空間研究中最令人困擾的問題之一是，在過去50年中，我們進入太空的方式幾乎沒有改變。因此，太空通道仍然既昂貴又稀少。它仍然沒有達到科學家可以像海洋學家（他們經常到達深海）或地球物理學家（他們冒險前往兩極）那樣，自己經常前往那裡進行研究的階段。
這一切都將發生改變。營利性商業太空飛行的出現——最近的亮點是SpaceX建造和運營的“龍”號太空貨運艙成功發射到國際空間站（ISS）——可能會改變空間研究。科學家將享受更低的發射成本、更頻繁的太空訪問機會，以及親自在軌道上執行實驗的機會。這些進步不僅將幫助美國國家航空航天局（NASA）以及日本和歐洲航天局的大型空間研究企業，還可能使太空訪問成為全球範圍內的國家、學術機構和公司能夠負擔得起的服務。
當我擔任美國國家航空航天局負責所有太空和地球科學研究的副局長時，我第一次對商業太空飛行的潛力產生了興趣。從那時起，我為商業航天公司提供諮詢，擔任谷歌月球X大獎賽兩支團隊的首席科學家，並透過我的母校——位於德克薩斯州聖安東尼奧市的西南研究院購買了商業載人研究太空飛行。我親眼目睹了商業太空飛行的前景日益光明。
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未來幾年內，各種豐富的商業空間系統將上線，為空間研究人員提供重要的新功能——自二戰後將捕獲的德國V-2火箭改裝成研究平臺以來，科學家們一直是尋找更好方法來完成工作的聰明的機會主義者。儘管目前正在進行的一些計劃可能會失敗，但其他計劃肯定會成功。並且，在當今眾所周知的預算收緊、成本超支以及太空通道長期停滯不前的環境中，這種成功來得越快越好。
我相信，2010年代和2020年代對於我們探索太空的方式而言，可能與1950年代和1960年代一樣關鍵。事實上，我們已經目睹了一場正在發生的革命。從通常被吹捧為“旅遊”冒險的亞軌道飛行（但也為科學家提供了一個席位）到前往國際空間站及更遠地方的軌道旅行，未來幾年將重塑我們與地球之上那個仍然神秘的世界的關係。
亞軌道未來
美國國家航空航天局最富有成效，但或許也是最不為人所知的太空飛行專案之一是其亞軌道計劃。該計劃已經實施了幾十年，每月使用一次性無人火箭發射一到兩次短暫的太空任務，使研究人員有機會將其儀器送入太空幾分鐘。儘管飛行時間短暫，但亞軌道任務在太陽物理學、超新星研究、高層大氣科學、天體物理學和彗星研究方面取得了關鍵的科學成果。此外，它們對於在將新的航天器和感測器技術投入數十億美元的任務之前進行測試，以及培養無數太空實驗家（包括美國一些最傑出的天文學家、大氣科學家和行星任務負責人）已被證明是無價的。
然而，儘管科學界在過去20年中多次呼籲大幅提高飛行頻率，但美國國家航空航天局的亞軌道計劃發射率仍然令人沮喪地低下。原因有很多，但都集中在費用上。進行一次此類任務的平均成本約為250萬美元，這使得在美國國家航空航天局的亞軌道計劃預算內大幅提高發射率成為不可能。
然而，由XCOR Aerospace、維珍銀河、Armadillo Aerospace、Masten Space Systems和藍色起源等商業公司建造的新型可重複使用亞軌道飛行器的出現，提供了突破性的能力，預計將從根本上提高亞軌道研究的速度和生產力。
這怎麼可能實現呢？首先，透過飛行可重複使用而不是一次性發射器，這些公司可以大幅降低飛行成本並提高發射率。這種強大的進步組合很可能會像個人電腦革命改變計算一樣影響空間研究——創造一場訪問革命。
美國國家航空航天局現在每年進行大約20到25次亞軌道發射。亞軌道飛行提供商維珍銀河預計其首架飛行器最終將每天飛行一次。每次飛行將能夠攜帶六個有效載荷架或六名研究人員（或兩者兼而有之）。僅這家公司每年就可以提供大約2000次實驗機會。
維珍銀河並非在這個新市場中孤軍奮戰。XCOR Aerospace是維珍最強大的競爭對手之一，預計其每架可重複使用飛行器每天發射四次，其中一些已經租賃給包括韓國和庫拉索在內的國家。試想一下，如果飛行如此頻繁，研究領域的發展速度會有多快。例如，生命科學家每年可以獲取數百個宇航員零重力資料集，而我們目前只獲得少量此類研究。
當然，僅憑高飛行率並不能帶來革命。這些可重複使用系統的另一個關鍵屬性是其較低的成本。維珍銀河計劃以20萬美元的價格出售亞軌道任務中200磅的有效載荷或研究位置——這大約比傳統的探空火箭任務發射便宜10倍。XCOR的報價，就像Armadillo Aerospace的報價一樣，更接近於僅10萬美元。
可重複使用火箭革命還將使新型科學成為可能。例如，由於可以頻繁訪問科學家稱之為“未知層”的科學關鍵高空大氣區域——飛機和氣球無法到達的高度，衛星也無法在不翻滾回地球的情況下下降到的高度——科學家將能夠研究許多大氣現象，包括神秘的高空閃電，如紅色精靈和藍色噴流。
這些新型飛行器還在其革命性的能力方面提供了巨大優勢，即讓研究人員攜帶其有效載荷飛行。自太空時代黎明以來，空間研究可能很快就會進入每個其他研究領域長期以來一直享有的領域：一個實驗室環境，科學家可以在現場進行自己的實驗，而無需機器人技術。
儘管這聽起來可能像科幻小說，但一些機構的研究人員已經在為自己和他們的實驗預訂飛行。到本 decade中期，下一代亞軌道技術可能會像20世紀50年代的探空火箭研究一樣蓬勃發展——從罕見變為常規。僅僅這一點就會是一個巨大的變化嗎？是的，但這些飛行只是對空間研究界具有重要意義的幾種新興商業航天能力中的第一種。
到達軌道的新型廉價方法
在美國，歷史上一直用於美國國家航空航天局大多數軌道科學任務的發射器——飛馬座、阿特拉斯和德爾塔火箭——自20世紀90年代末以來，成本都增加了一倍以上。過去，使用飛馬座火箭發射小型科學任務的成本約為1500萬美元；現在成本超過4000萬美元。能夠攜帶最大有效載荷的高階火箭（所謂的重型發射器，如阿特拉斯V）的價格已從1.5億美元左右升至3.5億美元左右。
由於空間科學預算在資金削減和成本超支之間受到擠壓，美國國家航空航天局的科學專案經理可能會發現，更便宜的商業發射服務提供商是天賜之物。例如，考慮一下SpaceX建立的獵鷹系列發射器。該公司構思、設計、開發、測試並使其獵鷹系列發射器投入執行所花的錢，比政府建造其現已解散的阿瑞斯火箭的發射塔所花的錢還要少。SpaceX目前以約6500萬美元的價格提供獵鷹9號——約為其中型升力德爾塔II競爭對手成本的一半。到2014年，SpaceX計劃推出一種更大的獵鷹火箭，稱為獵鷹重型火箭（FH）。FH將能夠提升大約是最大的阿特拉斯和德爾塔火箭兩倍的載荷，但價格僅為1億美元，不到其競爭對手價格的三分之一。
歷史上，美國國家航空航天局每年發射三到五個軌道科學任務。僅將這些任務的一半傳送到獵鷹重型火箭上，五年內就可以節省20億到30億美元。這些節省下來的資金足以開展幾個新的“發現級”行星探測任務，或近10個用於天文學和太陽物理學的“小型探測者”任務。它們甚至足以資助一個新的類似於“好奇號”的旗艦級火星探測車。
商業航天公司正在開拓的另一種節省成本的選擇是在商業航班上搭載科學有效載荷。例如，第二代銥星通訊衛星星座中的72顆航天器中的每一顆都為付費客戶提供空間。主任務提供發射和衛星成本，而科學儀器僅支付其中的一小部分。目前，這種“搭載有效載荷”的概念仍然是一個精品市場。它僅在科學儀器能夠安裝在通訊衛星上並在其專用軌道上執行的情況下才有效，並且顯然不適用於大型望遠鏡和其他需要自己專用衛星的任務。然而，它創造了以數千萬美元而不是現在發射和執行衛星任務所需的數億美元來發射適度有效載荷的機會。
走向月球和火星
來自歐洲、北美、亞洲和其他地區的二十多個團隊參加了谷歌月球X大獎賽，該賽事將獎勵完成首次商業機器人月球著陸任務的團隊，獎金價值超過3000萬美元[參見Michael Belfiore撰寫的“奔向月球”；《大眾科學》，2012年4月]。
Moon Express和Astrobotic等團隊已經簽署合同，將科學有效載荷運送到月球。這些公司和其他公司將月球X大獎賽本身視為僅僅是首次演示任務。長期目標是從研究人員和沒有數億美元以及自行在月球上著陸的技術經驗，但有資金購買他人已驗證的著陸器上的單個有效載荷艙位的國家那裡產生穩定的收入流。1000萬美元的票價仍然比近期政府主導的10億美元任務便宜100倍。
許多月球和行星科學家樂觀地認為，按照這些價格，將會有更多的國家能夠負擔得起向月球傳送實驗，從而在研究“第五顆類地行星”（繼地球、火星、水星和金星之後）方面創造第二次復興。
展望月球以外的火星，SpaceX正在討論改裝最初設計用於將有效載荷運送到國際空間站的“龍”號太空艙，以將大型有效載荷運送到火星的可能性。這將比近期的火星著陸器花費少數億美元。如果SpaceX能夠向美國國家航空航天局或外國航天機構推銷這一想法，它可能能夠創造一種新的廉價方式來進行火星研究，而此時世界各地的航天機構都在努力承擔繼續火星探測的費用。
私人空間站
地球上約90%的194個國家不是國際空間站的合作伙伴，因此沒有充分利用這個唯一的、大型空間站的前景。對於中國、印度和韓國等國家來說，私人商業空間站可能是長期進入太空進行微重力、基礎物理學、技術測試和空間生命科學研究的最佳選擇，更不用說國家聲望了。
在這些努力中，第一個也是最著名的可能是畢格羅宇航公司的私人空間站。該公司在沒有大張旗鼓的情況下，已經在近地軌道上建造並測試了兩個原型空間站。透過為多達六名研究人員提供艙位，畢格羅的第一個載人空間站將使任何給定時間在軌道上的研究人員數量增加一倍。透過這樣做，並透過使用波音公司計劃的CST-100或SpaceX的“龍”號（兩者都設計用於將宇航員運送到國際空間站）等私人太空出租車，畢格羅的空間站很可能能夠為美國和國外的研究人員、機構和公司提供更快的太空訪問，而成本僅為聯盟號發射和國際空間站停留費用的一半或更低。
但畢格羅並非孤軍奮戰。第二家名為Excalibur Almaz的公司計劃使用備用的蘇聯時代空間站模組和載人運輸飛行器建造一個類似但較小的空間站。
SpaceX的“龍”號太空艙也可用作長期空間站。目前，“龍”號飛行器已與美國國家航空航天局簽訂合同，負責往返國際空間站的貨物運輸。在不久的將來，它們也應該能夠運送宇航員。然而，“龍”號太空艙可以做更多的事情。SpaceX計劃進行自動化和載人DragonLab任務，這些任務可以飛往地球軌道，在那裡停留數週至數月，利用內部和外部有效載荷進行研究，並且成本可能低於商業空間站提供的成本。
重返狂野的黑色天際
這些創新代表了自20世紀50年代和1960年代以來我們進入太空的第一個根本性的新方法，亞軌道研究、行星任務和地球軌道衛星都在那些年代走向成熟。然而，我們仍處於我們萌芽中的商業革命的早期階段，許多問題仍然存在。新興公司將在多大程度上改變空間科學？它們將在多大程度上激勵公眾？它們將以多快的速度說服更多的企業家加入商業航天革命？答案在很大程度上取決於創新型研究人員和航天機構的創新能力，以及他們學習適應和利用商業航天世界以改進我們進行空間研究的方式的速度。
的確，如果已經開始進行的商業亞軌道和軌道風險投資取得成功，它們可能會開闢另一條探索太陽系小行星、行星和衛星的道路。科學可能會像私人探險隊開闢極地地區那樣從中受益。為什麼不呢？這樣的預測當然是天空不是極限的一個例子。