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NASA財政受困輝煌不再 登陸火星將推遲

小行星


NASA財政受困輝煌不再 登陸火星將推遲

探測目標：小行星、火衛一和火星表面都是未來的探測目標 。這是一幅藝術圖 ， 對火星衛星的描述有所夸張
因為政策變化和預算緊縮，NASA 不得不終止航天飛機項目，這給人類的空間探索夢想蒙上了一層陰影 。不過，科學家提出的最新計劃，可以用最低的代價實現深空探索，最快可在2024 年登上編號為2008 EV5 的近地小行星，為人類登陸火星做好準備 。
戴蒙· 蘭道是供職于NASA 噴氣推進實驗室的外層行星任務分析專家 。他參與了最近發射的木星探測器朱諾（Junor ）的軌道設計，同時幫助NASA 對宇航員有可能造訪的近地小行星進行排查 。
【NASA財政受困輝煌不再 登陸火星將推遲】內森·J· 斯特蘭奇是NASA 噴氣推進實驗室的一位任務計劃專家 。他曾是卡西尼－惠更斯土星探測計劃導航小組成員，并與他人合 作設計了對土星、木星的引力制動探測線路 。他也對未來載人航 天的發展藍圖做了很多工作 。
美國的空間政策正經歷變革 。NASA終止了航天飛機項目 ， 接替它的“星座計劃”也被叫停，軌道發射轉向外包 。這些變革的意圖，是想讓NASA回到自己最擅長的領域——充當拓荒的先鋒，前往人類不曾去過的地方 。但如何才能做到這一點？
本文作者提出，工程技術人員應該想到 ， 美國未來的空間政策依然是不可預測的，不能根據政策來制定計劃 。他們必須制定一些很有靈活性的任務，當政策有所變化時，太空任務也能隨之調整 。
由離子推進器推動的深空探測器有望執行一些復雜任務，逐步實現繞月探測、類地小行星探測，最終完成火星探測 。
2009 年10 月，一群以擺弄機器人為樂，從事空間探索的“極客”聚在一 起，決定要做點出格的事：設想各種方案，把人而非機器人送入太空 。我們這樣做并非閑極無聊，而是受到奧古斯丁委員會的“召喚” 。該委員會是美國總統奧巴馬在2009 年初設立的，由很多一流科學家組成，他們的任務是對航天飛機及后續飛行器項目進行評估 。結果 ， 委員會提交的報告稱：國的載人航天計劃似乎難以為繼 。而與此同時，我們在機器人探測上卻取得了很多令人興奮的成果 ， 探測范圍從水星延伸到太陽系邊緣 。于是我們就想 ， 能不能從技術上為美國航空航天局（NASA ）遇到的政策和經費難題尋找一些解決方案 。
討論現場就像穿越回了上世紀60年代的NASA，只不過不像當年那樣，吸煙者眾，煙霧繚繞 。我們不停地交換意見 ， 確定哪些可行，哪些是要盡量遠離的泥沼 。初步分析之后，我們和NASA噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Lab, JPL）的同行舉行了一次“午餐研討會” ， 將散亂的想法和計算過程梳理了一番 。接下來的幾個月，不斷有工程師和科學家對電推進方案表現出濃厚興趣 ， 并提出了一些建議，幫助我們完善方案 。我們還了解了一些科學家正在開展的實驗：從測試大功率電推進器，到設計輕質高效的太陽能電池板，不一而足 。這些討論引起了更大范圍的思考，整個航天業界都參與進來 。
現在，我們已經在檢驗一些最有希望的方案，以便能制定出一個可行計劃，最早在2024年，把宇航員送上編號為2008 EV5的近地小行星 ， 為人類最終登陸火星做好準備 。我們在制定方案時，是以NASA當前的經費預算為上限，并把整個任務分解成一系列“階梯式”的小項目，讓NASA有充分的自由度 ， 根據經費多少來控制任務進程 。一言以蔽之，我們的目的 ， 就是要借機器人探測項目之力，來革新載人探測計劃 。從一大步轉為一小步奧古斯丁委員會的報告引發了一場激烈的爭論，尤其在是否將大部分載人發射任務交由私人公司完成這個問題上，爭執達到了頂峰（參見《環球科學》2011年2月《啟動太空經濟》） 。NASA在轉型后得以專注于技術革新，以便不斷拓寬人類的探索邊界 。但問題是，如果沒有了在阿波羅登月時期所擁有的政策支持和相關資源，輝煌不再的NASA將如何前行？
機器人探測項目采用的是循序漸進的方式：開發一個技術組合，逐步實現這個龐大的探測計劃 。與朝著單個目標、非成即敗的發展方式不同，機器人探測項目會聯合使用多種技術，實現多個目標 。當然，這個項目也曾遭遇失敗和挫折，世上沒有完美無缺的東西 。但至少 ， 當面對風云變幻的政治局面，或者技術革新停滯不前時，機器人探測不會因此流產 。載人探索項目完全可以借鑒這種方式，它不需要像“阿波羅計劃”那樣，一下子踏出人類的“一大步”，而是走好每一小步 ， 逐步前進 。
也有人認為 ， 機器人探測項目帶給我們的真正教益是“根本就不應該開展載人探索” 。如果NASA的目標僅限于科學發現，用機器人探測器明顯比宇航員更劃算更安全 。但NASA的任務不僅僅是科學，科學只是吸引人類探索未知疆域的眾多因素之一 。空間探索之所以廣受關注 ， 原因之一在于，普通人也夢想著有朝一日能身臨太空，機器人不過是為我們進入太陽系打頭陣的“先鋒”而已——政府發起的載人航天任務是第二步計劃，終極目標是要實現普通人也能坐上飛船，去太空闖蕩他的未來 。NASA以前開發的技術，促成了今天的商業化“太空競賽”，一些私人公司爭相研制將宇航員送入空間站的載人艙，在莫哈韋沙漠（Mojave desert，位于美國加利福尼亞州南部）上試飛空天飛機（space plane） 。現在，NASA可以騰出手來，考慮開發什么樣的技術，能將我們帶向更深遠的太空 。
靈活至上
我們推薦的方案包含三個基本原則 。首先是走“靈活路線” ， 這也是奧古斯丁委員會所支持，并得到奧巴馬和美國國會認可的方式 。所謂靈活路線是指，篩選多個候選探測目標，而不必非要沿著從地球到月球再到火星這樣的固定路線前進 。我們可以先從較近的目標開始，比如說拉格朗日點（Lagrangian point，在這些點上 ， 物體受到太陽、地球和月球的引力剛好達到平衡）或近地小行星（near-Earth asteroid） 。
靈活路線需要新的航天器技術，尤其是電推進技術的支持 。我們建議使用太陽能驅動的霍爾效應推進器 。“黎明號”探測器（Dawn，也譯作“曙光號”）正是用類似的推進系統飛行至灶神星（Vesta，最大的小行星之一） ， 而且還將在2015年飛臨谷神星（Ceres，最大的小行星之一 ， 新的分類系統中被升級成矮行星，參見《環球科學》2009年第3期《電火箭暢游外太陽系》） 。傳統的化學燃料火箭通過爆發式地向外噴出氣體，得到強大但短暫的推力 ， 而電推進引擎則是以細水長流的方式發射粒子束，推進力溫和但持久 。使用電力能源讓引擎效率更高，所需燃料更少（好比一臺豐田普銳斯混合動力車飛上了天） 。但這種高能效是以低推進力為代價的，所以有些空間任務可能需要更長時間 。這里有個對電推進常見的誤解，就是認為它們對載人飛行而言太慢了 。其實這個問題有很多解決辦法，比如我們在2009 年的那次研討會上就提出過一個想法 ， 用電推進引擎將化學火箭預先布置在軌道的關鍵點上，宇航員出發后，可在沿途不斷補充化學火箭 。這樣一來，整個任務既利用了電推進的高能效，又保留了化學火箭的速度優勢 。
最重要的是 ， 電推進法很省錢 。由于飛行器不需要攜帶大量燃料，因此總發射質量能減輕40％~ 60％ 。一般來說，空間任務的費用與發射質量成線性正比 ， 因此“瘦身”一半就意味著花費也減半 。
很多空間探索的狂熱分子都想不通 ， 明明有魅力無窮的火星，為什么要浪費時間和金錢去造訪小行星 。實際上 ， 小行星可以作為我們邁向火星的中繼站 ， 在地球和火星之間的近地小行星帶中 ， 有上千顆這樣的小家伙，為我們進入深層空間提供了各種跳板線路 。由于小行星自身引力很弱，在上面降落所花費的能量比在月球或火星上登陸要少得多，這樣就不必再設計一套設備，用于登陸和再發射——畢竟 ， 籌劃一次為期6 ~ 18 個月的長途行星際探索，就已經很讓人頭疼了 。
在我們看來，通過小行星探測項目，我們有機會解決人類星際征途中最復雜、一直沒有得到解決的問題：在零重力環境中 ， 如何讓宇航員的身體機能不發生衰退，不受到宇宙射線的傷害（參見《環球科學》2006年第4期《宇宙射線：星際旅行終結者？》） 。NASA首先要知道如何應對宇宙空間的殘酷環境，然后才能更好地設計出登陸火星所需的飛行器 。
對于目前科學家感興趣的幾個小行星，如果宇航員乘坐功率為200千瓦的電推進系統 ， 可在半年到一年半的時間里抵達 。由于國際空間站的太陽能電池陣列的輸出功率為260千瓦 ， 因此以當前的能力來看，200千瓦的電推進系統是比較合理的方案 。這類任務能突破深層空間探索的技術壁壘，為 2年或3年期的探索任務以及開發600千瓦的推進系統奠定堅實基?。?而這些條件正是火星之旅所需要的 。
我們的第二個基本原則是，NASA不必像上世紀60年代那樣，為每項任務都構建一套全新系統 。有些系統確實需要開展新的研究 ， 比如如何防止宇航員受到零重力環境和宇宙射線的傷害 。但其他系統，都可以借用現有的空間探索設備 。深層空間飛行器可由幾個單一功能的部件組合而成 ， 比如主體結構、太陽能陣列和生命維持系統，而這些都可直接采用空間站上的現有設計 。同時，還有很多擅長某項技術的私人公司和其他國家的航天機構也可以助NASA一臂之力 。
第三個基本原則是 ， 構建一個穩健的發展模式，即便某個環節出了問題或不能按期完成 ， 整個項目仍能保持前進的態勢 。這條原則尤其適用于美國國會實行的空間政策中最有爭議的一個環節：開發能將宇航員和探測器從地面直接送入軌道的運載設備 。美國國會已經責成NASA建造新一代的大推力火箭，也就是空間發射系統（Space Launch System，SLS），而NASA則在2011年9月宣布，將逐步完成此項目：首先建造小一些的發射系統，推力為阿波羅計劃中“土星五型”火箭的一半，然后以此為基?。鴆澆ㄔ焱屏Ω蟮南低?nbsp;， 直到超越“土星五型” 。第一個SLS發射系統配以目前已經投入使用的獵戶座（Orion）載人艙，能在三周內將宇航員送入月球軌道及地月系的拉格朗日點 ， 但要想再向外擴展，就必須設計新的系統 。
幸運的是，探索深層空間無須等待SLS完全建好之后才開展，現在就可以從生命維持系統和電推進系統著手準備，這些都是突破月球軌道所必需的前提條件 。優先發展這些項目，能讓NASA在研發新型火箭的過程中更好地修正SLS的設計，讓它更適合深空探索任務 。甚至，上述組件還可以根據商業或國際發射平臺的發射能力進行設計，然后利用這些平臺 ， 將組件送入地球軌道 ， 并在軌道上組裝，就像國際空間站和米爾空間站（Mir Space Station）那樣 。利用好現有火箭，也能推動航天事業向深空進發 。因此，只要靈活運用各種技術，NASA就可以在經費緊縮的條件下，開展更多探索項目 。

環球科學 戴蒙