SpaceX 的星艦和 NASA 的 SLS 有望為空間科學注入活力

當天文學家看到詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST) 啟動時，都集體鬆了一口氣。在 2021 年聖誕節發射後，讓這架價值 100 億美元的望遠鏡啟動並執行是一件令人傷腦筋的事情。JWST 如果不折疊，就無法裝入任何現代火箭，並且它必須依靠數百個移動部件才能在太空中完全展開。最終，這些努力取得了成功，望遠鏡已經開始向地球上激動不已的觀眾傳回一些首次校準影像。然而，這次經歷讓許多天文學家開始思考，是否有一種更簡單的方法來建造和發射這種尺寸的望遠鏡。“我們擔心的是展開，”NASA 馬歇爾太空飛行中心的約翰·布萊文斯說。但是有了更大的火箭，“你就不必在太空中展開。你可以在地面上完成。”

碰巧的是，目前有兩枚這樣的火箭正靜靜地停在發射臺上。每枚火箭最終都應該超過強大的土星五號火箭的動力，後者曾將阿波羅號宇航員送上月球。第一枚是 NASA 的太空發射系統 (SLS)，它已在佛羅里達州肯尼迪航天中心準備就緒，等待作為阿耳忒彌斯 1 號任務的一部分，進行首次繞月無人飛行——這是 NASA 在 2020 年代將人類送回月球表面的計劃的開端。這枚火箭暫定於 8 月下旬發射，旨在儘可能可靠，因此在很大程度上基於 NASA 太空梭計劃的傳統硬體。

但是，對久經驗證的技術的依賴可能是它的阿喀琉斯之踵：目前一些估計表明，SLS 的每次發射成本高達令人瞠目結舌的 41 億美元。假設它不會被感到後悔的國會撥款委員會否決，其巨大的尺寸最終可能會成為科學家尋求向整個太陽系甚至更遠的地方發射更大、更雄心勃勃的航天器和望遠鏡的福音。

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在德克薩斯州，SpaceX 正在開發的另一枚能力相似但截然不同的火箭星艦也在準備進行首次軌道測試飛行，這有待美國聯邦航空管理局的監管批准。SLS 的成本似乎如此離譜，因為每枚價值數十億美元的火箭將在單次使用後被丟棄，其元件將被降級為海底垃圾或漂浮在太空中的垃圾。這曾經是太空時代大部分時期的標準，但時代已經變了。星艦及其巨大的超重型助推器是為持久耐用而建造的，可以像 SpaceX 目前的獵鷹火箭系列一樣快速重複使用，這已經大大降低了進入太空的成本。專家表示，儘管 SLS 可能很大膽，但與星艦可能實現的成就相比，它就相形見絀了。德克薩斯州西南研究所的艾倫·斯特恩說：“星艦有望以我們無法真正理解的方式改變太陽系。”斯特恩負責 NASA 的新視野號任務，該任務於 2015 年飛越了矮行星冥王星。“它徹底改變了遊戲規則。”

這兩枚火箭的整流罩都足夠寬敞，可以容納像 JWST 一樣大甚至更大的貨物，而無需將元件摺疊成世界上最昂貴的摺紙。而且，這兩款發射器的推力都非常巨大，它們可以用比小型火箭更大的航天器，在更短的時間尺度內到達太陽系遙遠的角落。然而，僅星艦就被設計為可以在太空中進行燃料補給，這意味著它可以將令人難以置信的巨大載荷運送到難以到達的地點，例如木星和土星——或者太陽周圍的任何其他地方。

隨著這個充滿希望的超級火箭新時代的曙光，渴望的科學家們正在競相搭乘順風車。斯特恩說：“這些火箭可以實現全新的任務型別——前往所有巨行星和柯伊伯帶天體，前往海洋世界衛星和太陽系的矮行星。”“它們用途廣泛。”現在，許多人正忙於構思可能實現的想法，目前更多地關注 SLS，因為它的成熟度更高，但同時也密切關注星艦及其潛在的革命效能力。

科學發射系統？

NASA 官員表示，在首次登月之後，SLS 將主要用於發射搭載宇航員的獵戶座飛船。這些發射將與 NASA 承包的星艦發射協同工作，星艦發射將最早在 2025 年將阿耳忒彌斯宇航員送上月球——或許有一天還會將宇航員送上火星表面。NASA 局長比爾·尼爾森在 3 月 23 日的新聞釋出會上表示：“我們預計在未來十年左右，每年大約有一次人類著陸。”因此，在 2030 年代之前，不太可能有 SLS 火箭可以專門用於向太陽系發射任何型別的望遠鏡或科學探測器。NASA 馬歇爾太空飛行中心的 SLS 載荷利用經理羅伯特·斯托夫在 2021 年的一次簡報會上說：“鑑於現在到 2020 年代末阿耳忒彌斯計劃的需求，在此期間擠入一項科學任務將非常困難。”

因此，在 2021 年，NASA 將原計劃於 2024 年發射的木星旗艦任務“歐羅巴快帆”號從 SLS 換成了 SpaceX 的獵鷹重型火箭。即便如此，該機構官員仍然樂觀地認為，SLS 的高昂成本和緩慢的發射率可以得到改善，從而為科學任務創造更多機會。斯托夫在他的簡報中估計，到 2030 年代，8 億美元或更低的成本是一個可以實現的目標。根據 2020 年 11 月在美國航空航天學會 (AIAA) 會議上發表的一篇論文，SLS 最終、最強大的計劃配置可以透過增加一個新的“上面級”來增壓，這將為火箭頂部增加推進力。這種升級將使 SLS 能夠向木星傳送約 16 噸的有效載荷，向海王星傳送約 6 噸的有效載荷，向星際空間傳送 1 噸的有效載荷。相比之下，前往冥王星的新視野號任務的質量為半噸。“目前沒有任何火箭可以攜帶如此接近這種有效載荷的載荷，”SLS 在馬歇爾的首席工程師布萊文斯說。

2022 年 4 月 19 日，美國國家科學院、工程院和醫學院釋出了備受期待的行星科學和天體生物學十年調查報告，該報告提出了 NASA 進入 2030 年代以後異世界科學的優先事項。作為調查的一部分，NASA 向科學家徵集了關於該機構可能考慮用於外太陽系目標的任務概念的研究。其中三項建議使用 SLS 來實現更快、更龐大的任務：冥王星軌道飛行器、土星衛星土衛二的軌道飛行器和著陸器，以及海王星的軌道飛行器和大氣探測器。約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室 (JHUAPL) 的柯比·魯尼翁是擬議的海王星任務的成員，他說：“我們希望使用現有或非常近期的技術。”“在所有大型運載工具中，SLS 在設計和成熟度方面都處於最前沿。”

魯尼翁團隊的提案“海王星奧德賽”號計劃最早於 2031 年在 SLS 火箭上發射，並在 2040 年代進入海王星軌道。該任務將為一顆僅訪問過一次的行星提供前所未有的洞察力，1989 年，旅行者 2 號航天器在離開太陽系的過程中曾短暫飛掠過它。“奧德賽”號將在四年內研究海王星及其最大的衛星海衛一，同時還將向這顆行星的風暴大氣層部署一個探測器。獵鷹重型火箭等稍小的火箭也可以將“奧德賽”號送往海王星，但這需要各種附加裝置，這將提高任務的成本和複雜性，同時降低其容錯率。魯尼翁說，這種方法“肯定風險更大”。

與此同時，“土衛二軌道飛行器和著陸器”將是一項在土星衛星土衛二的海洋中尋找生命跡象的任務，土衛二的海洋正在透過其上覆冰殼中的裂縫噴射出水蒸氣和有機分子羽流。該航天器可以飛越並採集羽流樣本，然後在衛星表面著陸以進行原位研究。再說一次，SLS 使這樣的任務比使用小型火箭更容易，小型火箭將需要來自內太陽系行星飛越的引力助推。JHUAPL 的概念負責人夏農·麥肯齊說：“這意味著我們不必將航天器設計成既能承受內太陽系的溫暖條件，又能承受土星的寒冷條件。”

然而，即使是 SLS 也有其侷限性。假設在 2031 年發射，這枚巨型火箭仍然需要近三十年的時間才能將一顆名為“珀耳塞福涅”號的擬議軌道飛行器推進到冥王星。儘管 SLS 尺寸巨大，但它仍然受到其在軌燃料補給能力的限制，無法提高其在太空中的運載能力。在他們更大膽的宇宙探索夢想中，科學家們只關注一枚火箭：星艦。“星艦不僅僅是一個漸進式的改變，”NASA 艾姆斯研究中心的詹妮弗·海爾德曼說。“這是一個重大的正規化轉變。”

進入未知領域

根據設計，星艦可以在地球軌道上由其他星艦飛行器進行燃料補給。這意味著它理論上可以在太陽系中攜帶大量的質量。SpaceX 執行長埃隆·馬斯克在 2021 年 11 月舉行的美國國家科學院公開會議上說：“你可以將一個 100 噸重的物體送到歐羅巴的表面。”這比 SLS 即使在最終配置中配備上面級所能提供的最佳效能還要高出五倍。星艦的預測成本也明顯更低，儘管它是否能達到馬斯克樂觀預測的每次發射成本低於 1000 萬美元還有待觀察。英國發射公司 Skyrora 的前發射主管羅賓·海格說：“如果他們能接近這個成本，它就有點像 747 和集裝箱合二為一了。”“這將在整個太陽系中使用。”

星艦擁有 1,000 立方米的可用體積，也足夠大，可以容納整個埃菲爾鐵塔（拆卸後）（儘管動力不足以將其提升到軌道）。這種巨大的能力促使海爾德曼和她的同事們發表了一篇論文，探討星艦可以將什麼樣的裝置運送到月球或火星表面。“在軌道上為星艦補充燃料有效地重置了火箭方程，從而可以將大型有效載荷運輸到月球和火星，”他們寫道，這是指你想要發射的質量越大，傳統上，你需要的推力就呈指數級增長。然而，星艦並不侷限於這些目的地。SpaceX 的前高階火星開發工程師瑪格麗塔·馬裡諾娃說：“它並非專為月球或火星而微調。”“星艦的目標是創造這種更通用、更大規模的探索能力。”

想法包括髮射全尺寸鑽頭，而不是小尺寸版本。海爾德曼說：“你可以把一個 100 英尺 [30 米] 的鑽頭放在飛行器上，然後直接部署它。”“你不必試圖把它摺疊起來。這很令人興奮，因為你可以鑽入火星上的冰層，這對於維持人類探索以及尋找生命非常重要。”星艦也可能提供雙向交付服務，從這些世界和其他世界向地球運回大量物質。海爾德曼說：“我們一直對我們返回的樣本非常謹慎，因為我們一直受到質量的限制。”“有了星艦，你可以直接將飛行器裝滿岩石、冰塊和你發現的任何其他東西。”

與此同時，哈佛-史密森天體物理學中心的馬丁·埃爾維斯和他的同事撰寫了一份白皮書，探討如何利用星艦的獨特能力發射各種下一代太空望遠鏡，從而徹底改變天體物理學。一個想法是擴充套件事件視界望遠鏡，這是一個地球上的“虛擬”天文臺，用於在 2019 年捕捉到超大質量黑洞的第一張影像。在一次發射中，星艦可以將一堆六米望遠鏡送入太空，從而建立一個更大的虛擬望遠鏡。埃爾維斯說，這可以提供“數千個超大質量黑洞”的景象，這些黑洞位於像我們銀河系這樣的星系中心。

星艦——以及 SLS——還可以發射一個定製的大型望遠鏡，用於拍攝其他恆星周圍類地系外行星的影像，正如美國國家科學院天文學和天體物理學十年調查報告在 2021 年 11 月向 NASA 建議的那樣。埃爾維斯說：“十年報告建議的鏡面直徑為六米，與 JWST 大致相同。”但是，藉助超級火箭的大型有效載荷整流罩，這樣的鏡面可以是一體式的，無需在太空中展開和部署，這可能會大大節省成本並加快發射臺的進度。埃爾維斯說：“這將大大簡化設計。”

火箭陣容

SLS 和星艦並非未來太陽系重型探索的唯一選擇。總部位於華盛頓州的藍色起源公司由傑夫·貝索斯創立，正在開發一種名為“新格倫”的可重複使用火箭，該公司表示，該火箭可以將 45 噸有效載荷送入地球軌道。“新格倫”的後繼者“新阿姆斯特朗”預計將更加強大。藍色起源公司的這兩款火箭都可能在太陽系的科學探索中發揮作用，儘管它們的真實能力尚不清楚。與此同時，中國正在開發自己的超重型火箭“長征九號”，以便最早在 2030 年代將人類和機械送上月球和火星。密切關注中國航天計劃的太空記者安德魯·瓊斯說，據稱它能夠將多達 140 噸的有效載荷送入地球軌道。

瓊斯說：“他們決心開發一枚超級火箭。”“我們看到中國對行星探索越來越感興趣——甚至著眼於太陽系邊界之外。”後者也是美國正在考慮的事情，一項名為“星際探測器”的擬議任務可能需要依靠 SLS 或類似尺寸的火箭才能充分發揮其科學潛力。魯尼翁是該提案的行星科學負責人，他說：“如果沒有 SLS 或更大的運載火箭，你將無法按計劃完成星際探測器任務。”

有些人懷疑是否真的需要新一代超重型運載工具，以及多個小型發射器是否可以將航天器元件送入軌道，以便宇航員或機器人隨後進行組裝。同樣的模組化方法也可以用於發射火箭燃料，以填充軌道補給站，從而可能在不需要巨型火箭的情況下提供類似的太空能力增強。有傳言稱，NASA 在 SLS 開發的早期曾非常反對燃料補給站的想法，因為它從根本上削弱了該計劃的理由。聯合發射聯盟 (ULA) 的前首席科學家、現任科羅拉多礦業學院的喬治·索爾斯表示，他十年前曾在 ULA 從事過此類想法，但被要求停止。“它變得非常政治化，”他說。“我們基本上被告知坐下並閉嘴。”NASA 後來改變了態度，該機構此後選擇了 ULA 和其他公司來演示在太空燃料補給和補給站技術。

丹尼爾·鄧巴徹現在是 AIAA 的執行董事，並且曾在 2010 年選擇 SLS 進行開發的 NASA 領導層任職，他說，當時也考慮了其他選擇。該機構研究了 SLS 的一種變體，該變體使用煤油而不是最終選擇的液氫和液氧版本。該系統還使用了像 ULA 的宇宙神五號或 SpaceX 的獵鷹重型火箭這樣的小型火箭串聯發射。但最終，這種選擇被認為過於複雜和昂貴。鄧巴徹說：“我們確實研究過，如果我們使用宇宙神五號級和獵鷹重型級運載工具，需要採取什麼措施。”“由於它對任務可靠性產生了負面影響，並且由於執行任務所需的發射次數更多，因此成本更高，因此被淘汰出局。”他說，需要超過 10 次發射才能複製單次 SLS 發射。

不可否認，SLS 是一臺昂貴的機器。然而，鑑於其技術成熟度，如果成本能夠降低，它仍然是未來科學任務的一個有希望的選擇。與此同時，星艦代表了太空探索的全新事物。還有很多東西有待證明，包括巨型火箭的發射和著陸及其在太空中進行燃料補給的能力。但如果這些障礙能夠克服，那麼對太陽系和宇宙的探索可能主要不再受火箭的限制，而是受人類想象力的限制。

魯尼翁說：“對於高效能火箭將實現什麼，人們感到非常興奮。”“太陽系真的以前所未有的方式開放了。”