美國宇航局的小行星探測計劃遭遇初期挫折

美國未來十年最重要的載人航天任務可能在開始之前就已結束


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美國宇航局的下一代載人航天器計劃於下月初在可靠的德爾塔4號火箭頂部發射,進行無人試飛。目前的計劃是在2020年代中期使用新型獵戶座飛船進行載人飛行,屆時該飛船將由美國宇航局新型重型運載火箭搭載,將宇航員送出地球軌道,這將是半個世紀以來的首次。在太空梭時代之後,他們接下來要去哪裡還遠不確定。
 
如果奧巴馬政府和美國宇航局能夠如願,宇航員將前往一顆小型小行星,這顆小行星將被太陽能機器人探測器推入高而穩定的月球軌道。在為期一個月的任務中,宇航員將與小行星會合,進行太空行走以採集樣本,然後返回地球。目標小行星尚未公佈,機器人太空拖船也尚未建造,但美國宇航局希望最早在2021年將這顆太空岩石遷移到月球附近。
 
美國宇航局將這個複雜的概念稱為小行星重定向任務 (ARM),並將其標榜為在2030年代實現載人火星任務的關鍵第一步。
 
其他人對此並不確定。在今年六月,美國國家研究委員會發布了一份報告,指出 ARM 可能會“轉移美國資源和注意力”,使其無法投入到更有價值的任務中。一個月後,美國宇航局顧問委員會批評 ARM 是通往火星之路上的“死衚衕”。最嚴厲的批評出人意料地來自小行星科學家,他們透過美國宇航局小天體評估小組的宣告表達了不滿,稱 ARM 的科學“缺乏說服力”。行星科學研究所主任馬克·賽克斯在九月向國會委員會作證時抨擊了 ARM,稱美國宇航局對該任務機器人元件的成本估算低於 12.5 億美元,“令人難以置信”。
 
賽克斯說:“我不太喜歡將載人航天探索視為行為藝術,而 ARM 就是這樣。” “因為行為藝術的問題在於,你的下一個技巧必須比上一個技巧更精彩——而這很快就會變得難以為繼。ARM 永遠不會獲得資助。它永遠不會發生。這是一種浪費錢財。它對任何事情都沒有推進作用,而且所有可能從中受益的東西都可以透過其他更便宜、更有效的方式獲得更大的益處。”
 
美國宇航局 ARM 專案主管米歇爾·蓋茨表示,該任務概念正在按計劃實現其開發里程碑,並且一項獨立的成本評估研究正在進行中。她和其他美國宇航局官員指出,ARM 所需的先進推進技術將成為未來廣泛任務的使能技術,並且 ARM 將是對許多深空活動的關鍵測試,這些活動對於未來有一天到達火星至關重要。並且,這一切都將在宇航員足夠靠近地球的情況下完成,這樣如果出現問題,他們就可以嘗試緊急返回地球。
 
蓋茨說:“去年,當國家研究委員會發布他們的報告時,在他們的技術小組進行分析時,我們對 ARM 概念的細節知之甚少。” “鑑於過去一年所做的大量工作,以及我們最近分享成果後從許多社群獲得的積極反響,我鼓勵大家檢視最新的資料。”
 
ARM 的命運現在看來比以往任何時候都更加脆弱,而它的命運可能已經在今年的中期選舉中被註定,在這次選舉中,反對該任務的共和黨人控制了國會。儘管如此,美國宇航局計劃在 2015 年 2 月對 ARM 概念進行正式審查,奧巴馬政府的下一份預算提案預計將要求為 ARM 提供更多資金,這是其在載人航天領域的標誌性努力。
 
一個基本概念有助於解釋我們是如何走到這一步的,ARM 從何而來,以及為什麼它有如此龐大而多樣的批評者:慣性,即靜止的物體保持靜止狀態的趨勢,以及運動的物體保持恆速和方向運動的趨勢。
 
在火箭技術中,克服慣性、改變速度和軌跡所需的努力稱為 Δv(德爾塔-V)。它通常以米或千米每秒為單位測量,通常透過從發動機中噴射推進劑來獲得。更大的 Δv 可以讓你以更高的速度將更大的物體移動到更廣泛的地點,但是獲得足夠的 Δv 將宇航員送上行星或月球通常需要大型、預算龐大的火箭。訪問附近的小行星和彗星等較小的天體可能更容易,因為這樣的旅行通常需要較小的 Δv。
 
美國宇航局及其火箭計劃也具有慣性,但它們的軌跡只有透過大量消耗最難以捉摸的推進劑——政治資本——才能改變。人們可能會稱之為 ΔP(德爾塔-P)。
 
喬治·W·布什總統試圖透過星座計劃改變美國宇航局的航向,該計劃承諾退役太空梭,並建造新的火箭和航天器,將宇航員送回月球及更遠的地方。但他的政府因代價高昂的伊拉克戰爭而耗盡了 ΔP。由於預算問題,該計劃被即將上任的巴拉克·奧巴馬總統視為不可持續,奧巴馬總統在 2009 年取消星座計劃時也消耗了一些 ΔP。奧巴馬的美國宇航局將不再立即返回月球或直接前往火星,而是專注於追求先進的推進技術,這些技術可以以更少的資金提供更多的 Δv,並將前往深空中未指明地點的任務作為其試驗場。
 
慣性有其他的想法。如果星座計劃消失,數十億美元的合同和數千個工作崗位可能會隨之消失。有影響力的參議員和眾議員指責奧巴馬取消星座計劃並且沒有提供替代目的地和期限,從而摧毀了美國宇航局。面對兩黨國會反對,政府選擇保留星座計劃的載人飛船獵戶座,並勉強接受了太空發射系統(一種與星座計劃驚人相似的火箭計劃)的開發。即便如此,奧巴馬政府高階官員仍然認為,總統可以透過宣佈美國宇航局宇航員的新目的地和到達該目的地的時間表來挽救他早先的提議。
 
該宣告是在 2010 年 4 月在位於佛羅里達州卡納維拉爾角附近的美國宇航局肯尼迪航天中心發表的演講中宣佈的,奧巴馬在演講中承諾在 2025 年之前將宇航員送往小行星。但只有一個問題——該機構缺乏 ΔP 和 Δv。大幅度、政治上站不住腳的增加美國宇航局的預算似乎是加快火箭和生命支援系統開發的唯一途徑,這些系統能夠按照奧巴馬的最後期限將宇航員送往遙遠的小行星進行為期數月的旅行。
 
透過一系列委託研究,該機構開始調查是否可以不將宇航員送往小行星,而是將小行星送到宇航員身邊——可能是在國際空間站、高地球軌道甚至月球周圍。如果美國宇航局能夠開發出先進的太陽能電力發動機,這一壯舉似乎是可能的。儘管這種發動機在推力方面不如化學火箭,但它可以維持多年的推力,從而實現足夠大的 Δv 變化,以回收近地小行星。
 
支援這種方法的一項關鍵工作出現在 2012 年,加州理工學院凱克空間研究所釋出的一份報告中。根據該研究,花費約 26 億美元,一艘機器人拖船可以與一顆七米、50 萬公斤的小行星會合,將其捕獲在一個可展開的袋子中,並在 2025 年之前將其推入高月球軌道——也就是說,及時讓宇航員訪問它以滿足總統的最後期限。該研究的負責人之一,行星協會聯合創始人路易斯·弗裡德曼,將研究結果提交給了時任美國宇航局副局長洛裡·加弗,加弗又將其與美國宇航局載人航天工作負責人比爾·格斯滕邁爾分享。在獲得美國宇航局高層的支援後,白宮猶豫不決地批准了該計劃。
 
從這個尷尬的時間線來看,ARM 誕生了,儘管形式略有改變:美國宇航局將估計成本下調了一半以上,併為將一個大約五米寬的物體運送到高月球軌道建立了兩種競爭方案:方案 A——類似於弗裡德曼及其同事研究的“抓取和打包”任務;方案 B——使用機械臂從更大的小行星上摘取一塊小巨石。美國宇航局計劃在今年 12 月在這兩種方案之間做出選擇。
 
在 2013 年 4 月 ARM 公開披露後,廣泛的批評就開始了,並且一直持續不斷。無論是來自希望重返月球或前往火星的充滿希望的宇航員,還是反對所有政府資助的載人航天的空間科學家,還是擔心成本增長的政府會計師,或是堅決反對奧巴馬任何提案的國會共和黨人,幾乎每個關鍵的空間政策選區都找到了反對該任務的理由。
 
弗裡德曼說:“批評者似乎不明白的是,如果我們不將人類送往被移近地球的小行星,那麼在可預見的未來,我們將無處可去,這意味著未來十年或二十年。” “如果我們放棄這項任務,我們計劃中的火箭和乘員艙可以到達月球,但如果沒有目前看來不切實際的投資,我們將無法著陸。”
 
ARM 最嚴厲的批評者,如行星科學研究所的賽克斯和麻省理工學院教授理查德·賓澤爾等小行星科學家,仍然不相信。“賽克斯說:“說如果你不接受這個憑空出現的東西,你將一無所獲,一切都將結束,這是一種空洞的威脅。” “好吧,你知道,好吧,沒關係——扣動扳機吧,夥計們。也許有些人沒有得到他們想要的玩具,但我們的領導人可以追求其他選擇。”
 
賽克斯說,他和他的許多同行確實想要一項小行星任務;他們只是設想了一些與美國宇航局以截止日期為導向的 ARM 提案截然不同且更具變革性的東西。賽克斯指出,一些小行星富含水冰,可以加工成火箭燃料,但他懷疑 ARM 是否會開發出利用這些寶貴資源所需的技術。他還認為,宇航員需要新的、更好的技術來在外太空執行任務。他說,當美國宇航局的 ARM 團隊派遣和平使者參加最近在華盛頓特區舉行的小行星科學家會議時,他對如此雄心勃勃的任務的希望驟降。
 
賽克斯回憶說:“他們展示了宇航員將穿著的噴氣揹包和宇航服,以便前往裝有從月球軌道帶回的岩石的袋子,以及他們將如何與之互動。” “我覺得我們好像在看一幅新石器時代的洞穴壁畫。我們真的想用戴著手套的手指抓住小行星的表面,然後用眼睛透過面罩來觀察它們嗎?他們在非洲做手術,在巴西透過遠端呈現進行採礦。讓我們在小行星上這樣做。你會有身臨其境的感覺,你可以執行精細的操作。你將能夠比人類更好地在波長範圍和靈敏度範圍內進行觀察。”
 
賓澤爾的論點更多地源於簡單的統計資料,他在最近發表在《自然》雜誌(《大眾科學》是自然出版集團的一部分)上的一篇評論文章中強調了這一點。他說,現在認為有大量近地小行星處於適合宇航員進行低 Δv 訪問的原始軌道上,這消除了對昂貴的重定向任務的需求。他認為,美國宇航局最好在採取行動之前更加努力地尋找。賓澤爾建議該機構忘記 2025 年的最後期限,轉而首先建造一臺空間望遠鏡來繪製近地小行星的地圖。
 
賓澤爾說:“等到我們將一塊小岩石拖入月球軌道時,我們將發現更多有吸引力、更大的物體透過地月系統,這些物體更容易到達。” “一次回收任務只能讓你獲得一顆小行星,但一次調查可以讓你獲得數千顆你可能訪問的小行星,而且成本要低得多。” 他補充說,按照目前的發現速度,到 2020 年,美國宇航局將違反法律,屆時國會強制要求的最後期限將到期,該機構需要繪製出 90% 的潛在危險小行星的地圖,這些小行星的尺寸約為 140 米或更大。一顆小行星探測望遠鏡也可以解決這個問題。
 
美國宇航局近地天體計劃的專案主管林德利·約翰遜承認,該機構目前有未能按時完成 2020 年繪製危險天體地圖的危險,並且賓澤爾指出尚未進行充分調查是正確的。
 
綜上所述,一個令人沮喪的結論似乎是不可避免的:非常有可能的是,由於未能首先投資於尋找適合載人任務的理想小行星,美國宇航局對 ARM 的優先考慮可能會成為一個非常昂貴的錯誤。正如之前發生過幾次的那樣,慣性和內訌似乎再次註定要讓該機構最新的載人航天計劃墜入虛空,大膽地走向毫無結果。

李·比林斯是一位科學記者,專門從事天文學、物理學、行星科學和航天飛行方面的報道,並且是《大眾科學》的高階編輯。他是廣受好評的書籍《孤獨的五十億年:在星空中尋找生命》的作者,該書於 2014 年榮獲美國物理學會頒發的科學傳播獎。除了為《大眾科學》工作外,比林斯的文章還發表在《紐約時報》、《華爾街日報》、《波士頓環球報》、《連線》、《新科學家》、《大眾科學》和許多其他出版物上。作為一位充滿活力的公眾演說家,比林斯曾在美國宇航局噴氣推進實驗室和谷歌發表演講,並曾擔任《國家地理》、《突破獎基金會》、Pioneer Works 和其他各種組織舉辦的活動的主持人。

比林斯於 2014 年加入《大眾科學》,此前曾在《SEED》雜誌擔任編輯。他擁有明尼蘇達大學新聞學學士學位。

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