SpaceX公司星艦前往土星系統(tǒng)的想象圖
新浪科技訊 北京時間4月7日消息，詹妮弗·赫德曼盯著桌上的電腦屏幕，觀看一枚火箭的上面級撞上月球南極附近的一個隕石坑。以科學的名義，這塊2.3噸重的鋼鐵在撞擊月球時的沖擊力相當于2噸TNT炸藥。
那是2009年10月，赫德曼在美國國家航空航天局（NASA）艾姆斯研究中心的科學操控中心追蹤了這次撞擊。作為一名33歲的行星科學家，這是她為NASA執(zhí)行第一個重大任務，主要負責協(xié)調(diào)地面望遠鏡對撞擊進行觀測。
NASA試圖通過“月球坑觀測和傳感衛(wèi)星”（LCROSS）任務“觸及月球上的冰”。20世紀60年代和70年代初，阿波羅號飛船登上了月球，然后發(fā)現(xiàn)這是一個灰色、貧瘠的世界。但后來，科學家們開始相信，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目標就是撞擊其中一個隕石坑，驗證科學家們的猜想是否正確。
在仔細研究了撞擊數(shù)據(jù)后，NASA宣布，半人馬座火箭撞擊所激起的物質(zhì)羽流中確實發(fā)現(xiàn)了水，以及月球巖石在受到撞擊時噴出的物質(zhì)。
對詹妮弗·赫德曼來說，這是她職業(yè)生涯的關鍵時刻之一。這段經(jīng)歷堅定了她對行星科學的興趣，特別是追蹤其他星球上的水?！斑@項任務的結果有著如此深遠的影響，實在令人驚訝，”她說道。
在月球上發(fā)現(xiàn)水冰開啟了一個新的時代。行星科學家們發(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體。對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會：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科學和載人航天計劃的重心。在該機構每年約30億美元的行星科學預算中，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。過去四年里，NASA一直在制定一項計劃，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備。
對科學家來說，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。水在太陽系的普遍存在進一步激發(fā)了行星科學家們的興趣，他們想讓探測機器人前往太陽系更遠的地方，確定各個星球上冰沉積物和地下海洋的特征。隨著我們對太陽系的了解越多，其奧秘也越來越多，遠遠超過我們的想象。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。
火星北部的科羅廖夫撞擊坑，其直徑約82公里。這張圖片是由歐洲空間局的火星快車號探測衛(wèi)星拍攝的
那么，如果我們可以做到呢？
一些行星科學家已經(jīng)開始認同一個觀點，即例如SpaceX公司的新型火箭“星艦”（Starship）具有前所未有的運載能力，并具有非同尋常的低成本潛力，可能會讓太陽系探索進入一個新的時代。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計劃會議上，行星科學家們就考慮了這項任務的可能性，他們向木衛(wèi)二發(fā)射一臺耗資數(shù)十億美元的復雜航天器，開展更深入的科學研究；在最佳條件下，這臺航天器的大小和質(zhì)量只能與迷你冰箱相當。
相比之下，如果有了類似星艦這些更大能力的太空運輸工具，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年時間，并在過去的12個月里，完成了數(shù)次初期飛行測試。盡管還有很多技術性工作要做，但該公司目前在研制的這種超重型火箭具有許多優(yōu)勢，包括可重復利用和低成本，而且有可能將多達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的關鍵火箭。不過，在行星科學家們看來，這樣的航天運輸工具在科學、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間才能問世，但從2022年初開始，SpaceX公司可能會進行一系列的軌道測試飛行。現(xiàn)在，NASA的載人航天項目也對星艦非常有信心，以至于將其作為其阿爾特彌斯月球計劃（Artemis Moon Program）的著陸系統(tǒng)。如果星艦最終失敗的話，NASA可能就不會重返月球了。
2021年8月，星艦的飛船部分吊裝到了超重型助推器上方
“星艦可以為前往火星和其他星球的任務提供前所未有的大量有效載荷，”詹妮弗·赫德曼說，“行星科學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會，在無人測試飛行中獲得有效載荷，那現(xiàn)在就需要行動起來?！?/p>
2018年，SpaceX公司首次接觸行星科學界，并通過舉辦一系列“火星研討會”解決了一些基本問題，比如火星上可能的著陸點，以及與人類在火星表面安全生活和工作有關的知識空白。
該公司還邀請了火星研究領域的知名人士，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。隨著時間的推移，也隨著SpaceX建造并測試了原型機，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，人們的想法也開始改變，”曾參與火星研討會的行星科學家、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，是對其可靠性的巨大提升?！?/p>
新的白皮書
今年早些時候，許多參加過研討會的研究者開始意識到，在使用星艦進行科學任務的過程中，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星艦任務加快推動火星和月球科學》（Accelerating Martian and Lunar Science through SpaceX Starship Missions），詹妮弗·赫德曼是第一作者。
來自學術界、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的領導層發(fā)出了響亮的呼吁，希望后者能為開發(fā)星艦的科學有效載荷提供資金。
這些科學家和工程師寫道：“NASA必須制定一個與星艦開發(fā)路徑一致的資助計劃，包括一個快速的發(fā)展時間表。與傳統(tǒng)的行星科學任務相比，星艦具有相對較高的風險承受能力，如果成功，最終將帶來較高的潛在科學價值?！?/p>
星艦與以往運載火箭的的關鍵區(qū)別在于質(zhì)量。如今，當一名科學家計劃探索另一個星球時，會面臨兩大制約因素：成本和質(zhì)量。星艦可能對成本有一些影響，能用更少的錢發(fā)射更多的火箭。但最大的變化是，科學家們不再需要過度關注質(zhì)量。他們可以攜帶更多的儀器，擁有更多的防護，“這完全改變了游戲規(guī)則，”哈里森說道。
多年來，NASA關于行星探索的最高優(yōu)先級一直是從火星帶回巖石樣品，然后在地球的高科技實驗室中進行詳細研究。最后，該機構提出了一個與歐洲空間局（ESA）合作的基線計劃，并開始為火星樣品返回任務爭取一些資金。如果一切順利，NASA希望在2031年前從火星帶回數(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。據(jù)估計，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家們感到十分興奮，而且不僅僅是年輕一代。美國布朗大學的詹姆斯·海德在20世紀60年代曾幫助NASA選定了阿波羅任務的登月地點，并參與訓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，并愿意為實現(xiàn)這一目標做出努力。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阿波羅計劃的那種青春氣息、活力和決心?！罢驹赟paceX工廠的地板上，我體驗到了最接近阿波羅計劃的感覺，”海德說。
NASA會如何行動？
美國國家航空航天局的“毅力”號探測器在火星上來了一張“自拍”
目前，建立一個專門資助星艦科學有效載荷的NASA項目似乎有點牽強。NASA通常傾向于將項目交給多個競標者，而不是為一個特定的飛行器創(chuàng)建特定的項目。而且，即使NASA的領導層決定創(chuàng)建一個星艦科學有效載荷的特定項目，美國國會（甚至白宮）是否會同意也值得懷疑。國會議員喜歡為他們的選區(qū)和州提供就業(yè)機會，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)幾個州進行，雇傭的承包商相對較少。
此前，NASA為阿爾忒彌斯計劃的“人類著陸系統(tǒng)”（Human Landing System）舉辦了一場競標，并最終將SpaceX的星艦作為唯一選擇。美國國會對此提出了激烈的反對。然而，對于前往月球、火星及更遠星球的科學有效載荷計劃，如果只能選擇SpaceX，美國國會就將爆發(fā)更猛烈的反對聲浪。
以火星樣品返回任務為例。NASA計劃與太空領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。這項任務的發(fā)射時間不早于2026年，可能會搭乘聯(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號火箭，將少量樣品帶回地球。
不過，也有一些相關人士提出，還有其他的選擇。有人建議，NASA應該建立一個“商業(yè)火星有效載荷服務”項目，以此分發(fā)向火星運送科學有效載荷的合同。
借鑒CLPS項目
商業(yè)火星有效載荷服務項目將借鑒NASA的“商業(yè)月球有效載荷服務”（CLPS）項目，后者的主要目的是向私人公司提供資金，建造能夠?qū)ASA有效載荷運送到月球表面的航天器，如月球著陸器/飛行器、月球車和運載火箭等。到目前為止，NASA已經(jīng)為不同競標者提供了6份合同，到2028年的總預算為26億美元。
“火星探索計劃分析小組”（Mars Exploration Program Analysis Group，簡稱MEPAG）的科學家們已經(jīng)提出了類似的想法，他們認為“類似CLPS并以火星為重點的項目可以促成未來火星探索技術及科學有效載荷的開發(fā)”。
在一個商業(yè)化的火星項目中，NASA可能會為其研究中心和其他學術團體提供資金，由科學家們負責開發(fā)運往火星的科學有效載荷，并讓他們?yōu)槭褂眯桥炋峁┲С?。這可能會緩解NASA的一些政治壓力。
NASA的科學任務總負責人托馬斯·祖布欽也支持CLPS項目，并愿意承擔一定程度的失敗風險。他表示，NASA應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
在建造更多行星航天器的過程中，隨著科學家們越來越少地考慮質(zhì)量限制，他們也將遇到其他障礙。世界上只有相對少數(shù)的人知道如何制造這樣的航天器，培訓更多的人需要時間；另一方面，航天器可以接受真空和振動測試的地面設施也十分有限；然后是成本問題——科研探測器發(fā)射時最昂貴的部分不是火箭，而是探測器。
一位NASA的高級官員認為，由于執(zhí)行飛行任務的是星艦，因此科學任務理事會的預算應該不會突然翻倍。相反，星艦最終會降低航天器發(fā)射的成本，尤其是在有能力頻繁發(fā)射的情況下。
未來SpaceX公司可能會每兩年提供一次飛往木星的定期“拼車”飛行。多個不同大小的探測器可能會搭載同一艘星艦，借助其動力和推進力到達木星系統(tǒng)。一旦到達那里，每個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，將信號傳回地球。這將為每個航天器的發(fā)射省下大量的質(zhì)量空間和推進劑。
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，以證明這個巨大的飛行器可以執(zhí)行進入火星軌道的任務。在NASA的日程安排上，還沒有任何科學探測任務能趕得上此次首飛，但下一個火星窗口將在2026年底開啟，對SpaceX和NASA來說，這似乎是一個更合理的時間點。
對NASA來說，在這段時間內(nèi)將科學有效載荷裝上飛往火星的星艦，還是有相當多可能性的。NASA噴氣推進實驗室可以用一套完全不同的科學儀器，制造一個“毅力”號火星車的復制品。NASA還可能發(fā)射兩臺火星勘測軌道飛行器的復制品，以替換火星上已經(jīng)老化的通信基礎設施。工程師們還可以擴大火星氧氣原位資源利用實驗（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：“我們也很高興用機智號（Ingenuity）這樣的航天器裝滿星艦?！苯衲暝缧r候，機智號無人直升機隨毅力號登陸火星，并成為第一架“在另一個星球上進行動力控制飛行”的飛行器。
埃隆·馬斯克自己也意識到與科學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院與科學家們進行了一個多小時的交談，就星艦、行星科學和其他更深奧的話題表述了自己的見解。
“星艦在設計上是一個更廣大太陽系的通用運輸裝置，”馬斯克說，“你可以把一個100噸重的物體帶到木衛(wèi)二表面。這比用小型火箭能運載的要多得多。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。但從架構的角度，星艦幾乎可以將任意質(zhì)量運輸?shù)教栂抵械娜魏喂腆w表面?！保ㄈ翁欤?/p>
