空间研究中最令人困扰的问题之一是，在过去50年中，我们进入太空的方式几乎没有改变。因此，太空通道仍然既昂贵又稀少。它仍然没有达到科学家可以像海洋学家（他们经常到达深海）或地球物理学家（他们冒险前往两极）那样，自己经常前往那里进行研究的阶段。
这一切都将发生改变。营利性商业太空飞行的出现——最近的亮点是SpaceX建造和运营的“龙”号太空货运舱成功发射到国际空间站（ISS）——可能会改变空间研究。科学家将享受更低的发射成本、更频繁的太空访问机会，以及亲自在轨道上运行实验的机会。这些进步不仅将帮助美国国家航空航天局（NASA）以及日本和欧洲航天局的大型空间研究企业，还可能使太空访问成为全球范围内的国家、学术机构和公司能够负担得起的服务。
当我担任美国国家航空航天局负责所有太空和地球科学研究的副局长时，我第一次对商业太空飞行的潜力产生了兴趣。从那时起，我为商业航天公司提供咨询，担任谷歌月球X大奖赛两支团队的首席科学家，并通过我的母校——位于德克萨斯州圣安东尼奥市的西南研究院购买了商业载人研究太空飞行。我亲眼目睹了商业太空飞行的前景日益光明。
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未来几年内，各种丰富的商业空间系统将上线，为空间研究人员提供重要的新功能——自二战后将捕获的德国V-2火箭改装成研究平台以来，科学家们一直是寻找更好方法来完成工作的聪明的机会主义者。尽管目前正在进行的一些计划可能会失败，但其他计划肯定会成功。并且，在当今众所周知的预算收紧、成本超支以及太空通道长期停滞不前的环境中，这种成功来得越快越好。
我相信，2010年代和2020年代对于我们探索太空的方式而言，可能与1950年代和1960年代一样关键。事实上，我们已经目睹了一场正在发生的革命。从通常被吹捧为“旅游”冒险的亚轨道飞行（但也为科学家提供了一个席位）到前往国际空间站及更远地方的轨道旅行，未来几年将重塑我们与地球之上那个仍然神秘的世界的关系。
亚轨道未来
美国国家航空航天局最富有成效，但或许也是最不为人所知的太空飞行项目之一是其亚轨道计划。该计划已经实施了几十年，每月使用一次性无人火箭发射一到两次短暂的太空任务，使研究人员有机会将其仪器送入太空几分钟。尽管飞行时间短暂，但亚轨道任务在太阳物理学、超新星研究、高层大气科学、天体物理学和彗星研究方面取得了关键的科学成果。此外，它们对于在将新的航天器和传感器技术投入数十亿美元的任务之前进行测试，以及培养无数太空实验家（包括美国一些最杰出的天文学家、大气科学家和行星任务负责人）已被证明是无价的。
然而，尽管科学界在过去20年中多次呼吁大幅提高飞行频率，但美国国家航空航天局的亚轨道计划发射率仍然令人沮丧地低下。原因有很多，但都集中在费用上。进行一次此类任务的平均成本约为250万美元，这使得在美国国家航空航天局的亚轨道计划预算内大幅提高发射率成为不可能。
然而，由XCOR Aerospace、维珍银河、Armadillo Aerospace、Masten Space Systems和蓝色起源等商业公司建造的新型可重复使用亚轨道飞行器的出现，提供了突破性的能力，预计将从根本上提高亚轨道研究的速度和生产力。
这怎么可能实现呢？首先，通过飞行可重复使用而不是一次性发射器，这些公司可以大幅降低飞行成本并提高发射率。这种强大的进步组合很可能会像个人电脑革命改变计算一样影响空间研究——创造一场访问革命。
美国国家航空航天局现在每年进行大约20到25次亚轨道发射。亚轨道飞行提供商维珍银河预计其首架飞行器最终将每天飞行一次。每次飞行将能够携带六个有效载荷架或六名研究人员（或两者兼而有之）。仅这家公司每年就可以提供大约2000次实验机会。
维珍银河并非在这个新市场中孤军奋战。XCOR Aerospace是维珍最强大的竞争对手之一，预计其每架可重复使用飞行器每天发射四次，其中一些已经租赁给包括韩国和库拉索在内的国家。试想一下，如果飞行如此频繁，研究领域的发展速度会有多快。例如，生命科学家每年可以获取数百个宇航员零重力数据集，而我们目前只获得少量此类研究。
当然，仅凭高飞行率并不能带来革命。这些可重复使用系统的另一个关键属性是其较低的成本。维珍银河计划以20万美元的价格出售亚轨道任务中200磅的有效载荷或研究位置——这大约比传统的探空火箭任务发射便宜10倍。XCOR的报价，就像Armadillo Aerospace的报价一样，更接近于仅10万美元。
可重复使用火箭革命还将使新型科学成为可能。例如，由于可以频繁访问科学家称之为“未知层”的科学关键高空大气区域——飞机和气球无法到达的高度，卫星也无法在不翻滚回地球的情况下下降到的高度——科学家将能够研究许多大气现象，包括神秘的高空闪电，如红色精灵和蓝色喷流。
这些新型飞行器还在其革命性的能力方面提供了巨大优势，即让研究人员携带其有效载荷飞行。自太空时代黎明以来，空间研究可能很快就会进入每个其他研究领域长期以来一直享有的领域：一个实验室环境，科学家可以在现场进行自己的实验，而无需机器人技术。
尽管这听起来可能像科幻小说，但一些机构的研究人员已经在为自己和他们的实验预订飞行。到本 decade中期，下一代亚轨道技术可能会像20世纪50年代的探空火箭研究一样蓬勃发展——从罕见变为常规。仅仅这一点就会是一个巨大的变化吗？是的，但这些飞行只是对空间研究界具有重要意义的几种新兴商业航天能力中的第一种。
到达轨道的新型廉价方法
在美国，历史上一直用于美国国家航空航天局大多数轨道科学任务的发射器——飞马座、阿特拉斯和德尔塔火箭——自20世纪90年代末以来，成本都增加了一倍以上。过去，使用飞马座火箭发射小型科学任务的成本约为1500万美元；现在成本超过4000万美元。能够携带最大有效载荷的高端火箭（所谓的重型发射器，如阿特拉斯V）的价格已从1.5亿美元左右升至3.5亿美元左右。
由于空间科学预算在资金削减和成本超支之间受到挤压，美国国家航空航天局的科学项目经理可能会发现，更便宜的商业发射服务提供商是天赐之物。例如，考虑一下SpaceX创建的猎鹰系列发射器。该公司构思、设计、开发、测试并使其猎鹰系列发射器投入运行所花的钱，比政府建造其现已解散的阿瑞斯火箭的发射塔所花的钱还要少。SpaceX目前以约6500万美元的价格提供猎鹰9号——约为其中型升力德尔塔II竞争对手成本的一半。到2014年，SpaceX计划推出一种更大的猎鹰火箭，称为猎鹰重型火箭（FH）。FH将能够提升大约是最大的阿特拉斯和德尔塔火箭两倍的载荷，但价格仅为1亿美元，不到其竞争对手价格的三分之一。
历史上，美国国家航空航天局每年发射三到五个轨道科学任务。仅将这些任务的一半发送到猎鹰重型火箭上，五年内就可以节省20亿到30亿美元。这些节省下来的资金足以开展几个新的“发现级”行星探测任务，或近10个用于天文学和太阳物理学的“小型探测者”任务。它们甚至足以资助一个新的类似于“好奇号”的旗舰级火星探测车。
商业航天公司正在开拓的另一种节省成本的选择是在商业航班上搭载科学有效载荷。例如，第二代铱星通信卫星星座中的72颗航天器中的每一颗都为付费客户提供空间。主任务提供发射和卫星成本，而科学仪器仅支付其中的一小部分。目前，这种“搭载有效载荷”的概念仍然是一个精品市场。它仅在科学仪器能够安装在通信卫星上并在其专用轨道上运行的情况下才有效，并且显然不适用于大型望远镜和其他需要自己专用卫星的任务。然而，它创造了以数千万美元而不是现在发射和运行卫星任务所需的数亿美元来发射适度有效载荷的机会。
走向月球和火星
来自欧洲、北美、亚洲和其他地区的二十多个团队参加了谷歌月球X大奖赛，该赛事将奖励完成首次商业机器人月球着陆任务的团队，奖金价值超过3000万美元[参见Michael Belfiore撰写的“奔向月球”；《大众科学》，2012年4月]。
Moon Express和Astrobotic等团队已经签署合同，将科学有效载荷运送到月球。这些公司和其他公司将月球X大奖赛本身视为仅仅是首次演示任务。长期目标是从研究人员和没有数亿美元以及自行在月球上着陆的技术经验，但有资金购买他人已验证的着陆器上的单个有效载荷舱位的国家那里产生稳定的收入流。1000万美元的票价仍然比近期政府主导的10亿美元任务便宜100倍。
许多月球和行星科学家乐观地认为，按照这些价格，将会有更多的国家能够负担得起向月球发送实验，从而在研究“第五颗类地行星”（继地球、火星、水星和金星之后）方面创造第二次复兴。
展望月球以外的火星，SpaceX正在讨论改装最初设计用于将有效载荷运送到国际空间站的“龙”号太空舱，以将大型有效载荷运送到火星的可能性。这将比近期的火星着陆器花费少数亿美元。如果SpaceX能够向美国国家航空航天局或外国航天机构推销这一想法，它可能能够创造一种新的廉价方式来进行火星研究，而此时世界各地的航天机构都在努力承担继续火星探测的费用。
私人空间站
地球上约90%的194个国家不是国际空间站的合作伙伴，因此没有充分利用这个唯一的、大型空间站的前景。对于中国、印度和韩国等国家来说，私人商业空间站可能是长期进入太空进行微重力、基础物理学、技术测试和空间生命科学研究的最佳选择，更不用说国家声望了。
在这些努力中，第一个也是最著名的可能是毕格罗宇航公司的私人空间站。该公司在没有大张旗鼓的情况下，已经在近地轨道上建造并测试了两个原型空间站。通过为多达六名研究人员提供舱位，毕格罗的第一个载人空间站将使任何给定时间在轨道上的研究人员数量增加一倍。通过这样做，并通过使用波音公司计划的CST-100或SpaceX的“龙”号（两者都设计用于将宇航员运送到国际空间站）等私人太空出租车，毕格罗的空间站很可能能够为美国和国外的研究人员、机构和公司提供更快的太空访问，而成本仅为联盟号发射和国际空间站停留费用的一半或更低。
但毕格罗并非孤军奋战。第二家名为Excalibur Almaz的公司计划使用备用的苏联时代空间站模块和载人运输飞行器建造一个类似但较小的空间站。
SpaceX的“龙”号太空舱也可用作长期空间站。目前，“龙”号飞行器已与美国国家航空航天局签订合同，负责往返国际空间站的货物运输。在不久的将来，它们也应该能够运送宇航员。然而，“龙”号太空舱可以做更多的事情。SpaceX计划进行自动化和载人DragonLab任务，这些任务可以飞往地球轨道，在那里停留数周至数月，利用内部和外部有效载荷进行研究，并且成本可能低于商业空间站提供的成本。
重返狂野的黑色天际
这些创新代表了自20世纪50年代和1960年代以来我们进入太空的第一个根本性的新方法，亚轨道研究、行星任务和地球轨道卫星都在那些年代走向成熟。然而，我们仍处于我们萌芽中的商业革命的早期阶段，许多问题仍然存在。新兴公司将在多大程度上改变空间科学？它们将在多大程度上激励公众？它们将以多快的速度说服更多的企业家加入商业航天革命？答案在很大程度上取决于创新型研究人员和航天机构的创新能力，以及他们学习适应和利用商业航天世界以改进我们进行空间研究的方式的速度。
的确，如果已经开始进行的商业亚轨道和轨道风险投资取得成功，它们可能会开辟另一条探索太阳系小行星、行星和卫星的道路。科学可能会像私人探险队开辟极地地区那样从中受益。为什么不呢？这样的预测当然是天空不是极限的一个例子。