行星科學(xué)家：以以前從未想過的方式到達(dá)外太陽系
SpaceX公司星艦前往土星系統(tǒng)的想象圖
（神秘的地球uux.cn報(bào)道）據(jù)cnBeta：詹妮弗·赫德曼盯著桌上的電腦屏幕，觀看一枚火箭的科學(xué)上面級(jí)撞上月球南極附近的一個(gè)隕石坑。以科學(xué)的家前名義，這塊2.3噸重的達(dá)外鋼鐵在撞擊月球時(shí)的沖擊力相當(dāng)于2噸TNT炸藥。
那是太陽2009年10月，赫德曼在美國國家航空航天局（NASA）艾姆斯研究中心的行星想過系科學(xué)操控中心追蹤了這次撞擊。作為一名33歲的科學(xué)行星科學(xué)家，這是家前她為NASA執(zhí)行第一個(gè)重大任務(wù)，主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)地面望遠(yuǎn)鏡對(duì)撞擊進(jìn)行觀測。達(dá)外
NASA試圖通過“月球坑觀測和傳感衛(wèi)星”（LCROSS）任務(wù)“觸及月球上的太陽冰”。20世紀(jì)60年代和70年代初，行星想過系阿波羅號(hào)飛船登上了月球，科學(xué)然后發(fā)現(xiàn)這是家前一個(gè)灰色、貧瘠的達(dá)外世界。但后來，太陽科學(xué)家們開始相信，在月球兩極的隕石坑邊緣下方，有一些水冰就存在于永久陰暗的月壤中，這是數(shù)十億年來彗星撞擊的殘留物。半人馬座火箭的任務(wù)目標(biāo)就是撞擊其中一個(gè)隕石坑，驗(yàn)證科學(xué)家們的猜想是否正確。
在仔細(xì)研究了撞擊數(shù)據(jù)后，NASA宣布，半人馬座火箭撞擊所激起的物質(zhì)羽流中確實(shí)發(fā)現(xiàn)了水，以及月球巖石在受到撞擊時(shí)噴出的物質(zhì)。
對(duì)詹妮弗·赫德曼來說，這是她職業(yè)生涯的關(guān)鍵時(shí)刻之一。這段經(jīng)歷堅(jiān)定了她對(duì)行星科學(xué)的興趣，特別是追蹤其他星球上的水。“這項(xiàng)任務(wù)的結(jié)果有著如此深遠(yuǎn)的影響，實(shí)在令人驚訝，”她說道。
在月球上發(fā)現(xiàn)水冰開啟了一個(gè)新的時(shí)代。行星科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在太陽系中，冰和水幾乎無處不在：在木衛(wèi)二（Europa）和土衛(wèi)二（Enceladus），在火星表面，甚至在更遙遠(yuǎn)的星球上，比如冥王星的內(nèi)部或海王星最大的衛(wèi)星——海衛(wèi)一（Triton），都有水冰的存在。
這些發(fā)現(xiàn)帶來了各種令人遐想的前景。在有水的地方——或者曾經(jīng)有水的地方——生命就可能發(fā)展起來。因此，科學(xué)家們已經(jīng)不只是在火星長期干涸的湖床中尋找化石，也開始在木衛(wèi)二、土衛(wèi)二和其他星球的浩瀚海洋中尋找生命有機(jī)體。對(duì)于人類的太空探索事業(yè)，水的廣泛存在也提供了巨大的機(jī)會(huì)：哪里有水，哪里就有火箭燃料的組成部分——液氫和液氧。
在很大程度上，這些發(fā)現(xiàn)也影響了NASA科學(xué)和載人航天計(jì)劃的重心。在該機(jī)構(gòu)每年約30億美元的行星科學(xué)預(yù)算中，有越來越多的資金是用來支持可能在其他星球上發(fā)現(xiàn)生命證據(jù)的任務(wù)。過去四年里，NASA一直在制定一項(xiàng)計(jì)劃，希望將宇航員再次送上月球，并在那里提取水，為將來把人類送上火星做準(zhǔn)備。
對(duì)科學(xué)家來說，問題總是比答案多，而可用資金往往不足以滿足他們想要執(zhí)行的任務(wù)。水在太陽系的普遍存在進(jìn)一步激發(fā)了行星科學(xué)家們的興趣，他們想讓探測機(jī)器人前往太陽系更遠(yuǎn)的地方，確定各個(gè)星球上冰沉積物和地下海洋的特征。隨著我們對(duì)太陽系的了解越多，其奧秘也越來越多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們的想象。因此，尤其令人沮喪的是，我們目前還無法飛到那些神秘的星球上，真正解開這些奧秘。
那么，如果我們可以做到呢？
一些行星科學(xué)家已經(jīng)開始認(rèn)同一個(gè)觀點(diǎn)，即例如SpaceX公司的新型火箭“星艦”（Starship）具有前所未有的運(yùn)載能力，并具有非同尋常的低成本潛力，可能會(huì)讓太陽系探索進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代。想象一下，我們可以向木衛(wèi)二發(fā)射著陸器，探索其巨大、溫暖的次表層海洋。在最近的NASA計(jì)劃會(huì)議上，行星科學(xué)家們就考慮了這項(xiàng)任務(wù)的可能性，他們向木衛(wèi)二發(fā)射一臺(tái)耗資數(shù)十億美元的復(fù)雜航天器，開展更深入的科學(xué)研究；在最佳條件下，這臺(tái)航天器的大小和質(zhì)量只能與迷你冰箱相當(dāng)。
相比之下，如果有了類似星艦這些更大能力的太空運(yùn)輸工具，人類或許就能夠?qū)⒏嗟目蒲杏行лd荷發(fā)射到木衛(wèi)二，其大小相當(dāng)于一幢沒有家具的單層房屋，以我們以前從未想過的方式到達(dá)外太陽系，這將為探索這些世界提供一種革命性的嶄新方式。
星艦的源起
SpaceX公司的工程師們已經(jīng)在星艦的研發(fā)上努力工作了大約5年時(shí)間，并在過去的12個(gè)月里，完成了數(shù)次初期飛行測試。盡管還有很多技術(shù)性工作要做，但該公司目前在研制的這種超重型火箭具有許多優(yōu)勢，包括可重復(fù)利用和低成本，而且有可能將多達(dá)100噸重的火箭送到太陽系大多數(shù)天體的表面。
SpaceX公司的創(chuàng)始人埃隆·馬斯克將星艦視為將人類送上火星，并最終在那里定居點(diǎn)的關(guān)鍵火箭。不過，在行星科學(xué)家們看來，這樣的航天運(yùn)輸工具在科學(xué)、探索和防御方面還有無數(shù)其他的用途。
高度可靠的星艦可能還需要幾年的時(shí)間才能問世，但從2022年初開始，SpaceX公司可能會(huì)進(jìn)行一系列的軌道測試飛行。現(xiàn)在，NASA的載人航天項(xiàng)目也對(duì)星艦非常有信心，以至于將其作為其阿爾特彌斯月球計(jì)劃（Artemis Moon Program）的著陸系統(tǒng)。如果星艦最終失敗的話，NASA可能就不會(huì)重返月球了。
“星艦可以為前往火星和其他星球的任務(wù)提供前所未有的大量有效載荷，”詹妮弗·赫德曼說，“行星科學(xué)家需要思考的問題是，我們?nèi)绾卫眠@種非凡的能力。如果我們想抓住這些機(jī)會(huì)，在無人測試飛行中獲得有效載荷，那現(xiàn)在就需要行動(dòng)起來。”
2018年，SpaceX公司首次接觸行星科學(xué)界，并通過舉辦一系列“火星研討會(huì)”解決了一些基本問題，比如火星上可能的著陸點(diǎn)，以及與人類在火星表面安全生活和工作有關(guān)的知識(shí)空白。
該公司還邀請(qǐng)了火星研究領(lǐng)域的知名人士，有幾十人參與其中。一些研究者已經(jīng)接受了SpaceX公司的愿景，但也有人持懷疑態(tài)度。隨著時(shí)間的推移，也隨著SpaceX建造并測試了原型機(jī)，就連一些懷疑者也開始相信星艦的潛力。
“隨著星艦逐漸成為現(xiàn)實(shí)，人們的想法也開始改變，”曾參與火星研討會(huì)的行星科學(xué)家、火星專家塔尼婭·哈里森說，“NASA選擇使用星艦來執(zhí)行月球任務(wù)，是對(duì)其可靠性的巨大提升。”
新的白皮書
今年早些時(shí)候，許多參加過研討會(huì)的研究者開始意識(shí)到，在使用星艦進(jìn)行科學(xué)任務(wù)的過程中，NASA的參與已經(jīng)迫在眉睫。因此，他們撰寫了一份白皮書，題為《通過SpaceX星艦任務(wù)加快推動(dòng)火星和月球科學(xué)》（Accelerating Martian and Lunar Science through SpaceX Starship Missions），詹妮弗·赫德曼是第一作者。
來自學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和SpaceX公司的20多名火星研究人員（塔尼婭·哈里森也位列其中）在這份白皮書上簽了名。他們向NASA的領(lǐng)導(dǎo)層發(fā)出了響亮的呼吁，希望后者能為開發(fā)星艦的科學(xué)有效載荷提供資金。
這些科學(xué)家和工程師寫道：“NASA必須制定一個(gè)與星艦開發(fā)路徑一致的資助計(jì)劃，包括一個(gè)快速的發(fā)展時(shí)間表。與傳統(tǒng)的行星科學(xué)任務(wù)相比，星艦具有相對(duì)較高的風(fēng)險(xiǎn)承受能力，如果成功，最終將帶來較高的潛在科學(xué)價(jià)值。”
星艦與以往運(yùn)載火箭的的關(guān)鍵區(qū)別在于質(zhì)量。如今，當(dāng)一名科學(xué)家計(jì)劃探索另一個(gè)星球時(shí)，會(huì)面臨兩大制約因素：成本和質(zhì)量。星艦可能對(duì)成本有一些影響，能用更少的錢發(fā)射更多的火箭。但最大的變化是，科學(xué)家們不再需要過度關(guān)注質(zhì)量。他們可以攜帶更多的儀器，擁有更多的防護(hù)，“這完全改變了游戲規(guī)則，”哈里森說道。
多年來，NASA關(guān)于行星探索的最高優(yōu)先級(jí)一直是從火星帶回巖石樣品，然后在地球的高科技實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行詳細(xì)研究。最后，該機(jī)構(gòu)提出了一個(gè)與歐洲空間局（ESA）合作的基線計(jì)劃，并開始為火星樣品返回任務(wù)爭取一些資金。如果一切順利，NASA希望在2031年前從火星帶回?cái)?shù)公斤的巖石樣品。
由于星艦不僅可以在其他星球上著陸，還可以從其他星球起飛，因此它完全有能力改變火星樣品返回任務(wù)。據(jù)估計(jì)，星艦可能將帶回兩噸的巖石樣品，而不只是兩公斤。
這種可能性讓行星科學(xué)家們感到十分興奮，而且不僅僅是年輕一代。美國布朗大學(xué)的詹姆斯·海德在20世紀(jì)60年代曾幫助NASA選定了阿波羅任務(wù)的登月地點(diǎn)，并參與訓(xùn)練了在那里著陸的宇航員。之后，他又開始了杰出的行星科學(xué)研究生涯。
海德熱情地在白皮書上簽了名，并表示自己很欣賞SpaceX公司的愿景，并愿意為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)做出努力。他還在位于加利福尼亞州霍桑的SpaceX公司總部看到了曾推動(dòng)阿波羅計(jì)劃的那種青春氣息、活力和決心。“站在SpaceX工廠的地板上，我體驗(yàn)到了最接近阿波羅計(jì)劃的感覺，”海德說。
NASA會(huì)如何行動(dòng)？
目前，建立一個(gè)專門資助星艦科學(xué)有效載荷的NASA項(xiàng)目似乎有點(diǎn)牽強(qiáng)。NASA通常傾向于將項(xiàng)目交給多個(gè)競標(biāo)者，而不是為一個(gè)特定的飛行器創(chuàng)建特定的項(xiàng)目。而且，即使NASA的領(lǐng)導(dǎo)層決定創(chuàng)建一個(gè)星艦科學(xué)有效載荷的特定項(xiàng)目，美國國會(huì)（甚至白宮）是否會(huì)同意也值得懷疑。國會(huì)議員喜歡為他們的選區(qū)和州提供就業(yè)機(jī)會(huì)，而NASA的傳統(tǒng)承包商滿足了這一需求。相比之下，SpaceX公司非常注重削減成本和提高效率，其工作在少數(shù)幾個(gè)州進(jìn)行，雇傭的承包商相對(duì)較少。
此前，NASA為阿爾忒彌斯計(jì)劃的“人類著陸系統(tǒng)”（Human Landing System）舉辦了一場競標(biāo)，并最終將SpaceX的星艦作為唯一選擇。美國國會(huì)對(duì)此提出了激烈的反對(duì)。然而，對(duì)于前往月球、火星及更遠(yuǎn)星球的科學(xué)有效載荷計(jì)劃，如果只能選擇SpaceX，美國國會(huì)就將爆發(fā)更猛烈的反對(duì)聲浪。
以火星樣品返回任務(wù)為例。NASA計(jì)劃與太空領(lǐng)域的重要盟友歐洲空間局合作，發(fā)射一輛樣品取回漫游車（在歐洲開發(fā)）和一輛由諾斯羅普·格魯曼公司為NASA制造的升空載具。這項(xiàng)任務(wù)的發(fā)射時(shí)間不早于2026年，可能會(huì)搭乘聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA，洛克希德·馬丁太空系統(tǒng)與波音國防太空安全組成的合資公司）的新型運(yùn)載火箭“火神”（Vulcan）。然后，歐洲制造的返回軌道器將搭載同樣由歐洲開發(fā)的阿麗亞娜6號(hào)火箭，將少量樣品帶回地球。
不過，也有一些相關(guān)人士提出，還有其他的選擇。有人建議，NASA應(yīng)該建立一個(gè)“商業(yè)火星有效載荷服務(wù)”項(xiàng)目，以此分發(fā)向火星運(yùn)送科學(xué)有效載荷的合同。
借鑒CLPS項(xiàng)目
商業(yè)火星有效載荷服務(wù)項(xiàng)目將借鑒NASA的“商業(yè)月球有效載荷服務(wù)”（CLPS）項(xiàng)目，后者的主要目的是向私人公司提供資金，建造能夠?qū)ASA有效載荷運(yùn)送到月球表面的航天器，如月球著陸器/飛行器、月球車和運(yùn)載火箭等。到目前為止，NASA已經(jīng)為不同競標(biāo)者提供了6份合同，到2028年的總預(yù)算為26億美元。
“火星探索計(jì)劃分析小組”（Mars Exploration Program Analysis Group，簡稱MEPAG）的科學(xué)家們已經(jīng)提出了類似的想法，他們認(rèn)為“類似CLPS并以火星為重點(diǎn)的項(xiàng)目可以促成未來火星探索技術(shù)及科學(xué)有效載荷的開發(fā)”。
在一個(gè)商業(yè)化的火星項(xiàng)目中，NASA可能會(huì)為其研究中心和其他學(xué)術(shù)團(tuán)體提供資金，由科學(xué)家們負(fù)責(zé)開發(fā)運(yùn)往火星的科學(xué)有效載荷，并讓他們?yōu)槭褂眯桥炋峁┲С帧＿@可能會(huì)緩解NASA的一些政治壓力。
NASA的科學(xué)任務(wù)總負(fù)責(zé)人托馬斯·祖布?xì)J也支持CLPS項(xiàng)目，并愿意承擔(dān)一定程度的失敗風(fēng)險(xiǎn)。他表示，NASA應(yīng)該考慮所有大型火箭在未來幾年上線，并充分利用它們的能力。
未來的可能任務(wù)
在建造更多行星航天器的過程中，隨著科學(xué)家們?cè)絹碓缴俚乜紤]質(zhì)量限制，他們也將遇到其他障礙。世界上只有相對(duì)少數(shù)的人知道如何制造這樣的航天器，培訓(xùn)更多的人需要時(shí)間；另一方面，航天器可以接受真空和振動(dòng)測試的地面設(shè)施也十分有限；然后是成本問題——科研探測器發(fā)射時(shí)最昂貴的部分不是火箭，而是探測器。
一位NASA的高級(jí)官員認(rèn)為，由于執(zhí)行飛行任務(wù)的是星艦，因此科學(xué)任務(wù)理事會(huì)的預(yù)算應(yīng)該不會(huì)突然翻倍。相反，星艦最終會(huì)降低航天器發(fā)射的成本，尤其是在有能力頻繁發(fā)射的情況下。
未來SpaceX公司可能會(huì)每兩年提供一次飛往木星的定期“拼車”飛行。多個(gè)不同大小的探測器可能會(huì)搭載同一艘星艦，借助其動(dòng)力和推進(jìn)力到達(dá)木星系統(tǒng)。一旦到達(dá)那里，每個(gè)航天器都可以飛到各自的軌道或目的地，并依靠星艦作為通信中繼，將信號(hào)傳回地球。這將為每個(gè)航天器的發(fā)射省下大量的質(zhì)量空間和推進(jìn)劑。
SpaceX公司可能在2024年將其第一艘星艦發(fā)射到火星；這可能只是一次測試飛行，以證明這個(gè)巨大的飛行器可以執(zhí)行進(jìn)入火星軌道的任務(wù)。在NASA的日程安排上，還沒有任何科學(xué)探測任務(wù)能趕得上此次首飛，但下一個(gè)火星窗口將在2026年底開啟，對(duì)SpaceX和NASA來說，這似乎是一個(gè)更合理的時(shí)間點(diǎn)。
對(duì)NASA來說，在這段時(shí)間內(nèi)將科學(xué)有效載荷裝上飛往火星的星艦，還是有相當(dāng)多可能性的。NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室可以用一套完全不同的科學(xué)儀器，制造一個(gè)“毅力”號(hào)火星車的復(fù)制品。NASA還可能發(fā)射兩臺(tái)火星勘測軌道飛行器的復(fù)制品，以替換火星上已經(jīng)老化的通信基礎(chǔ)設(shè)施。工程師們還可以擴(kuò)大火星氧氣原位資源利用實(shí)驗(yàn)（MOXIE）的規(guī)模，從火星大氣中產(chǎn)生更多的氧氣。此外，NASA還可以發(fā)送一個(gè)更大的鉆頭，深入火星地下，看看其內(nèi)部是否真的更溫暖、潮濕。
NASA的一位消息人士說：“我們也很高興用機(jī)智號(hào)（Ingenuity）這樣的航天器裝滿星艦。”今年早些時(shí)候，機(jī)智號(hào)無人直升機(jī)隨毅力號(hào)登陸火星，并成為第一架“在另一個(gè)星球上進(jìn)行動(dòng)力控制飛行”的飛行器。
埃隆·馬斯克自己也意識(shí)到與科學(xué)界合作并提升星艦可行性的重要性。前不久，馬斯克在美國國家科學(xué)院與科學(xué)家們進(jìn)行了一個(gè)多小時(shí)的交談，就星艦、行星科學(xué)和其他更深?yuàn)W的話題表述了自己的見解。
“星艦在設(shè)計(jì)上是一個(gè)更廣大太陽系的通用運(yùn)輸裝置，”馬斯克說，“你可以把一個(gè)100噸重的物體帶到木衛(wèi)二表面。這比用小型火箭能運(yùn)載的要多得多。所以，我想這是非常令人興奮的。顯然，我們還有很多事情需要證明。但從架構(gòu)的角度，星艦幾乎可以將任意質(zhì)量運(yùn)輸?shù)教栂抵械娜魏喂腆w表面。” |
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