面在平衡状态下的温度将为302-332开尔文（29-59摄氏度），具体取决于火星在其轨道上的位置。轨道上实际硬件的温度将取决于其太阳照射时间和角度、反照率、发射率和热特性。

大气和水 - 火星拥有大气层，其中96%是二氧化碳，氩气和氮气各占约2%，以及少量其他痕量气体。大气层垂直延伸约200公里，直至外层空间与太空真空交汇。地表气压从奥林匹斯山的顶部30帕斯卡到希腊平原盆地的1155帕斯卡不等。作为比较，最高值是地球海平面气压的1.14%。气压随海拔呈指数下降，标高约为11公里/e变化，相对于零海拔处的636帕斯卡参考值。气压随距离太阳的距离每年变化30%，因为部分二氧化碳在两极冻结和蒸发。火星的卫星太小，无法保留任何大气层。

这颗行星在某些区域存在残余磁场，其强度约为地球磁场的100分之一，但没有由核心驱动的全球磁场。因此，它没有强大的磁层。行星际太阳风主导着该区域大部分的太空环境。这颗行星在面向太阳风的一侧形成了弓形激波，即离子磁场的堆积，以及稀薄的下游尾迹，部分电离层物质会从这里泄漏。

火星在土壤中含有大量的以水合矿物和永久冻土形式存在的水，以及冻结在厚厚的尘埃冰盖中的水。冰盖包含约175万立方公里的冰，而火星上的水总量可能达到500万立方公里。地面表层一米内的含水量在纬度65度以上通常较高，但在较低纬度地区仍有几个百分点。火星及卫星内部深处的含水量知之甚少。火星表面的压力和温度几乎始终低于水的三相点。因此，水很少以液态形式存在，尽管在条件适宜的更深处可能存在液态水。

地面强度 - 火星表面通常由细小的土壤组成，其中包含沙子和尘埃，以及不同数量的较大岩石和裸露的基岩（图4.14-2）。沙质地区的表面强度足够低，以至于能够困住漫游者，但在其他地区则足够坚硬和锋利，足以刺穿金属轮子。土壤状况是由陨石坑撞击、火山活动以及行星早期更浓厚的大气和水共同作用的结果。因此，适宜性建造和运输将因地点而异，需要进行当地调查。覆盖岩层的强度极限大约在16公里深处，但会因断裂和水/冰含量而降低。在这些极限以下进行采矿或钻探需要支撑结构。对于超过松散材料局部休止角的地表挖掘，也需要支撑结构。

重力水平 - 火星表面重力从3.683到3.743米/秒²不等，变化幅度为1.6%，参考值为3.711，或地球重力的37.85%。较低的值是由于赤道位置和极高的火山造成的，而较高的值则出现在北极地区和希腊平原盆地等较低海拔地区。轨道上的自由落体状态不会产生净重力，卫星上的重力可以忽略不计。因此，抵御重力所需的结构支撑比地球上要低得多。长期维持人类、植物和动物健康所需的重力水平尚不清楚，但可能高于火星表面值，并且肯定高于轨道上的水平。在这两种情况下，都可以通过旋转产生人工重力，在这种情况下，设备将承受很大的结构载荷。

辐射水平 - 火星科学实验室/好奇号漫游者任务测量到的火星表面辐射水平为每天0.64 ± 0.12毫西弗，轨道上的辐射水平为每天1.84 ± 0.30毫西弗（Hassler等人，2013年）。这些数值分别是国际空间站宇航员辐射水平的1.5倍和4.5倍，以及美国所有来源年平均辐射水平的200倍。这些水平对于长期占据该区域来说是不可接受的高。最简单的短期解决方案是用来自地表或卫星的材料进行一米或更厚的屏蔽。长期的解决方案包括增加大气质量和建立人工磁层。

通信和旅行时间 - 从地球到火星区域的往返（往返）时间从6分钟到45分钟不等，具体取决于相对轨道位置以及是否需要中继卫星来避开太阳。从地球到火星的旅行时间取决于火星和地球的相对位置以及所选择的推进方式。当两颗行星对齐时，最低能量转移轨道通常需要8个月单程。如上所述，火星轨道的偏心率为9.3%，因此火星与太阳的最大距离比最小距离多20.6%。这使得从其他区域到达火星成为一个变化较大的命题。该区域内的轨道周期从低空轨道的100分钟到区域边界的70天不等。因此，点与点之间的最低能量转移将需要这些值的一半。实际旅行时间将取决于所使用的方法。

停留时间 - 平均停留时间会影响运输和居住需求。迄今为止，还没有人旅行到月球之外，因此对于此参数没有历史数据。地球和火星之间的最低能量轨迹要求运输+停留时间为1.5到3年。但是，这些轨迹假设使用效率低下的化学火箭。技术的进步以及先前对太空其他区域的开发应该会提供更多选择。因此，在该区域建立长期居住并确定平均停留时间之前，我们将让未来的项目根据内部需求来定义此值。

运输能量 - 从地球到达火星区域需要理论上的11.8公里/秒的速度变化，从而产生69.6兆焦/公斤的理论动能。由于所用运输方法的效率低下和开销，实际所需的能量通常要高得多。与典型产品的10-20兆焦/公斤生产能量相比，这是一个很大的数值。因此，尽可能优先选择当地生产，这也是我们选择采用逐步开发火星和其他太空区域的方法的原因。火星的质量是地球的10.7%，平均半径是地球的53.2%。这导致火星表面的逃逸速度为5027米/秒。到达轨道的理论最小能量为5.5兆焦/公斤，到达该区域最远点的最小能量为12.5兆焦/公斤。因此，从地表到轨道的有效运输所需的能量低于典型生产能量，从地表向轨道供应材料是合理的。

反方向的运输可以利用大气摩擦，因此需要更少的能量。像太空电梯这样的大型基础设施可以使用再生能源，其中下降货物的能量可以用来提升另一个方向的货物。理论上，如果交通流量平衡，则不需要净能量。在实践中，交通流量不太可能完全平衡，并且实际系统存在开销和效率低下。点与点之间的运输、轨道区域内点与点之间的运输以及该区域与地球以外其他目的地的运输将具有高度可变的能源需求。它们取决于所使用的运输方法、起点和终点，以及对于轨道旅行而言，取决于出发和到达时间。

可用资源

与其他阶段一样，我们在此项目阶段的方法是利用从其他地方带来的启动设备来逐步开发火星区域。这些设备尽可能地利用当地资源来制造更多设备，然后使用成品在当地使用或出口到其他地方。当当地资源或生产能力不足时，所需投入将从其他区域供应。随着该区域的发展，进口比例应该会随着时间推移而下降，而出口比例则会上升。通过进口和出口，火星将与文明的其他部分在经济上融合，并可能实现自给自足。为了遵循这种方法，我们首先需要了解当地有哪些能源和物质资源可用。

能源资源

太阳能 - 这可能是该区域的主要能源。火星上的入射太阳辐射从494到716瓦/平方米不等（地球的36%到52.5%），平均为579.4瓦/平方米。范围是由于火星与太阳轨道距离的变化造成的。由于太阳距离的增加或减少，火星周围的轨道区域的辐射通量可能与行星相比发生±0.33%的变化。波长的分布与地球相同。该区域的总太阳能平均为2.13亿太瓦，约为2017年人类能源消耗的1000万倍。火星周围轨道上的这种能量可以100%的时间使用，除了穿过行星阴影的时候。低赤道轨道几乎有50%的时间处于阴影中，而该区域边缘的圆形轨道最多只有0.23%的时间处于阴影中，如果轨道平面倾斜于火星轨道平面，则时间会更短。关于可以用如此多的能量做什么，理论上它可以在不到2000年的时间里完全拆卸火星并将其转化为其他产品。这样做会面临巨大的实际挑战，但它表明可用能量应该足以满足该区域未来任何项目的需求。

到达火星的平均能量为20,900太瓦，是2017年地球能源消耗的1000倍。由于球形行星相对于截取阳光的横截面积而言表面积是其4倍，因此表面通量平均降低了4倍。可用量因纬度、季节和一天中的时间而异。由于大气中的尘埃散射和吸收，在典型海拔高度上，它还会进一步降低20-40%。由于大气密度低，大气气体的影响很小。全球尘暴平均每三个火星年发生一次，区域性尘暴每年发生一次。它们可以在一个月的时间尺度内阻挡多达99%的阳光。

其他能源 - 火星完全处于阴影中的轨道时间最长可达3.8小时，地表平均夜晚为12.3小时，纬度65度以上地区会经历长时间的季节性黑暗。在这些时间段以及沙尘暴期间，可能需要其他的能源解决方案。可选方案包括暂时减少运行、电池、利用当地CO2和水制成的甲烷和氧气的化学储能、当地块状岩石的热储能、核能、长距离输电线路以及轨道上的束能。风能和地热能可能不太实用，但在进行更多分析之前，不会完全排除。火星玄武岩可能含有约5 ppm的铀和钍。如果地质过程形成了富集矿床，它们可能可用于当地能源供应。

材料资源

图4.14-4 - 火星三个着陆区域典型土壤的元素氧化物组成。误差线表示样本之间的变化。请注意，为了调整图形比例，二氧化硅和氧化铁的浓度除以10，镍、锌和溴乘以100。

行星表面 - 我们对火星的详细了解是自20世纪中期以来送往火星的大量轨道和地面仪器以及超过100颗火星陨石（通过自然过程送达地球）的结果。它是一颗分异的类地行星，具有铁-镍-硫核心、密度较小的硅酸盐地幔和相对较轻的地壳。由于内部熔化、火山活动以及行星早期历史中的其他活跃过程，地表具有多样化的地质特征（图4.14-3，并参见USGS地图3292（2014）以获取更详细的版本）。根据漫游者仪器测量的表面成分主要由各种金属氧化物矿物组成，以及少量的水和溴等挥发性化合物（图4.14-4）。就岩石类型而言，原始表面主要是玄武岩。它由不同的矿物晶体组成，这些晶体在熔岩冷却时依次形成。小行星增加了自身的成分，并通过形成陨石坑混合了地壳。早期较高水平的水和大气导致原始材料的氧化、侵蚀和化学改性。有一些证据表明存在构造活动，但远不及地球。随着行星冷却，小行星数量减少以及水和大气散失到太空，这些过程在第一个十亿年后减缓。

地表有大量的沙子、尘土和较小的岩石构成原生土壤层（风化层）。早期对土壤的开采和挖掘应该相对容易。硬岩开采和露头及基岩的隧道开挖难度应该与地球相当。由于较小的重力和热梯度，使用现有技术可以进行深度达30公里的开采和钻探，使超过40亿立方公里的总材料能够获取。这相当于地球目前年度采矿需求的数亿倍。

轨道区域 - 除两颗天然卫星外，这里大多是空的。根据所需的材料，可能需要从地表或其他区域进口。少量太阳风粒子、星际尘埃以及偶尔较大的小行星会穿过该区域。火卫一和火卫二的平均直径分别为22.2公里和12.6公里，但形状不规则。它们的逃逸速度平均仅为11.4米/秒和5.5米/秒，因此需要改进的采矿技术以防止表面材料损失并造成轨道碎片危害。它们的总质量为12.8万亿吨，相当于地球总采矿产量的两个世纪，因此在便利的轨道上代表着重要的物质资源。火卫一（较大的卫星）的中心压力仅为120 kPa，或地球大气压力的1.2倍。这在向卫星中心挖掘隧道或开采方面没有任何困难，因此这两颗卫星的全部体积都可以获取。

根据目前的可见光、近红外和热红外光谱，卫星的成分尚不确定。它们既类似于外小行星带的小行星，也类似于某些火星表面矿物，但与两者都不完全匹配。一种可能性是它们形成于大型小行星撞击后产生的轨道碎片。火星上许多大型陨石坑支持了这一观点。由于卫星本身也存在许多陨石坑，因此它们后来可能通过撞击直接积累了小行星物质。解决这个问题并确定其详细成分需要更近距离的观测。

火星特洛伊小行星（与火星共享轨道）以及数以万计的其他内侧行星际小行星可能是原材料的有用来源。后一组包括火星轨道掠过的部分小行星带以及其他绕太阳运行更近的小行星。由于数量众多，并且可以利用火星进行引力助推，因此应该有一些轨道特别容易开采并从中返回材料的小行星。这些小行星可以提供比两颗卫星单独提供的更多样化的源材料。这颗行星可以作为额外的材料来源，但使用甲烷/氧混合物的化学火箭需要几倍的有效载荷质量才能到达轨道，这效率不高。用于从地表进行大规模运送的替代方法包括电磁和离心地面加速器以及太空电梯。

行业调查

我们的下一步是确定可能支持火星区域开发的经济活动。我们的方法是查看所有现有的地球行业类别，并确定其中哪些类别有可能在某个时间点在该区域运营。在此基础上，我们添加仅适用于火星的任何独特活动。这些活动包括该区域内部所需的活动以及向地球或其他太空区域提供的产品和服务。我们将使用最新版本的北美产业分类系统（NAICS）作为类别列表，并将其编号系统和顺序应用于我们的调查。在识别到独特的火星活动时，将其插入到最相关的标题下。

11 - 农业：无论人们住在哪里，都需要食物，封闭的生态系统可以帮助回收人类废物。一旦建立起来，从遥远地区进口食物可能比循环农业消耗更多能量。生物生长还可以提供除食物以外的其他有用产品。因此，我们认为农业在开发的最初阶段之后很可能成为一项活动。轨道区域阳光充足，地表存在自然昼夜循环。在轨道上，它需要过滤有害波长，在地表和轨道上，由于距离太阳更远，自然阳光需要适度集中。目前尚不清楚人工生长灯，如发光二极管，是否可以提高自然光下的整体生长效率，但值得研究。沙尘暴可以阻挡地表几乎所有的光线，但食品储存技术已经成熟，火星的自然温度足够低，可以进行冷藏。

典型植物组织中的主要元素是氧（45%）、碳（44%）、氢（6.3%）、氮（1.3%）、硅（1.2%）和钾（0.9%）。地表的大气、水和土壤可以提供所有这些元素。在所需的其余约1%的微量元素中，一些也存在于土壤中。所有元素可能都需要加工成植物可以利用的形式。小行星，以及可能存在的火星卫星，拥有各种各样的元素和化合物，因此它们可以作为轨道上的源材料。一旦从地表开发出高效的运输方式，它也可以用作供应来源。这些材料也可能需要加工成可用形式。任何剩余的缺失成分都可以从之前的区域或地球提供，但应该只占很小的比例。

21 - 采矿：提取当地材料是我们项目的根本假设，因为这比从地球进口所有材料消耗更少的能量。火星表面有面积广阔的碎石（风化层）、沙子和尘土，厚度约为几米，总量达数百万吨/平方公里。这对于早期采矿来说绰绰有余，尽管特定有用矿石的浓度还有待确定。卫星和附近的小行星可以提供轨道上早期使用的足够材料，而从地表进行高效运输可以在后期提供更多材料。我们预计不会将大量开采的产品运送到地球，但可能会将适量的产品从火星出口到附近的区域。

22 - 公用事业：该区域几乎所有活动都需要某种形式的当地电力。最初，这可以通过进口太阳能电池板和电池来提供，并可能辅以小型裂变反应堆或热储能。聚光反射器可以提供直接热量并驱动热循环发电机。一旦制造业发展起来，这些都可以当地建造。轨道上的太阳能更充足且更稳定，因此这可能是能源密集型活动的优选地点。轨道到地表的束能可能作为补充很有用，尤其是在阳光较弱且季节性间歇的较高纬度地区。预计沙尘暴期间的光束衰减在32 GHz时约为50%，在较低频率下则更低。因此，这可能是解决这些时间段内地表太阳能缺乏问题的一种方案。

23 - 建筑：相对于地球的陆地面积，火星的表面面积几乎相同，轨道区域的横截面积是地球的2400倍。我们使用横截面积而不是体积来表示轨道，因为阳光只能被拦截一次以用于供电和自然照明。尽管从纯粹的物理空间角度来看，地球不会过度拥挤，但环境压力以及对更多个人空间、设计灵活性以及新颖性的渴望可能会推动当地住宅建设。任何涉及人员和其他生物的非住宅运营也需要合适的栖息地，一些工业活动需要免受当地环境的影响。所有这些反过来都需要一定程度的建筑活动。

31-33 - 制造业： 本计划的基本假设之一是在当地进行制造。任何在火星区域比从其他地方进口更容易生产的产品都是候选产品，以及比在目的地更容易从火星供应的出口产品。最初，只会生产最必要、最容易生产和杠杆作用最大的产品。这些产品包括辐射屏蔽、推进剂、生命支持用品以及基本的建筑和制造材料。制造业将随着时间的推移而发展，利用自举、智能工具和关键物品的进口。最终，所有在经济上合理的本地产品都将被生产出来。火星拥有大量的铁、铝、镁、钛、铬、锰和镍用于结构和机器合金，硅用于太阳能和电子产品，以及钠、磷、硫、氯、钾和钙用于化学品。因此，它拥有种类繁多的制造业原料。

42 - 批发贸易： 我们预计该区域的活动将根据比较优势原则彼此之间以及与其他区域进行贸易。我们目前无法预测该区域的哪些具体活动将具有此类优势，但我们可以确定可能的贡献者。来自地球或其他区域的遥远地区的运输需要大量能源。在当地材料供应和生产可以消耗更少能源的情况下，它将具有优势。令人惊讶的是，从火星表面到达地球高轨道所需的能量比从地球上少。然而，从成本角度来看，盈亏平衡点可能更接近火星。轨道上的能量比地表上的能量更多，因此需要高能量的作业更喜欢在那里进行。与海洋相比，地球上的陆地采矿相对更容易。等效的陆地面积以及较低的重力和热梯度使得火星上可开采的地壳总量增加了数倍。但是，我们目前对高品位矿石的信息很少。可用材料总量也大约是小行星带质量的4倍，但成分不同。因此，区域间贸易很可能基于相对稀缺性而发展。

44-45 - 零售贸易： 我们预计火星上的零售贸易需要一段时间才能发展起来。早期的居民将出于科学和工业原因在那里，他们的居住空间和生命支持的个人需求将得到满足。随着社区发展到这个早期阶段之后，可以投入更多时间和资源到个人选择和非必需品上，因此零售层面的供应商可以发展起来。鉴于地球上在线市场和自动化交付的发展，很难预测这将采取什么形式。它可能是中央仓库而不是零售店面。另一方面，人们可能仍然希望在工作人员的协助下亲自选择商品。

48-49 - 交通运输和仓储： 从其他区域进行运输对于在火星上或周围开展任何活动都是必要的，并且在之前阶段已从这些运输的来源地进行了说明。火星区域内的内部运输以及离开该区域前往其他目的地的运输属于本阶段。运输车队和基础设施的运营在本活动中涵盖，而它们的制造和建设则在其各自的标题下涵盖。这里还包括各种存储和仓储。我们预计只要存在任何类型的活动，所有这些活动都将继续在该区域进行。

51 - 信息： 通过开放空间传递信息不需要质量，只需要很少的能量，因此相对容易实现。火星的通信已经通过深空网络与在那里运行的航天器存在。随着设备遥控和人员居住的增加，可能会建立本地网络。这可以从轨道上的中继卫星开始，连接地表、轨道区域和其他区域的点。随着各个地点的发展，也将提供本地网络。大多数现代活动都需要本地存储和处理。这些活动的设备复杂且质量轻，因此最初主要来自地球和较旧的区域，本地生产将随着时间的推移而增长。

52 - 金融和保险： 最初，该区域的大部分金融和保险业务将由地球处理。它们涉及权利、合同和金钱之间非物质的关系，这些关系可以通过远程方式进行交易。当地办事处和机构可能需要处理诸如损害索赔检查之类的事情。由于与遥远地区的通信延迟，它们还可以更轻松地建立新账户和协议。

53 - 房地产、租赁和租赁： 1967年《外层空间条约》禁止国家对天体提出领土要求，但私人设备（如卫星）的所有权和使用已经得到了很好的发展。我们预计关于太空中的土地、轨道和采矿权的法律灰色地带将首先在之前的区域得到解决。当火星区域的重大发展开始时，所需的法律程序应该可用，但我们目前无法说明它们将是什么。衍生活动，如卫星的销售和租赁及其使用，已经是地球周围的一个活跃市场，此类活动可能会扩展到火星。

54 - 专业、科学和技术： 此类别中的一些活动只能在火星区域本地进行，并且已经随着科学和技术研究的开展而开始。我们预计这将随着时间的推移而增加，并在早期火星活动中占据很大一部分。迄今为止，参与这些活动的大多数人都在地球上——太空中的宇航员是罕见的例外。我们预计这种情况在短期内将继续存在，随着时间的推移，火星区域的本地人口将逐渐增加。

55-56 - 管理和组织支持： 出于成本原因，企业管理和行政工作很可能最初由地球处理。随着火星区域运营规模和复杂性的增长，节省时间将开始有利于本地管理。随着智能工具和网络的不断发展，传统的组织结构可能不再需要。管理和组织支持可能会被分散和自动化。因此，很难预测这项活动在长期内将采取何种形式。

61 - 教育： 该区域的第一批人员将在其他地方接受教育，并且信息系统正在变得足够先进，可以根据需要支持本地培训。本地对年轻人的教育将推迟到永久居住地存在，并且儿童在当地出生和长大为止。它将采取何种形式尚不清楚。到那时，它可能主要通过增强现实设备而不是有教师的教室进行。

62 - 健康和社会服务： 由于该区域的特殊条件和危险，一旦人员进入该区域，就需要进行健康监测和急救能力。最初，这将通过培训船员本身，并进行远程监控和建议来实现。随着当地人口的增长，额外的专业设备和人员将提高护理水平。到那时，远程呈现、人工现实和智能以及触觉机器人可能足以在该区域内远程提供医疗保健，但来自其他区域的信号延迟太大。护理和住院护理将首先在地球上提供，需要将需要护理的人员送回。一旦该区域人口足够多，就可以建立当地设施。如果需要，社会援助很可能通过远程方式提供。由于设计原因，该区域的每个人都需要提供基本的生活和食物，因为自然环境无法支持它们。

71 - 艺术、娱乐和休闲： 娱乐可以从远程交付和存储媒体开始，供该区域的人员使用，因为它们的质量和能源需求都很低。诸如创意艺术和戏剧艺术等活动很可能会推迟到有剩余时间和资源可用时。积极的娱乐将从锻炼以保持健康开始，并可能在稍后发展为运动。早期的探索和地理位置独特的区域可能会为后代保存。

72 - 住宿和餐饮： 正如健康部分所述，该区域的人员需要基本的生活空间、食物和饮料。赞助组织将首先为船员提供这些服务，船员将自行运营。随着当地能力的增长和人们建立长期住所，将有机会进行租赁、临时旅行住宿、旅游以及特色食品和饮料。旅游业是地球上一个大型产业，火星区域足够独特以具有吸引力，但时间和成本将首先限制自愿旅行。

81 - 其他服务： 这包括其他地方未涵盖的各种活动。进口物品的维修和保养将是高度期望的。它们要么昂贵要么更换缓慢，并且可能是关键设备。一旦本地生产建立起来，可以储存多余的物品以满足更换和维修需求。个人服务将从自给自足开始。私人和公民组织最初可能不需要。稍后，它们可以成为现有组织的扩展，或在本地自行组织。

92 - 公共行政： 此类别的支持将来自地球或之前的区域。当地消防和公共安全将从自给自足开始，并随着人口规模的扩大而发展为专业领域。环境质量和监测是必要的职能，并且将在设计中包含在内。迄今为止，该区域中唯一开展的公共资助的民用空间活动，并且很可能继续发挥重要作用。迄今为止，火星区域不需要国家安全活动，并且可能通过协议和合作保持最低限度。该区域尚未开始私人活动，但一旦开始，很可能需要公共监督。由于时间和距离的原因，一些监督将在当地进行。公私合作伙伴关系是完全可能的。

项目驱动因素

上述调查中提到的许多活动直到未来中期或遥远未来才会开始，并且到那时技术和组织变化很可能发生。因此，很难预测哪些活动是有意义的，以及何时进行。但是，当这些活动到来时，我们可以开始确定将推动该区域项目的关键因素。这些因素包括人类动机、经济、可用技术以及项目在先前、并行和后续项目中的位置。我们预计这些因素的重要性以及地位将随着时间的推移而发生变化，从而影响哪些项目启动以及何时启动。

动机

开发火星区域的动机可以是个人、组织或社会性的。人类对周围世界的好奇心推动了当前对火星的科学探索，并且可能持续下去。火星最终可以支持其他区域的其他科学工作。对自然和人为危害的安全渴望是人们的另一个主要动机。在这种情况下，火星已被提议作为文明的备份地点，以防地球发生意外。我们的计划假设太阳系将得到更广泛的发展，部分原因是出于这个原因。大部分太空都是没有生命的，并且充满了辐射。因此，将危险活动从我们最初的星球转移到其他区域将提高那里的安全性。

在经济领域，对利润的渴望始终存在。如果可以在火星区域获得利润，那将成为开发它的强大动力。由于该区域的物质和能源资源目前无人认领，因此无需购买，只需开采即可。[待补充其他动机]。

经济学

经济学是决定启动哪些项目、项目的范围及其时间安排的关键驱动因素。目前，围绕火星的大多数活动都是由公共资金资助的。政府和公共机构受其可用预算的限制，这决定了哪些项目会被启动。未来火星的活动可能会有很大的私人成分，这意味着客户、市场以及通常的商业考虑因素将决定做什么以及为什么要做。这些包括比较优势和投资回报率等原则。如果在火星进行私人活动比在其他地方更容易，并且可以产生更好的资本回报，那么这些活动更有可能发生。

火星的自然优势包括大量且多样的材料来源，以及地球表面以外最类似地球的环境。逃逸能量是地球的 20%，因此更容易建造高效的运输工具。通过利用引力助推和大气制动，即使是前往地球轨道的运输也可能比从地球表面发射消耗更少的能量。与早期的地球轨道区域和我们最近的行星际区域相比，火星距离较远。然而，它靠近内行星际区域的外缘，距离为 1.25 到 1.8 个天文单位，将是该区域的首选来源。由于地球已经拥有完整的文明，我们预计火星不会供应大量的物理产品。因此，贸易将取决于其他类型的价值，或供应附近的区域。一个例子是利用火星的卫星作为大规模建设的起点，利用低重力和来自表面和附近小行星的材料。

技术

布局

开发项目

我们概念探索的下一步是将以上信息结合到火星开发的通用方法中，并确定具体的近期和长期实施项目。我们可以为这些项目提供早期概念，这将使人们了解其规模和主要特征。但是，这仅仅是一个起点，并不排除其他想法。它也不包括对项目之间以及与程序其他阶段的项目进行全面优化和集成。在描述我们的通用方法后，我们按时间、功能和位置列出项目的摘要。接下来是程序集成的开始。在开发了更多概念细节的地方，它们将作为本节的最后主要部分提供。

通用方法

火星的表面积几乎等于地球上所有的陆地，轨道区域的横截面积为 3630 亿平方公里，是地球总表面积的 712 倍。与月球区域一样，火星区域因此过大，无法一次性开发，也无法由单个项目或组织开发。因此，我们的通用方法是确定许多较小的任务和项目。这些可以按逻辑顺序排列，后续项目建立在早期项目的基础上，并由各个组织或组织组执行。当这些任务和项目同时存在时，它们将相互影响。它们还与同时运行的其他程序阶段以及文明的其余部分相互影响。

各种活动可以根据开始时间大致分为准备阶段、轨道开发阶段和表面开发阶段。火星活动不如地球轨道或月球活动那么先进，因此目前和近期的大部分工作都是准备性的，例如科学探索。我们在这种通用方法之后列出了这些早期活动。长期项目紧随其后。由于它们尚未组合成一个集成的序列，因此我们按主要功能（生产、居住、运输和服务）和位置（轨道区域或行星表面）对它们进行分组。在每个组中，它们按大致时间顺序排列。我们预计许多这些项目和活动将在时间上重叠，而不是严格地按照一个接一个的顺序进行。

准备阶段 - 计划和设计未来的火星项目需要了解该区域的一般特征以及特定作业地点的特征。因此，为火星开发做准备涉及勘探、测量、勘探和现场调查等任务。除了仅仅确定其轨道之外，对火星的科学研究始于大型望远镜允许在天空看到不仅仅是一个光点的时候。它从 1964 年开始加速，当时火箭技术能够将仪器送得更靠近并着陆到这颗行星上，并将它们收集到的数据传回地球。我们尚未从这颗行星上带回原始样本，但从 1983 年开始，已经确定了 100 多颗来自火星的陨石，它们通过自然方式来到了地球。这些陨石暴露在太空和地球环境中，因此与它们最初的状态有所改变。许多航天器已经环绕火星运行，因此轨道区域现在已经足够了解，可以开始开发了。火卫一和火卫二尚未被环绕或着陆，需要更仔细的检查。少量着陆器和漫游车已在表面运行。表面还需要做更多工作，因为它比轨道区域更加多样化和多变。探索整个星球需要很长时间，因此详细的调查可以首先从拟议的早期着陆点开始。

轨道开发 - 预计轨道开发将引领地表工作。这是因为从之前的区域到达更容易，并且由于火卫一和火卫二以及附近小行星存在现有的物质资源。卫星上的地点可能需要进行物理准备，例如由于低重力提供锚固或收集表面材料以提供辐射屏蔽。可能需要在活跃的工作区域上安装覆盖物，以防止松散材料的损失。该区域其他地方的开放轨道不需要准备，但也缺乏原材料，因此必须进口。由于地球的长时间延迟，远程控制操作将很困难且缓慢。因此，我们预计重要的操作将需要高级自动化或将人类人员送往该区域。这些操作将从先前开发的区域交付启动设备开始，通过电力牵引装置进行。还将交付初始的物资和推进剂库存，但为了维持运营，当地生产将是优先事项。火卫一可能会被用作行动基地，因为那里有大量的可用材料，并且可以方便地到达地表。

表面开发 - 一旦轨道行动基地建立起来，并且中继卫星网络到位，就可以开始地表的场地准备工作。最初，这可以使用来自轨道的设备进行远程控制。时间延迟足够短，可以进行近乎实时的控制，并且最初地面上将没有足够的设备来维持人员。优先事项将是建立着陆场和地表推进剂生产。然后，着陆器可以开始从轨道上穿梭，运送更多设备。当设备到位后，人员访问可以开始，并扩展到全天候居住。与其他地点一样，使用启动生产设备来引导更大规模的生产，然后是最终用途产品。化学火箭效率低下，因此从长远来看，将建立更好的运输基础设施。轨道和地面操作将继续从先前的区域接收货物，并在具备能力后开始出口产品。

当前和近期项目

研究与开发 -

从地球运输 -

从低轨道运输 -

火星区域任务 -

长期项目

截至2017年，在制定火星长期发展计划之前，还需要大量的研发工作。早期区域的开发也会显著影响火星项目，因为人员、设备和物资都必须来自这些区域。因此，以下列表仅是对候选项目的总结，以及已知情况下为准备这些项目所需的工作。随着火星开发工作的推进，该列表很可能会发生变化，包括项目的包含情况和细节。将这些项目相互关联并与项目的其他部分形成总体计划，则更是初步的。

火星轨道生产

火星轨道区域比地表更容易到达，并且从其所在的内行星际区域到达所需的能量较低。我们预计火星的早期生产将从这里开始，生产诸如辐射屏蔽、推进剂和机组人员消耗品等基本产品。生产的扩大将是准备阶段任务的产物，例如从轨道上远程控制探测车。准备工作将把人员、预制设备和物资从先前区域运送到火星轨道。当地开采将减少供应需求，当地生产设备将进一步减少外部需求。因此，它是非常可取的。发展路径将遵循标准的自举和自我扩展方法，利用智能工具以及当地的能源和物质资源。随着生产的扩大，轨道区域可以开始向地表和邻近区域出口产品，既支持进一步开发，也产生经济回报。

供应来源 - 该区域遍布大量的太阳能，是为生产提供动力的逻辑方式。除了围绕行星的较低轨道外，太阳能的可用性都非常高。轨道区域有两个天然卫星，总质量为12.8万亿吨。通过结合引力助推、电推进和太阳帆，大部分小行星带和内行星际区域及其数千颗小行星，都可以以低推进剂消耗的方式进入。由于地球轨道和月球区域已得到开发，因此可以从这些区域进口设备和物资。最终，来自火星的高效运输将允许从地表进口材料和设备。

加工 - 除了散装辐射屏蔽外，大多数产品都需要通过各种机械、热力、化学、电气或其他方法对原材料进行转换。需要设备来完成这些任务并提供执行这些任务所需的能量。然后，发展路径将从相对于所需设备的数量和复杂性而言，提供最有用产品的工艺开始。设备可以进口也可以在当地制造。因此，每个来源的相对成本和难度都是一个因素。进一步的增长追求较低的杠杆加工，直到它相对于产品进口不再有益，达到与其他区域的平衡。

制造 - 推进剂和流体等产品在加工后不需要进一步制造，只需要储存到使用为止。然而，固体库存材料通常需要额外的加工才能制造出成品零件。有大量可能的制造方法。像加工步骤一样，它们首先会被选择，以实现相对于设备和能源需求而言的最高产量和简单性。之后的扩展追求较低的杠杆方法，直到它们相对于进口不再具有优势。

组装和建造 - 成品零件，无论进口还是在当地制造，通常都会组装成成品设备和设施。除非作为完整单元进口，否则组装和建造将是本地操作。轨道区域的失重以及卫星上的极低重力，使得大规模组装变得轻松。某些任务在人工重力下可能更容易完成，因此组装和建造区域可以通过旋转来提供人工重力，如果需要的话。由于运输相对容易，大型物品可以在专门的工厂建造，然后拖到最终的操作地点。

火星表面生产

火星表面具有多样的地形、气候和地质。因此，某些地方比其他地方更适合特定的生产活动。早期作业将无法享受运输基础设施的便利，因此旅行距离将受到限制。赤道地区通常获得更多的阳光，并且更容易从卫星到达。这些因素加上早期生产作业的选择将指导场地选择。候选场地将在准备阶段使用机器人设备进行远程勘探。然后，第一批采矿和建筑设备可以从轨道上运送，并继续进行远程操作，直到建立足够的人员支持能力。早期生产作业的电力供应最容易通过固定式太阳能电池阵列、固定设备的电缆和移动设备的充电点来实现。太阳能热能可用于需要热量的作业。随着时间的推移，可以增加额外的能源来源。潜在产品包括

最小加工材料 - 这包括通过移动地表土壤来清理和平整建筑场地和通道。需要辐射、热或碎片防护的设备需要挖掘、放置，然后用当地材料覆盖。未加工的岩石可用于边坡防护和护堤，预制拱门可支撑土壤覆盖。诸如金属陨石和有用矿石等材料可以从当地收集并堆放在生产现场附近，以备后用。散装岩石也可用于热能存储。

水和流体 - 水有多种用途，包括推进剂生产、生命支持、化学加工和热机。赤道地区的水似乎比极地地区少，但含水矿物可能包含足够的水以供使用。它可以通过适度加热和冷凝来提取。永久冻土冰可以通过将土壤加热到三相点以上（0°C 和 611 Pa）来提取，这仅略高于火星白天环境条件。水的电解产生氧气和氢气。后者可以与大气中的碳结合产生甲烷。这可以作为推进剂、燃料电池能源或有机化学品的原料。氮气可以从大气中提取并添加到氧气中，以提供正常的呼吸混合物。

金属 - 钢和铸铁是地球上最常用的金属。它们主要是铁，含碳量为0-4%，以及其他元素，以生产具有不同性能的合金钢。土壤中约含有20%的氧化铁，大气中主要成分是二氧化碳，可以提供碳。锰、铬、镍和硅是常见的合金元素，在火星土壤中也以相当大的百分比存在。金属陨石存在于地表，并含有铁-镍-钴合金，这种合金可能适合早期用途，但数量有限。大规模生产和更专业的合金将需要对矿石进行批量还原，以提供主要元素。镁、铝和钛是有用的结构金属，在火星土壤中也以合理的百分比存在。所有结构金属的特定合金元素可能需要进口，如果当地没有足够的浓度。

玻璃和塑料 - 普通玻璃由硅、钠和钙的氧化物以及碳酸钠组成。前三种是天然岩石的常见成分。钠是可获得的，但碳酸盐形式的矿床可能稀缺，需要通过化学方法生产。二氧化硅用于石英玻璃，这在工业过程中很有用。火星上可以用来制造塑料的天然碳化合物很少，尽管二氧化碳很丰富。因此，将使用化学或生物过程来制造复杂的碳化合物，或者从小行星和卫星来源进口。天然纺织品需要大量的种植面积，因此可能需要进口。合成纺织品使用有机化合物是可行的。

建筑材料 - 除非进口或付出努力种植树木，否则火星上没有木材。天然材料可用于粘土-沙子或硫-土壤砖块和砌块。混凝土需要大量的用水和碳酸盐来形成水泥粘合剂。目前尚不清楚这是否将成为首选工艺。钢和玄武岩纤维可以作为增强材料，尽管后者需要环氧树脂作为粘合剂。对于纯拉伸用途，可以使用裸纤维，它也可用于纤维增强金属。矿物棉和真空粉末绝缘材料可以在当地生产。

其他产品 - 电子产品质量轻、价值高，可能需要进口。电气产品，如电线和电机，需要合适的金属，但需要足够的数量才能在当地制造。目前尚不清楚涂料等涂层是否可以用当地材料制成。

火星轨道居住

围绕火星的轨道栖息地将与先前区域的轨道栖息地有很多相似之处，因为它们执行的功能和运行环境相似。细节上的差异将源于诸如较低的太阳通量和平均温度以及供应来源与距离和难度的不同组合等因素。将有一个从预制到本地建造，从小到大的总体趋势。

预制栖息地 - 我们预计首批栖息地将作为完整部件从先前区域运送过来，并附带初始物资储备。它们要么由电力拖船无人运送，要么由人员陪同运送。我们的总体方案是尽可能使用当地材料和能源。因此，我们更倾向于使用与小行星开采相同的拖船来运送部件，这也是往返途中推进剂和其他物资的来源。我们希望人员能够安全高效地旅行，因此我们更倾向于循环式中转站方案。它们在火星附近卸货，然后使用高推力推进进行轨道捕获。栖息地部件已预先放置到位，并在前往资源点的途中被占用，该资源点可能是火卫一。另一种方法是中转站通过预制和本地制造的部件逐渐累积增长。当它增长到足够大时，一部分空间站分离出来，配备足够的人员和设备独立运行。然后，它逐渐调整轨道与火星会合。在此期间，它继续开采附近的小行星并获取必要的物资和设备，这些物资和设备由来自地球轨道的独立拖船运送。

本地建造 - 由于某些小行星含有天然铁合金，因此本地建造的一种简单方法是在太阳能熔炉中加热该合金，然后铸造和加工结构形状。后续建造可以使用更先进的材料和建造方法。太阳辐射通量在整个轨道区域大致相同，因此栖息地的放置位置将取决于小行星、火星卫星和地表材料获取之间的平衡。地表需要使用化学火箭运送更多的能量，并且能量供应少于轨道，因此最初首选的位置将是较高的轨道。随着轨道基础设施的建设，使用地表资源的更近位置变得更加可行。没有一个位置对所有用途都是最佳的，因此我们预计将建造多个栖息地。较大的栖息地可以通过增量分层的方式建造。初始版本将使用几个较小的预制或本地制造的部件。一个更大的压力壳将连接到它们上面。一旦安装了足够的系统，更大的壳体就会被占用。随后的扩展会在该核心周围增加额外的更大的壳体，这些壳体会在完成时依次被占用。以后，可以拆除和回收旧的壳体以腾出内部空间。

火星地表居住

我们预计火星地表作业将经历几个阶段。我们目前所处的阶段是远程操作地球上的设备。地球的往返通信时间为 6 至 45 分钟，因此这种类型的操作必然缓慢。一旦有人居住的栖息地进入轨道区域，这将缩短至不到 2 秒，并且从火卫一到远侧使用中继卫星的时间少于 100 毫秒。因此，近实时或实时远程控制将成为可能。这将允许对地表地点进行广泛的准备，包括为人员在地表工作做准备。某些活动需要人员亲自在地表进行，有些人也会出于自身原因前往那里。一旦地表着陆器的燃料补给能力可用，机组人员可以短时间访问地表，然后返回轨道，那里有更多的栖息地容量。在足够多的栖息地部件被运送到地表并组装好后，他们可以长时间停留。进一步的建设将容纳更大规模的常驻人口。地表上的各种活动，如资源提取，可能需要多个作业地点。因此，多个栖息地和它们之间的地表运输将不断发展。

火星的自然环境对人类生命有害，因此所有生活设施，从宇航服到整个城市，都必须提供对环境的保护，并以某种方式满足人们的基本需求。这些包括空气、水、食物、温度控制、睡眠、卫生，以及长时间停留所需的辐射防护和人工重力。小型人工环境，如宇航服和漫游车驾驶舱，将拥有有限的电力和物资。因此，它们的占用时间将受到限制，之后需要将人员转移到更大、功能更强大的栖息地，并进行充电和补给。

场地准备 - 火星地表上的居住地点在未经一些准备的情况下，不太可能处于可用状态。我们预计将交付用于地表生产的采矿和建筑机器人，并由轨道远程控制。它们也可以用于准备第一个栖息地区域。车辆着陆和发射，以及推进剂生产和储存都存在危险。因此，栖息地地点应位于一定距离之外，并由当地地形（如果存在）进行保护，例如陨石坑壁或山丘。场地各部分之间将需要通道。它们需要清理和平整，并且可能需要砾石填充以提供承重和牵引力。

早期栖息地 - 载人的着陆器将至少需要一个最小的乘员舱，但为了节省运输质量，它们不会比需要的大。乘员可以在着陆器舱内进行非常短的地表停留，大约几天时间。这类似于阿波罗登月舱 的功能。较长时间的停留需要额外的物资和设备，这些物资和设备可以通过无人着陆器提前运送，并由远程控制卸载。如果需要，栖息地可以经历一个“建筑棚”阶段，其中临时地点上的最少数量的模块提供生活区，而更大的永久地点正在准备中。

永久栖息地很可能部分埋入地下，以提供免受运输或生产事故引起的辐射、热量和爆炸的防护。它可以利用自然地貌，例如陨石坑，并根据需要进一步清理和平整。预制加压模块和非加压车辆和存储区域都将被拱形支撑物覆盖，然后用当地土壤和岩石覆盖。出于热量和维护的原因，模块不会直接放在地面上，而是在升高的框架上。如果地面足够稳定，框架可以放在地面上，或者放在钻孔并设置得更深的桩基上。至少需要一套升降机和运输设备来移动和放置较大的部件，并且最终的支撑框架应可调节以适应地面不规则性和沉降。为了提供气密的生活空间，各个模块将需要精确的对齐或灵活的对接端口，但灵活的部分是一个弱点。最好是刚性地连接压力壳。栖息地将需要各种公用事业服务，如电力和流体存储。如果生产区足够近，则可以从那里获得这些服务。

长期栖息地 - 零重力对人体健康有已知的危害，但目前我们没有关于部分重力影响的数据。我们尤其没有关于低重力环境下的怀孕和儿童发育的数据，因为没有宇航员进入过这样的太空环境。地球自然重力的 3/8 可能会不足，即使采取了锻炼和负重等措施。在这种情况下，将需要使用地表上的旋转栖息地来产生人工重力。出于伦理和儿童安全的原因，我们应该假设一旦火星栖息地进入永久殖民者阶段，就需要这样的设施，直到证明它们不是必需的。对于成年人进行知情决策的长时间停留（大约几年），可能不需要人工重力。人工重力在轨道上相对简单，因为它不需要机械运动部件，也不需要处理摩擦和陀螺力。因此，一种可能性是限制孕妇和儿童进入地表，以避免建造旋转结构。但这会增加运输需求，并且目前我们没有足够的信息来确定最佳方法。

火星轨道运输

可重复使用着陆器 -

轨道拖船 -

火星天钩 -

火星地表运输

火星轨道服务

火星地表服务

项目整合

概念细节

火卫一基地

火卫一轨道高度为地表上方5980公里（1.76个火星半径），质量为10.66万亿吨。这使得它成为轨道开发的便捷起点，以及未来地表开发的运营基地。火卫一基地最终将发展到包括全方位的生产、居住、运输和服务功能。但它将从最低可行规模和活动开始，并在此基础上逐步发展。在开始之前，专用轨道器和着陆器任务应彻底勘测这颗卫星。由于重力较低，着陆器可以在多个地点之间跳跃并获得更广的覆盖范围。类似大小彗星上的菲莱着陆器出现的问题可能需要不同的方法，例如“带刺球体”，它可以以任何方向着陆，然后旋转进行观察并使用推进器跳到下一个地点。一旦对卫星进行了勘测，我们将知道需要从其他区域运送哪些初始设备和物资。我们预计月球轨道开发以及地球月球和近地小行星的开采已经开始。因此，最初的交付将通过来自这些地区的电力牵引装置进行。如果需要，还可以从近火星小行星进口其他原材料。由于火星掠过小行星带的内边缘，因此附近有很多候选目标。

太阳能在7小时39分的轨道周期内至少可利用88%，最大日食时间为53分钟。这颗卫星靠近火星赤道，而火星相对于其轨道的倾角为25度。因此，火卫一在至日附近完全避开了火星的阴影，并且在远离春分秋分日期时日食时间减少。卫星的旋转周期与轨道周期相同（即始终一面朝向火星），因此地表位置存在昼夜循环。耗能大的作业可能希望靠近但不要在卫星上进行。这是为了避免火卫一阴影导致太阳能损失。由于这颗卫星的成分尚不清楚，因此我们无法详细规划开采和加工。至少，可以提取大量岩石用于辐射屏蔽。无论成分是什么，某些元素和矿物质都将可用，我们可以找到各种用途。陨石坑密度和结构表明存在深层风化层，其中有一层1米厚的尘埃和小岩石，因此开采这些材料应该相当容易。如果碳或水以足够的数量存在，则可以直接用于推进剂和生命维持。否则，需要进口此类材料。

火卫一基地将通过多种方式服务于轨道区域和地表的开发。首先，作为屏蔽和人造重力平衡锤等散装材料的来源。这些用途不需要加工。接下来，无论发现哪些矿物质和元素，都可以用于扩大当地生产和最终产品。将从地球和之前的太空区域进口一定量的材料，之后再从火星进口，以弥补火卫一的不足。随着时间的推移，将建立轨道基础设施，以实现更大规模、更高效地往返地表运输。轨道有利位置允许在多个中继卫星的辅助下，实时控制整个星球的地面设备。这在表面设施能够支持人类居住之前非常有用，之后还可以作为分散地面位置的中继网络。火星区域的资源可以随后支持小行星带及更远区域的开发。

火星天钩

太空绳比化学火箭更有效地用于大型天体周围的运输。这是因为它们可以使用电推进进行轨道调整，效率大约高出十倍，并为反方向的交通存储轨道能量。在交通流量平衡的极限情况下，它们不需要净能量或推进剂来运行。它们比太空电梯更容易建造，因为它们在物理上更小、应力更低，因此对于任何给定的任务，质量都更低。但是，它们仍然是大型运输基础设施。基础设施的建造成本相对较高，但每次使用的成本都很低。因此，它们不是你在火星上建造的第一件事。相反，它们是在交通流量足以证明其建设合理性时建造的。

我们将研究作为火星运输系统一部分的三个太空绳概念。第一个是一对较小的太空绳，能够从低火星轨道（LMO）到达火卫一轨道，并提供由此产生的火星表面和火卫一上方的任何亚轨道速度。第二个是能够进行完整速度转移到火星表面的单个大型太空绳。第三个是轨道太空绳与地面加速器相结合。实际上，此类系统可以随着时间的推移而发展和演变，并且其他一些尺寸或版本可能最终成为最佳选择。在选择方法之前，需要进行更详细的分析并了解交通需求。目前，我们仅将这三个作为起始概念。

LMO到火卫一太空绳

轨道力学 - 行星质量M与万有引力常数G的乘积称为标准引力参数或 $\mu$ 。火星的值为 $\mu$ = GM = 42.828 x 10^12 m³/s^-2。此值可用于通过以下公式计算圆形轨道速度

v_{o}\approx {\sqrt {\frac {GM}{r}}}

火卫一距火星中心的平均半径为9,377,000米（我们必须使用所有SI单位，而不是其倍数），我们可以确定火卫一的轨道速度为2137 m/s。由于火星的赤道半径为3,396公里，因此火卫一距地表5,981公里。对于椭圆转移轨道，其中r是距天体中心的当前半径，a是半长轴或椭圆长轴的一半，则任何点的速度都可以通过以下公式找到

v^{2}=\mu \left({\frac {2}{r}}-{\frac {1}{a}}\right)

我们希望我们的下部太空绳避免大气阻力，在大约160公里高度时，大气阻力开始变得显著。然后我们初步设定到达火星地表上方240公里处，以考虑下部太空绳的长度。如果我们希望从火卫一转移到火星地表上方240公里处（r = 3636公里），则转移轨道的最高点和最低点的速度以及下部太空绳中心的计算如下

转移轨道最高点：r = 9,377,000 m ; a = 最高点和最低点高度的一半 = 6,506,000 m ; 根据公式 $v^{2}=$ 2,551,844 m^2/s^2，因此v = 1597 m/s。
转移轨道最低点：r = 3,636,000 m ; a与前一个相同 = 6,506,000 m ; 因此 $v^{2}=$ = 16,974,909 m^2/s^2，v = 4120 m/s。
200公里太空绳中心速度：r = a = 3,636,000 m ; v = 3,451 m/s。

从火卫一到转移轨道的速度差为540 m/s，从转移轨道到下部太空绳中心的差为669 m/s。与我们之前研究过的月球或地球轨道太空绳相比，这些速度相对较小，因此它们将具有相对较低的质量比。假设尖端在1个重力下，火卫一太空绳的半径将为29.75公里，而LMO太空绳的半径将为45.6公里。我们关于80公里总长度的初始假设相当接近，并且结构在垂直时仅延伸到160公里以下，因此目前我们忽略了差异。火卫一受潮汐锁定于火星，始终一面朝向火星，但它没有锁定在围绕火星指向轴的旋转上，太阳的潮汐变化和轻微的轨道偏心率会导致它摆动。因此，火卫一太空绳可能不应该直接连接到火卫一，而应该放置在附近。

由于太空钩的末端速度较低，因此它们的质量比都较低。因此，在转移货物时，它们会使其自身的轨道发生很大的偏移。解决方案是在它们的中心点用来自火卫一的足够数量的压载质量来固定它们。低火星轨道太空钩可以以其自身轨道速度减去自转速度的速度放下货物，即3,451 - 669 = 2,782 m/s。火星的赤道自转速度为241 m/s，因此相对于地面的速度将为2,541 m/s。这相当于轨道速度的73.6%和轨道动能的54%，可以通过阻力来耗散。要从火卫一达到火星逃逸速度，需要增加884 m/s。由于我们的火卫一太空钩可以增加540 m/s，因此还剩下344 m/s需要通过其他方式来完成。总的来说，我们的两个太空钩可以提供从火星表面逃逸的5,027 m/s中的2,418 m/s，即48%。对于这样一个小型系统来说，这是一个显著的推进节省，并且火箭部分往返火星运输的质量比和有效载荷分数将得到很大改善。

碳纤维是建造此类结构的绝佳材料。当地生产中可以使用三种可能的碳源。火星的卫星火卫一和火卫二可能含有某些碳，但目前的观测表明，它们在这方面的含量较低。还没有探测器访问过这些卫星或对其进行过足够近距离的观察以确定这一点，因此我们还不能排除它们。从运输的角度来看，它们位于火星轨道上，是首选的来源。75%的小行星是碳质类型，并且火星附近有很多小行星。火星大气层96%是二氧化碳。因此，如果卫星不合适，这些是替代来源。玄武岩纤维不如碳纤维强，但火星表面主要覆盖着玄武岩。这是一种可供选择的建筑材料。最后，对于较小的太空钩，从其他拥有更发达工业的地方运输也是一种选择。

低火星轨道至地表太空钩

完整的轨道到地面太空钩是一个更大的系统。在交通量增长到更高水平之前，它可能在经济上毫无意义，但让我们来看一下一个可能的方案。首先假设一个1000公里高的轨道。这将使火星中心的半径为4,396,000米。根据上述公式，我们计算出轨道速度为3122 m/s。减去火星自转的241 m/s，得到相对速度为2881 m/s。如果末端处于1个重力的向心加速度，那么太空钩的半径将为846公里，并且当太空钩垂直于火星平均海平面以上154公里时，末端将变得静止。这应该足够高以避免明显的空气摩擦。火星全球探勘者号航天器使用了一个大约175公里最低点的无阻力保持轨道，以及120公里到135公里之间的主动大气制动。它在3,500到5,000 m/s的圆形和逃逸轨道速度之间移动时这样做。因此，在最低点速度接近零的太空钩不应该遇到太多阻力。

结构载荷从中心的零到末端的1个重力不等，因此平均为0.5个重力。结构的总应力为423 g-km。已知强度最高的碳纤维为7 GPa，密度为1790 kg/m³，因此在1个重力下的比强度为399 g-km。工程系统的设计永远不会达到极限强度，因为它们会在这一点上失效。允许2.4的安全系数，我们的设计强度为166 g-km。结构质量随总应力与强度的比率呈指数关系，因此太空钩的每个臂的质量是有效载荷质量的11.78倍，整个结构的质量是有效载荷质量的23.6倍。对于一个将被多次使用的系统来说，这是一个合理的比例。

从圆形轨道逃逸的速度高出41%，而这个太空钩可以在旋转的上部提供93%。因此，它可以捕获来自逃逸速度以上有效载荷，并将有效载荷注入到逃逸速度以上，且具有显著的余量。然而，捕获失败的可能性引发了一个安全问题，因为有效载荷随后将飞过火星。如果它搭载人员，实际设计要么只从逃逸速度以下捕获，要么携带一种备用的减速方法。

低火星轨道太空钩与地面加速器

帕弗尼斯山是火星赤道上一个14公里高的盾状火山。它在火星自转方向上有大约120公里的可用斜坡。假设人员和货物的极限加速度为6G，则可能达到3757 m/s的速度。这高于低火星轨道所需的3313 m/s，因此可以使用更短的加速器（93公里）或更低的加速度（4.5G）。山顶的大气压为140 Pa（海平面地球的0.14%），这对加速没有障碍，但会产生一些阻力，并且永久轨道需要一些推进力才能圆化。这么大的地面加速器将是一个大型的建设项目，因此考虑使用较小的加速器和较小的太空钩的组合系统，而不是两者都提供全部速度变化以进入轨道是有意义的。

让我们以一个能够达到火星逃逸速度的低轨道太空钩为例。然后，它可以通过选择太空钩上的释放位置来到达火卫一、火卫二或其他中间轨道。我们首先猜测轨道高度为360公里，以避免大气并允许太空钩半径。轨道速度根据上述公式计算得出为3377 m/s。从该点逃逸的速度为4775 m/s，这需要增加1398 m/s。在1个重力下，半径为199公里，不到上一节中完整轨道到地面的版本的四分之一。总应力为99.65 g-km，使臂的质量为有效载荷的0.86倍，整个结构的质量为有效载荷的1.73倍。这比完整轨道的情况减少了13.5倍。与其他小型太空钩一样，它需要大量的压载质量才能避免在加速有效载荷时将其自身抛出轨道。199公里的半径导致最低点的高度为161公里，并证实了我们避免阻力的猜测。

当我们将末端速度从轨道速度中减去时，这在最低点发生，我们得到围绕火星的净速度约为1979 m/s。火星的自转使相对于赤道的速度为1738 m/s，或无辅助进入速度3554 m/s的49%。因此，只需耗散1/4的动能即可再入，这应该很容易。向上移动时，6G的地面加速器必须长25.2公里，在较低的加速度下则更长。这比全速加速器短3.7倍，并且所需的能量也减少了相同数量。因此，在组合情况下，太空钩和地面加速器都明显更小。两者之间工作的最佳分配，或者是否只使用其中一个，将取决于成本和设计细节，现在判断还为时过早。然而，我们现在已经足够了解，可以至少考虑将组合方案用于未来的火星运输系统。

根据所需速度、加速时间和货物，地面加速器可以是线性的或离心的，在线性情况下可以是电磁的或气压驱动的。离心情况将由电动机驱动。气压和离心方法更适合于在高加速度下运输散装货物，这使得加速器更紧凑。人员和精密设备的加速度限制在6G或更低，这需要更长的加速路径。在这三种主要概念中，先进的运输系统可以随着时间的推移逐步建设。高级系统无法处理的部分将由传统的火箭推进提供。高级系统提供的任何部分都将降低推进剂需求并增加相对于全火箭情况的有效载荷分数。这些节省是建造高级系统的理由。太空钩并不能消除对推进的需要。如果它们的交通不平衡，它们仍然需要一些推进力来维持稳定的轨道。但电力推进的效率至少高十倍，因此推进剂需求大大减少。如果向下的交通量大于向上的交通量，太空钩的高度将增加。在这种情况下，可以利用大气阻力有意地减缓其速度。压载质量可以来自火星的卫星或附近的小行星，并通过大气制动减速。因此，将其部署到位应该不需要消耗大量能量。

火星地表系统

建设

将需要土方设备用于多种用途。火星表面不像地球那样受到辐射保护，因此长期栖息地需要用一层土壤来保护。着陆区需要平整，并在其周围建造防护土堤，以防止排气羽流吹蚀附近的设备。货物运抵地面后，需要进行搬运、起吊和组装，因此需要能够完成这些任务的设备。大多数场地准备工作可能将由遥控机器完成。

电源

太阳能电池板是火星地表上可行的电源。除了沙尘暴外，很少有云层，而且大气稀薄，这部分弥补了距离太阳更远的不足。当需要大量电力时，可以增加放射性同位素或反应堆装置。

现场推进剂制造

在火星表面生产推进剂已被广泛研究，因为它降低了“插旗和足迹”任务从地球带来的质量。如果我们已经拥有强大的轨道采矿和加工能力以及用于运送货物的太空吊杆，那么早期在当地生产燃料与交付相比可能没有太大好处。需要审查这样做的经济性。对于便携式电源，例如在移动车辆中，以及用于返回任务中到达太空吊杆的火箭推进剂，氧气/甲烷燃料混合物是一个合理的组合。一旦燃料需求足够，在当地生产它将更有意义。

线性加速器

帕弗尼斯山位于火星赤道，有一个约175公里长的斜坡，上升约6.5公里。如果需要从火星运送大量货物，则可以在此处使用气体或电磁加速器。如果使用整个斜坡，则可以使用人类可承受的加速度（3.6倍重力）达到轨道速度。这不会是早期系统，因为需要足够的交通量才能证明如此大型的设施是合理的。另一种选择是在山顶上安装离心弹射器，用于早期货物发射。

在轨道上建造一个旋转太空电梯（旋转器）并将其与帕弗尼斯山上的线性加速器耦合是完全可行的（http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/12/Pavonis_mons_topo.jpg）。您拥有60-120公里的坡道空间，并且几乎没有大气层，因此在3倍重力和60公里的情况下，您可以达到火星轨道速度的一半，而旋转器则提供其余部分。

长期发展

过去经常使用“改造火星”这个短语。这不是一个好的短语，因为它意味着“使火星像地球一样”。由于轨道和质量差异，我们无法使火星完全像地球一样，我认为这也不应该是目标。我更喜欢“人性化”这个词，意思是使其更适合人类。它也可能意味着修改人类使其更适应火星环境（如较低的重力）。应将对火星的大规模改变推迟到我们对该星球上是否存在任何本地生命有一个明确的认识之后，即使在那时也要谨慎考虑和深思熟虑。它们还应推迟到火星上有足够多的人口来证明这些大型项目是合理的。因此，接下来更多的是回答从技术角度来看什么是可能的，而不是说“我敦促你做所有这些”。

磁层

火星缺乏强大的磁层——围绕行星的磁场，它捕获并转移来自太空的带电粒子。地球有一个磁层，这是由于我们星球核心产生的磁场。强大的磁层保护大气免受太阳风和其他粒子撞击高层大气而缓慢剥离。除了搅动行星的核心之外，可能还有一些其他方法可以产生磁场。任何一种方法的实用性还有待确定。

沿着纬度线运行一根或多根超导电缆，就像任何载流导线一样，都会产生磁场。
在火星轨道上放置一定数量的铁镍小行星并将其磁化，并将它们的磁场指向相同的方向。
火星是红色的，因为它表面有很多氧化铁。提取铁并将其磁化。您可能能够同时将铁用于其他用途，同时它也是一块磁铁。

与超导体相比，制造磁场的磁铁断裂的方式更少，但是如果超导体99%的时间都能工作，那么剩下的1%对长期大气损失的影响并不大。一些大气泄漏仍然会发生，因为火星比地球小，因此原子更容易逃逸。

温室

如果您想消除泄漏，并在不导入一颗行星大气的情况下将压力提高到可呼吸的水平，则可以使用温室穹顶。如果您确实需要空间，您可以逐步扩展穹顶以覆盖整个星球。为了在火星上创造地球海平面压力，一个压力平衡穹顶将由10米厚的石英、玻璃或等效材料组成，您可以从火星表面材料中提取这些材料。较轻的穹顶往往会漂浮起来，因为内部压力高于周围空气。在这种情况下，需要将它们固定住，以防止它们漂浮起来。一个非常大或行星穹顶不需要太多东西来支撑它，只需要一些塔或电缆来防止它横向移动。

您可以设计透明材料，例如装甲玻璃，使其具有抗损坏性，并且10米的任何东西都非常难以破坏。但是任何东西都可能被破坏，因此需要认真考虑如何处理损坏。作为温室，您可以利用“温室效应”，即地面辐射回的红外热量的捕获。您可以专门选择玻璃类型或添加涂层来捕获红外线。您还需要阻挡太阳紫外线辐射，而火星大气层不会阻挡这种辐射。在地球上，温室效应是一个问题，因为我们不希望地球比现在更热。在火星上，这是一个解决方案，因为目前那里对我们来说太冷了。

完整大气层

如果您发现住在穹顶下令人反感，则需要在可呼吸的水平提供完整的大气层。这是一项非常艰巨的工作，因为行星很大。在火星上，您需要为这颗行星的每一平方米提供25吨的大气层，或者总共36亿亿吨。这是为了提供一个地球大气压。如果您对较少的氧气（类似于地球上的山区）和不同的空气混合物感到满意，那么您可以用更少的量凑合。尽管距离较远，但获取足够氮气最容易的地方可能是柯伊伯带，它位于海王星轨道之外，冥王星也是其中的一部分。您可以利用来自海王星的“反向引力弹弓”将材料送入太阳系内部。太阳系内部的氮气相当稀少，并且从任何具有深重力井（如地球）的地方获取它都需要大量的工作。一些外层卫星可能含有足够的氨气（NH3）。

[待合并文本]

前面各节中讨论的组合系统是到达火星的不同途径。它们逐步构建能力，每一个都为下一个做准备，并且通常使用机器为人类铺平道路。在本节中，我们将讨论到达火星的最后步骤，在之前我们组合系统的技术基础上进行构建。火星是我们已知的与地球最相似的行星，因此我们还将提及一些长期发展的想法。如果发生的话，它们将在以后进行，届时火星和太阳系将得到更充分的发展。