火箭到月球需要10.848km/s的速度,到达火星轨道需要11.6km/s的速度。到达火星可以利用火星大气减速,而到月球需要克服月球的引力。月球逃逸速度为2.38km/s。根据动能公式E=1/2mv^2,每千克物质到达月球所需要能量是到火星的91.66%,可以看出到火星和到达月球其实是差不多的,月球所需能量要少一点。其次算一下两者到达小行星带的能量。从月球出发需要逃逸速度2.38km/s的,需要克服地球和火星轨道的引力势能差(△E=1/2*11.6^2-1/2*10.848^2)。从火星出发需要逃逸速度5km/s。经过计算,从月球出发到达火星轨道需要能量是逃离火星引力场的90.11%,同样月球所需能量略小于火星。
再来计算航行时间,从地球到月球需要3~4天(阿波罗计划),从地球到火星需要240天。根据开普勒第三定律R^2=T^3,从月球到小行星带(按2.8天文单位计算)用霍曼转移轨道需要2.62年,从火星到小行星带用霍曼转移轨道需要3.2年。(虽然同样是霍曼轨道,月球所需时间小于火星)
上面是理论计算,来看实际火箭载荷如何?长征五号月球轨道转移8.2吨(嫦娥五号8吨),火星转移轨道5吨。长征九号月球转移轨道50吨,火星转移轨道37吨。长征3号乙增强型火箭465吨,嫦娥三号发射载荷3780公斤;美国宇宙神5号火箭546吨,好奇号火星探测器发射载荷3893公斤。
从以上可以看出,月球比火星容易一些,但相差不大。至于星球环境,火星要比月球好,水也多。知乎有个回答:火星和月球哪个更适合成为人类第一个外星永久殖民地?
https://www.zhihu.com/question/36052345可以参考。
在辐射上,好奇号探测出火星表面与空间所受辐射相同,是10的数量级,地面是0.03的数量级,客机是2.8的数量级。而月球表面则是7~12的数量级,虽然月球看似没啥空气。但是因为月球引力存在,月球大气类似空间站外部的地球大气,每立方厘米里有8万个分子,对宇宙辐射有一定防护。但是对太阳辐射防护不如火星。