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美国宇航局的下一代载人航天器计划于下月初在可靠的德尔塔4号火箭顶部发射,进行无人试飞。目前的计划是在2020年代中期使用新型猎户座飞船进行载人飞行,届时该飞船将由美国宇航局新型重型运载火箭搭载,将宇航员送出地球轨道,这将是半个世纪以来的首次。在航天飞机时代之后,他们接下来要去哪里还远不确定。
如果奥巴马政府和美国宇航局能够如愿,宇航员将前往一颗小型小行星,这颗小行星将被太阳能机器人探测器推入高而稳定的月球轨道。在为期一个月的任务中,宇航员将与小行星会合,进行太空行走以采集样本,然后返回地球。目标小行星尚未公布,机器人太空拖船也尚未建造,但美国宇航局希望最早在2021年将这颗太空岩石迁移到月球附近。
美国宇航局将这个复杂的概念称为小行星重定向任务 (ARM),并将其标榜为在2030年代实现载人火星任务的关键第一步。
其他人对此并不确定。在今年六月,美国国家研究委员会发布了一份报告,指出 ARM 可能会“转移美国资源和注意力”,使其无法投入到更有价值的任务中。一个月后,美国宇航局顾问委员会批评 ARM 是通往火星之路上的“死胡同”。最严厉的批评出人意料地来自小行星科学家,他们通过美国宇航局小天体评估小组的声明表达了不满,称 ARM 的科学“缺乏说服力”。行星科学研究所主任马克·赛克斯在九月向国会委员会作证时抨击了 ARM,称美国宇航局对该任务机器人组件的成本估算低于 12.5 亿美元,“令人难以置信”。
赛克斯说:“我不太喜欢将载人航天探索视为行为艺术,而 ARM 就是这样。” “因为行为艺术的问题在于,你的下一个技巧必须比上一个技巧更精彩——而这很快就会变得难以为继。ARM 永远不会获得资助。它永远不会发生。这是一种浪费钱财。它对任何事情都没有推进作用,而且所有可能从中受益的东西都可以通过其他更便宜、更有效的方式获得更大的益处。”
美国宇航局 ARM 项目主管米歇尔·盖茨表示,该任务概念正在按计划实现其开发里程碑,并且一项独立的成本评估研究正在进行中。她和其他美国宇航局官员指出,ARM 所需的先进推进技术将成为未来广泛任务的使能技术,并且 ARM 将是对许多深空活动的关键测试,这些活动对于未来有一天到达火星至关重要。并且,这一切都将在宇航员足够靠近地球的情况下完成,这样如果出现问题,他们就可以尝试紧急返回地球。
盖茨说:“去年,当国家研究委员会发布他们的报告时,在他们的技术小组进行分析时,我们对 ARM 概念的细节知之甚少。” “鉴于过去一年所做的大量工作,以及我们最近分享成果后从许多社区获得的积极反响,我鼓励大家查看最新的数据。”
ARM 的命运现在看来比以往任何时候都更加脆弱,而它的命运可能已经在今年的中期选举中被注定,在这次选举中,反对该任务的共和党人控制了国会。尽管如此,美国宇航局计划在 2015 年 2 月对 ARM 概念进行正式审查,奥巴马政府的下一份预算提案预计将要求为 ARM 提供更多资金,这是其在载人航天领域的标志性努力。
一个基本概念有助于解释我们是如何走到这一步的,ARM 从何而来,以及为什么它有如此庞大而多样的批评者:惯性,即静止的物体保持静止状态的趋势,以及运动的物体保持恒速和方向运动的趋势。
在火箭技术中,克服惯性、改变速度和轨迹所需的努力称为 Δv(德尔塔-V)。它通常以米或千米每秒为单位测量,通常通过从发动机中喷射推进剂来获得。更大的 Δv 可以让你以更高的速度将更大的物体移动到更广泛的地点,但是获得足够的 Δv 将宇航员送上行星或月球通常需要大型、预算庞大的火箭。访问附近的小行星和彗星等较小的天体可能更容易,因为这样的旅行通常需要较小的 Δv。
美国宇航局及其火箭计划也具有惯性,但它们的轨迹只有通过大量消耗最难以捉摸的推进剂——政治资本——才能改变。人们可能会称之为 ΔP(德尔塔-P)。
乔治·W·布什总统试图通过星座计划改变美国宇航局的航向,该计划承诺退役航天飞机,并建造新的火箭和航天器,将宇航员送回月球及更远的地方。但他的政府因代价高昂的伊拉克战争而耗尽了 ΔP。由于预算问题,该计划被即将上任的巴拉克·奥巴马总统视为不可持续,奥巴马总统在 2009 年取消星座计划时也消耗了一些 ΔP。奥巴马的美国宇航局将不再立即返回月球或直接前往火星,而是专注于追求先进的推进技术,这些技术可以以更少的资金提供更多的 Δv,并将前往深空中未指明地点的任务作为其试验场。
惯性有其他的想法。如果星座计划消失,数十亿美元的合同和数千个工作岗位可能会随之消失。有影响力的参议员和众议员指责奥巴马取消星座计划并且没有提供替代目的地和期限,从而摧毁了美国宇航局。面对两党国会反对,政府选择保留星座计划的载人飞船猎户座,并勉强接受了太空发射系统(一种与星座计划惊人相似的火箭计划)的开发。即便如此,奥巴马政府高级官员仍然认为,总统可以通过宣布美国宇航局宇航员的新目的地和到达该目的地的时间表来挽救他早先的提议。
该声明是在 2010 年 4 月在位于佛罗里达州卡纳维拉尔角附近的美国宇航局肯尼迪航天中心发表的演讲中宣布的,奥巴马在演讲中承诺在 2025 年之前将宇航员送往小行星。但只有一个问题——该机构缺乏 ΔP 和 Δv。大幅度、政治上站不住脚的增加美国宇航局的预算似乎是加快火箭和生命支持系统开发的唯一途径,这些系统能够按照奥巴马的最后期限将宇航员送往遥远的小行星进行为期数月的旅行。
通过一系列委托研究,该机构开始调查是否可以不将宇航员送往小行星,而是将小行星送到宇航员身边——可能是在国际空间站、高地球轨道甚至月球周围。如果美国宇航局能够开发出先进的太阳能电力发动机,这一壮举似乎是可能的。尽管这种发动机在推力方面不如化学火箭,但它可以维持多年的推力,从而实现足够大的 Δv 变化,以回收近地小行星。
支持这种方法的一项关键工作出现在 2012 年,加州理工学院凯克空间研究所发布的一份报告中。根据该研究,花费约 26 亿美元,一艘机器人拖船可以与一颗七米、50 万公斤的小行星会合,将其捕获在一个可展开的袋子中,并在 2025 年之前将其推入高月球轨道——也就是说,及时让宇航员访问它以满足总统的最后期限。该研究的负责人之一,行星协会联合创始人路易斯·弗里德曼,将研究结果提交给了时任美国宇航局副局长洛里·加弗,加弗又将其与美国宇航局载人航天工作负责人比尔·格斯滕迈尔分享。在获得美国宇航局高层的支持后,白宫犹豫不决地批准了该计划。
从这个尴尬的时间线来看,ARM 诞生了,尽管形式略有改变:美国宇航局将估计成本下调了一半以上,并为将一个大约五米宽的物体运送到高月球轨道建立了两种竞争方案:方案 A——类似于弗里德曼及其同事研究的“抓取和打包”任务;方案 B——使用机械臂从更大的小行星上摘取一块小巨石。美国宇航局计划在今年 12 月在这两种方案之间做出选择。
在 2013 年 4 月 ARM 公开披露后,广泛的批评就开始了,并且一直持续不断。无论是来自希望重返月球或前往火星的充满希望的宇航员,还是反对所有政府资助的载人航天的空间科学家,还是担心成本增长的政府会计师,或是坚决反对奥巴马任何提案的国会共和党人,几乎每个关键的空间政策选区都找到了反对该任务的理由。
弗里德曼说:“批评者似乎不明白的是,如果我们不将人类送往被移近地球的小行星,那么在可预见的未来,我们将无处可去,这意味着未来十年或二十年。” “如果我们放弃这项任务,我们计划中的火箭和乘员舱可以到达月球,但如果没有目前看来不切实际的投资,我们将无法着陆。”
ARM 最严厉的批评者,如行星科学研究所的赛克斯和麻省理工学院教授理查德·宾泽尔等小行星科学家,仍然不相信。“赛克斯说:“说如果你不接受这个凭空出现的东西,你将一无所获,一切都将结束,这是一种空洞的威胁。” “好吧,你知道,好吧,没关系——扣动扳机吧,伙计们。也许有些人没有得到他们想要的玩具,但我们的领导人可以追求其他选择。”
赛克斯说,他和他的许多同行确实想要一项小行星任务;他们只是设想了一些与美国宇航局以截止日期为导向的 ARM 提案截然不同且更具变革性的东西。赛克斯指出,一些小行星富含水冰,可以加工成火箭燃料,但他怀疑 ARM 是否会开发出利用这些宝贵资源所需的技术。他还认为,宇航员需要新的、更好的技术来在外太空执行任务。他说,当美国宇航局的 ARM 团队派遣和平使者参加最近在华盛顿特区举行的小行星科学家会议时,他对如此雄心勃勃的任务的希望骤降。
赛克斯回忆说:“他们展示了宇航员将穿着的喷气背包和宇航服,以便前往装有从月球轨道带回的岩石的袋子,以及他们将如何与之互动。” “我觉得我们好像在看一幅新石器时代的洞穴壁画。我们真的想用戴着手套的手指抓住小行星的表面,然后用眼睛透过面罩来观察它们吗?他们在非洲做手术,在巴西通过远程呈现进行采矿。让我们在小行星上这样做。你会有身临其境的感觉,你可以执行精细的操作。你将能够比人类更好地在波长范围和灵敏度范围内进行观察。”
宾泽尔的论点更多地源于简单的统计数据,他在最近发表在《自然》杂志(《大众科学》是自然出版集团的一部分)上的一篇评论文章中强调了这一点。他说,现在认为有大量近地小行星处于适合宇航员进行低 Δv 访问的原始轨道上,这消除了对昂贵的重定向任务的需求。他认为,美国宇航局最好在采取行动之前更加努力地寻找。宾泽尔建议该机构忘记 2025 年的最后期限,转而首先建造一台空间望远镜来绘制近地小行星的地图。
宾泽尔说:“等到我们将一块小岩石拖入月球轨道时,我们将发现更多有吸引力、更大的物体通过地月系统,这些物体更容易到达。” “一次回收任务只能让你获得一颗小行星,但一次调查可以让你获得数千颗你可能访问的小行星,而且成本要低得多。” 他补充说,按照目前的发现速度,到 2020 年,美国宇航局将违反法律,届时国会强制要求的最后期限将到期,该机构需要绘制出 90% 的潜在危险小行星的地图,这些小行星的尺寸约为 140 米或更大。一颗小行星探测望远镜也可以解决这个问题。
美国宇航局近地天体计划的项目主管林德利·约翰逊承认,该机构目前有未能按时完成 2020 年绘制危险天体地图的危险,并且宾泽尔指出尚未进行充分调查是正确的。
综上所述,一个令人沮丧的结论似乎是不可避免的:非常有可能的是,由于未能首先投资于寻找适合载人任务的理想小行星,美国宇航局对 ARM 的优先考虑可能会成为一个非常昂贵的错误。正如之前发生过几次的那样,惯性和内讧似乎再次注定要让该机构最新的载人航天计划坠入虚空,大胆地走向毫无结果。