推進(jìn)器革命

編譯 李威

美國宇航局的月球隕石坑觀測和遙感衛(wèi)星任務(wù)是危險而短暫的。它始于 2009 年 10 月 9 日，當(dāng)時，一個完成了使命的半人馬座火箭以大約 2 噸 TNT當(dāng)量的能量撞入月球南極附近的卡比斯隕石坑。幾分鐘后，一艘尾隨的宇宙飛船飛過并分析了在它墜毀之前升起的碎片羽流，之后這艘宇宙飛船也墜毀在了那里。羽流有大約6%的成分是水，這可能是來自火山深處的冰。那里的溫度從未到過-173 ℃以上。事實證明，月球并不像阿波羅宇航員認(rèn)為的那樣干燥?！斑@是我們觀測到的第一個基本事實，即存在水冰?！眳⑴c該任務(wù)的美國宇航局艾姆斯研究中心的行星科學(xué)家詹妮弗?赫爾德曼（Jennifer Heldmann）說。

如今，赫爾德曼想再發(fā)射一枚火箭來探測月球冰層——但這次不是單程。她把目光投向了星艦，這是一艘由私人火箭公司 SpaceX 開發(fā)的龐然大物，它將成為全球有史以來最大的飛行物體。借助星艦，赫爾德曼可以向月球發(fā)送 100 噸重的物體，這一載重是執(zhí)行阿波羅任務(wù)的土星五號火箭登月有效載荷的兩倍。她希望能夠運送機(jī)器人挖掘機(jī)和鉆機(jī)，并利用星艦上的冷藏裝置存儲水冰。這艘飛船可以帶著數(shù)十噸貨物返回地球。通過分析冰的同位素組成及其所在位置的深度等特征，她可以了解水冰的起源：其中有多少成分并非來自太陽風(fēng)緩慢、穩(wěn)定的注入，而是來自數(shù)十億年前彗星和小行星的轟炸。她還可以發(fā)現(xiàn)，哪里的冰足夠豐富和純凈，可以支持人類的首批前哨站正常運行?！斑@項研究優(yōu)先度很高，對未來的科學(xué)探索也至關(guān)重要。”赫爾德曼說。

當(dāng) SpaceX 首席執(zhí)行官埃隆?馬斯克（Elon Musk）談到星艦時，主要關(guān)注的是人類的科研探測任務(wù)：在火星上建立基地，讓人類成為可在多個行星生存的物種，從而避免文明的滅絕。但赫爾德曼和許多其他人認(rèn)為，重型火箭也可以從根本上改變太空科學(xué)家的工作方式。如果 SpaceX 估算的貨物發(fā)射成本低至每公斤 10 美元，他們就可以更頻繁地運載更大更重的儀器，而且成本更低。在火星上，他們可以放置多個非一次性的漫游車?？臻g望遠(yuǎn)鏡可能會變得更大，近地軌道上的衛(wèi)星編隊也會讓人習(xí)以為常。天文學(xué)、行星科學(xué)和地球測量學(xué)都可以比以往任何時候發(fā)展得更快。

當(dāng)然，星艦?zāi)壳斑€只是存在于紙面上。所有的目光都將集中在第一次軌道發(fā)射測試上，這一測試預(yù)計將在未來幾個月內(nèi)進(jìn)行。不過，即使這一發(fā)射成功了，也沒有人知道 SpaceX 能否實現(xiàn)其發(fā)射火箭并多次重復(fù)使用的愿景。同樣懸而未決的是另一個問題：市場是否會為載重量如此之大的火箭買單。但是，“科學(xué)家們確實需要做好準(zhǔn)備，”赫爾德曼說，“在這些功能可以實現(xiàn)時，我們在科學(xué)方面需要準(zhǔn)備好利用它們?！?/p>

SpaceX 預(yù)計將在未來幾個月內(nèi)進(jìn)行首次軌道試飛，發(fā)射這一 120 米高的星艦

噴氣推進(jìn)實驗室前軟件工程師凱西?漢默（Casey Handmer）說，包括噴氣推進(jìn)實驗室在內(nèi)的很多美國宇航局科研中心也設(shè)計和實施了許多空間科學(xué)任務(wù)。他在一系列標(biāo)題為“星艦尚未為人熟知”的博客文章中指出，星艦將顛覆傳統(tǒng)的空間科學(xué)研究方式——即花費數(shù)十億美元制造可以完美運行的獨一無二的儀器。他說，如果美國宇航局的科研中心沒有找到價格更低廉的方法，他們就會發(fā)現(xiàn)自己會被愿意這樣做的公司取代?！斑@對美國宇航局而言是個不好的預(yù)兆，” 漢默說，“他們應(yīng)該認(rèn)真思考這個問題?！?/p>

在2022年2 月的一個溫暖的夜晚，馬斯克大步走上SpaceX基地發(fā)射場的所在地得克薩斯州博卡奇卡市的一個展臺，公開展出星艦的最新狀態(tài)。在他身后，最新的火箭沐浴在燈光中，大約有 120 米高。載人或有效載荷的部分位于超重型助推器的頂部。這一原型機(jī)還沒有準(zhǔn)備好飛行，美國聯(lián)邦航空管理局 （FAA） 也沒有允許 SpaceX 從基地對其進(jìn)行發(fā)射——但它看上去仍然是一個壯觀無比的背景。在對一群忠實的火箭極客表示歡迎之后，馬斯克開始了他的即興演講，主題是推動他和他的公司飛向太空的指導(dǎo)思想?！盀槭裁次覀円ㄔ煲粋€巨大的、可重復(fù)使用的火箭？為什么要讓地球生命在多個行星繁衍生存？我認(rèn)為這對生命本身的未來來說，是一件非常重要的事情。”

SpaceX 的主力火箭， 70 米高的獵鷹 9 號的大名在航空航天業(yè)務(wù)界如雷貫耳。它采用逆向和可操縱的尾翼來引導(dǎo)第一級火箭在重新進(jìn)入大氣層后著陸。憑借該火箭，SpaceX開創(chuàng)了可重復(fù)使用火箭的先河?，F(xiàn)在，SpaceX 例行公事一般地給它涂上了一層新油漆并再次發(fā)射。6 月時，他們進(jìn)行了第 13 次飛行測試，這創(chuàng)下了一個記錄。另一個記錄也即將到來：他們有望在今年發(fā)射 50 多枚獵鷹9號和獵鷹重型火箭，可能平均每周就會發(fā)射一枚。SpaceX對發(fā)射獵鷹 9號的報價為 6 700 萬美元，這遠(yuǎn)低于競爭對手。他們的火箭可以可靠地重復(fù)使用，具有快速的發(fā)射節(jié)奏。但馬斯克并不滿足。

2016 年，在墨西哥舉行的國際宇航大會上，馬斯克規(guī)劃了一種用于殖民火星的火箭，他將其稱為大獵鷹火箭（BFR）。這個概念后來演變成了星艦，但它依然具有大載荷和可重復(fù)使用性——這使得火箭發(fā)射就像是例行公事，仿佛是聯(lián)邦快遞貨運航班一樣?；鸺闹黧w是不銹鋼結(jié)構(gòu)，比大多數(shù)火箭的鋁合金更重，但更便宜，也更容易制造。33 臺猛禽發(fā)動機(jī)利用的是超重燃燒甲烷而不是傳統(tǒng)的基于煤油的火箭燃料，這不僅是因為它更便宜，也因為我們可以通過二氧化碳和水的結(jié)合在火星上收獲它。助推器被設(shè)計為可以在6分鐘的航行后返回發(fā)射臺。設(shè)計人員相信，它可以在一小時內(nèi)加油完畢并準(zhǔn)備好重新啟動。星艦本身也是可重復(fù)使用的。目前的目標(biāo)是達(dá)到每天發(fā)射三次的頻率。

一旦進(jìn)入軌道，星艦可以被加速，使其能夠?qū)?00 噸的有效載荷帶到月球或火星。在 2 月的活動中，馬斯克說明了一艘每周發(fā)射 3 次的星艦如何在一年內(nèi)將超過15 000噸的貨物送入軌道——這大約相當(dāng)于整個太空飛行歷史上所運送的所有貨物的總重量。馬斯克聲稱，每次發(fā)射的價格最終可能會低至 100 萬美元，如果是到近地軌道的話，可以達(dá)到每公斤 10 美元。唯一接近星艦的火箭是美國宇航局的太空發(fā)射裝置，它預(yù)計將于今年首次亮相。今年早些時候，他們的審計員給出結(jié)果，每次發(fā)射將耗資約 40 億美元，即每公斤近 60 000 美元。

一家名為歐洲空間公司的工業(yè)貿(mào)易集團(tuán)的太空經(jīng)濟(jì)學(xué)家皮埃爾?萊昂內(nèi)特 （Pierre Lionnet）對 SpaceX 能否實現(xiàn)如此低的價格持懷疑態(tài)度。例如，他們可能無法正確計算開發(fā)和建造火箭的成本?！爱?dāng)我看到星艦時，我看到的是一種看起來非常昂貴的設(shè)備。”為了以如此高的資本成本實現(xiàn)盈利，SpaceX必須達(dá)到其雄心勃勃的發(fā)射率，這意味著它需要客戶來提供所有的貨運能力。SpaceX 希望在太空采礦、旅游或其他尚未實現(xiàn)的活動中開發(fā)新市場，但萊昂內(nèi)特不太確定這臺重型火箭能完全激發(fā)資本的這種胃口?！叭绻闶撬厥持髁x者，我就算以最便宜的價格提供給你一個漢堡，你也不會吃。”

一切靠事實說話。2021 年 5 月，在經(jīng)歷了幾次故障后，一艘星艦飛入了大氣層上方約10公里的高度。著陸后，它短暫起火，但SpaceX認(rèn)為這一次亞軌道飛行是成功的。從那以后，SpaceX 建造了發(fā)射場和一個發(fā)射塔，并且可以用公司稱之為“筷子”的兩個機(jī)械臂捕捉返回的助推器。SpaceX改進(jìn)了火箭裝配線，現(xiàn)在他們每周可以生產(chǎn)四臺猛禽發(fā)動機(jī)。6 月，美國聯(lián)邦航空局批準(zhǔn) SpaceX 可以從新建的發(fā)射場發(fā)射火箭，前提是它要采取措施盡量減少對環(huán)境的影響。

在2月份的活動中，馬斯克表示，他有信心今年首次進(jìn)行星艦的軌道嘗試。對于馬斯克來說，科幻的夢想觸手可及。“讓我們把它變成現(xiàn)實！” 他揮舞著拳頭鼓舞大眾。

對馬斯克來說，確認(rèn)科學(xué)上的可能性是事后才想到的事情。但赫爾德曼感到驚訝的是，對于許多行星科學(xué)家來說，星艦的設(shè)想同樣也并沒有經(jīng)過深思熟慮。

2020 年，她和一組研究人員和業(yè)內(nèi)人士提交了一份白皮書，宣傳星艦在行星科學(xué)“十年調(diào)查”中的重要性。這是一項有影響力的活動，它可以幫助美國宇航局和國會確定長期優(yōu)先發(fā)展的科研活動。“現(xiàn)在是嘗試將這個想法融入他人意識的好時機(jī)?！彼f。赫爾德曼和同事建議，美國宇航局為星艦的任務(wù)設(shè)立專門的資金線。

調(diào)查委員會接受了這一想法，在其 4 月份的報告中明確提到了星艦，并引用了赫爾德曼論文中的觀點。委員會建議設(shè)立一條與星艦規(guī)格相關(guān)的資金線，并表示美國宇航局應(yīng)該計劃利用火箭的潛力開展科研任務(wù)。“飛往火星的貨物和人員提供了重要的潛在科學(xué)機(jī)會?！蔽瘑T會說。

2021年，工人們在超重型助推器上堆放了一艘星艦的上層結(jié)構(gòu)

科羅拉多大學(xué)博爾德分校大氣與空間物理實驗室主任丹尼爾?貝克（Daniel Baker）指出，這些優(yōu)勢不僅限于月球和火星的相關(guān)任務(wù)。例如，重力較弱的水星一直是一個棘手的目標(biāo)，因為它需要額外的燃料來減慢航天器進(jìn)入軌道的速度。太陽的熱量是另一個問題。但星艦完全可以裝載大型油箱或防止航天器熔化所需的遮陽板。貝克還設(shè)想了更快的外行星任務(wù)，不需要來自其他行星的耗時長久的引力輔助。根據(jù)一個擬議的任務(wù)，星際探測器甚至可以追隨美國宇航局著名的旅行者號任務(wù)的腳步，攜帶更強(qiáng)大的儀器，更快地到達(dá)更遠(yuǎn)的星際空間。

一些天文學(xué)家也在關(guān)注星艦。夏威夷大學(xué)馬諾阿分校的宇宙學(xué)家大衛(wèi)?魯賓（David Rubin）說：“雖然大家已經(jīng)討論得很多了，但從大多數(shù)指標(biāo)來看，它可能是 ‘有史以來最好的火箭發(fā)動機(jī)’?！北热鐑r值 100 億美元的詹姆斯?韋布空間望遠(yuǎn)鏡 （JWST） ，如果它的 6.5 米寬的分段鏡不必折疊起來安裝在火箭上，發(fā)射它可能會簡單得多。工程師們可以建造一面單片鏡，并將它安置在 9 米寬的星艦整流罩內(nèi)，整流罩的體積約為熱氣球的一半。

魯賓還希望使用星艦在太空中建造一個巨大的比如30米長的望遠(yuǎn)鏡。有機(jī)械臂的機(jī)器人可以在腳手架上精確地放置鏡子的部分結(jié)構(gòu)，形成一臺巨大的望遠(yuǎn)鏡。它可以觀測宇宙中的第一代星系，并在類地系外行星的大氣層中尋找生命跡象?！爸灰ㄔ煸絹碓酱蟮耐h(yuǎn)鏡，科學(xué)的規(guī)模會迅速擴(kuò)大。”魯賓說。

并非所有的天文學(xué)家都是 SpaceX 的粉絲。SpaceX 已經(jīng)將近 3 000 顆星鏈互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射到低軌道，在這些衛(wèi)星上閃爍的光線會在地面望遠(yuǎn)鏡的相機(jī)上留下條紋。星艦會使得這個問題進(jìn)一步嚴(yán)重，因為它可以一次發(fā)射數(shù)百個星鏈衛(wèi)星，從而更快地達(dá)成Space X的多達(dá) 42 000 顆衛(wèi)星的發(fā)射計劃。SpaceX現(xiàn)在為衛(wèi)星配備了“遮陽板”，以減少反射眩光，但天文學(xué)家仍然十分擔(dān)心?！拜p易就可以進(jìn)入太空和地球軌道有很多好處，”西雅圖華盛頓大學(xué)天文學(xué)家、國際天文學(xué)聯(lián)盟中心成員梅雷迪思?羅爾斯（Meredith Rawls）說，“但我們需要確保以謹(jǐn)慎的方式行事，不能讓它成為一場大災(zāi)難。” 國際天文學(xué)聯(lián)盟中心的成員十分希望可以減輕衛(wèi)星的干擾。

萊昂內(nèi)特指出，優(yōu)惠的發(fā)射價格只會進(jìn)一步大大降低任務(wù)成本。萊昂內(nèi)特表示，對于重大科學(xué)項目，發(fā)射成本通常僅占總價格的 5% 到 10%。對于 JWST，比例甚至更小。JWST的發(fā)射器，阿麗亞娜5型運載火箭的標(biāo)準(zhǔn)成本約為 1.75億美元，僅占任務(wù)總價格的 2%?！皬?fù)雜的望遠(yuǎn)鏡仍然是最重要的部分?！比R昂內(nèi)特說。

更便宜的發(fā)射成本可以讓探測器本身更便宜，對節(jié)省重量或體積的太空級部件的需求更少。有了星艦，想要為漫游車配備光譜儀的行星科學(xué)家只需在互聯(lián)網(wǎng)上購買一臺即可。天文學(xué)家可以使用玻璃鏡而不是像 JWST 那樣的輕量級鈹鏡。而且，魯賓說，我們可以利用硬件屏蔽輻射，而不是用特殊材料焊接電路。

數(shù)以千計的六角形熱瓦可以防止星艦在重新進(jìn)入地球大氣層時起火

地球測量研究人員也已經(jīng)走上了這條路。一家名為大地觀測空間的太空工業(yè)咨詢公司創(chuàng)始人阿拉文德?拉維坎德蘭（Aravind Ravichandran）說，多年來，遙感衛(wèi)星體積龐大且價格昂貴——可以說與 JWST 幾乎沒有什么不同。但大約十年前出現(xiàn)了“小型衛(wèi)星”革命：研究人員縮小和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備，并利用相對便宜的獵鷹 9 號發(fā)射設(shè)備，甚至?xí)推渌⌒脱b置拼車搭載小型火箭。

大學(xué)生們?nèi)缃窨梢詫⑿写笮〉牧⒎襟w衛(wèi)星送入太空。使用廉價相機(jī)和電子消費產(chǎn)品，行星公司建立了一個由大約200 顆小型衛(wèi)星組成的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，這些衛(wèi)星每天收集地球陸地的圖像。拉維坎德蘭認(rèn)為，星艦使得組建更大的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)變得更加容易——我們將有足夠多的眼睛在地球上每隔一小時就多次重新觀測指定地點。“為什么我們不能每 5 分鐘就觀測一次？或是每10分鐘一次？” 拉維錢德蘭問道。他說，想象一下，這種重訪率對于追蹤山火或洪水可能會起到關(guān)鍵作用。

現(xiàn)在身為清潔能源企業(yè)家的漢默希望，天文學(xué)家和行星科學(xué)家可以考慮這種大膽的想法。為什么不能有 30 米的望遠(yuǎn)鏡？為什么直徑不能是 1 000 米呢？為什么我們不大規(guī)模生產(chǎn)可以探測數(shù)十顆小行星的探測器呢？為什么我們不能在未來十年內(nèi)飛越所有的外行星？或是每年都能登陸不同的行星？

在漢默看來，問題的部分原因在于文化：美國宇航局的工程師試圖在第一次嘗試時就不惜一切代價地做好一切——極其昂貴、拖延已久的 JWST 就是一個典型的例子。“這有點像中世紀(jì)的大教堂?！彼劦竭@樣的旗艦任務(wù)時說。為了利用星艦的巨大容量，漢默估計美國宇航局能夠以通常成本的一小部分來制造 100 倍價值的東西。它需要成為一家快消品工廠，而不是精品店。但在噴氣推進(jìn)實驗室工作后，漢默并不認(rèn)為這會發(fā)生?！澳抢锊贿m合大規(guī)模生產(chǎn)任何東西?！彼f。

魯賓說，美國宇航局的科研中心可能會被更靈活的公司或私人資助的科學(xué)家甩在后面?！叭绻汕先f噸的貨物可以進(jìn)入軌道，那么總會有人想辦法在沒有美國宇航局涉足的情況下將望遠(yuǎn)鏡放在那里?！彼f。自稱為“月球物流公司”的宇航機(jī)器人技術(shù)公司就以這種商業(yè)模式嶄露頭角。它計劃將著陸器和漫游車送上月球，并為付費客戶攜帶儀器。

噴氣推進(jìn)實驗室的總工程師羅伯特?曼寧（Robert Manning）認(rèn)為他們并沒有那么抗拒改變。但他也質(zhì)疑漢默對廉價、大規(guī)模生產(chǎn)的探測器的看法。科學(xué)前沿使用的設(shè)備很少是標(biāo)準(zhǔn)的。每一項任務(wù)都有新的目標(biāo)和問題，都需要創(chuàng)新。曼寧說，作為一個公共機(jī)構(gòu)，他們很難承擔(dān)風(fēng)險?！拔覀冇辛x務(wù)確保自己不會浪費納稅人的錢，”他說，“我們不能輕率地將東西扔到太空并說，好吧，如果它不起作用，那我們就再建造一個?！?/p>

1992 年，時任美國宇航局局長的丹尼爾?戈爾?。―aniel Goldin）推動美國宇航局尋求“更快、更好、更便宜”的方法。在火星氣候軌道飛行器和火星極地著陸器失事后的十年，這一口號被拋棄了。如果一種更快、更好、更便宜的文化要回歸，曼寧說，美國宇航局和國會都必須支持冒險——并在出現(xiàn)問題時支持它?！昂茈y在政治上傳達(dá)我們的這種想法?！甭鼘幷f。

但他承認(rèn)，假設(shè)所有這些問題都能自行解決，頻繁、低成本、大批量的發(fā)射可以“為我們提供一個難得的機(jī)會，讓我們改變完成工作的方式并愿意承擔(dān)更多風(fēng)險?！?他說，噴氣推進(jìn)實驗室已經(jīng)在考慮這個問題——例如，考慮如何在美國宇航局的定制深空任務(wù)中加入標(biāo)準(zhǔn)化、低成本的組件。

星艦帶來的火箭革命還有待觀察。“我們還不能對此采取行動，”曼寧說，“因為這還沒有真的發(fā)生?！碑?dāng)星艦進(jìn)行首次軌道發(fā)射嘗試時，許多研究人員都會遠(yuǎn)遠(yuǎn)觀望，等待著判斷那枚巨大的銀色火箭究竟是對空間科學(xué)未來的大膽探索，還是只是一場海市蜃樓。

資料來源 Science