美国国家航空航天局 (NASA) 有一项艰巨的任务。它必须说服美国纳税人，太空科学每年花费 162.5 亿美元是值得的。为了实现这一目标，该机构开展了广泛的公关活动，类似于美国最大公司的营销活动。美国国家航空航天局在 21 世纪的营销中吸取了一个宝贵的教训：为了推广其项目，它必须提供引人入胜的视觉效果和引人入胜的人类角色故事。因此，美国国家航空航天局源源不断地发布来自其载人航天计划的新闻稿和图像。
每次航天飞机的发射都是一次媒体盛事。美国国家航空航天局将其宇航员塑造成现成的英雄，即使他们在太空中的成就不再具有开创性。美国国家航空航天局公关能力的最佳例证也许是美国首位进入地球轨道的宇航员约翰·格伦参与了 1998 年的 STS-95 航天飞机任务。格伦在 77 岁时重返太空，使 STS-95 任务成为自阿波罗登月以来最受关注的任务。美国国家航空航天局声称格伦是为了科学而去的——他在各种医学实验中充当豚鼠——但很明显，格伦乘坐航天飞机的主要好处是宣传，而不是科学发现。
美国国家航空航天局仍在太空中进行一流的科学研究，但这主要是由无人探测器而不是宇航员完成的。近年来，“探路者”号探测车已经勘测了火星表面，“伽利略”号宇宙飞船已经勘测了木星及其卫星。“哈勃”太空望远镜和其他轨道天文台正在带回宇宙早期时刻的图片。但机器人不是英雄。没有人为望远镜举行彩带游行。载人航天飞行提供了美国国家航空航天局用来向公众推销其计划的故事。而这正是美国国家航空航天局每年花费近四分之一的预算来发射大约六次航天飞机的主要原因。
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美国国家航空航天局现在背负着国际空间站这个预算“出血”的地球轨道“实验室”。美国国家航空航天局表示，空间站为太空研究提供了一个平台，并有助于确定人们如何在太空中安全地生活和工作。这些知识可用于规划载人火星任务或在月球上建造基地。但这些为空间站辩护的理由在很大程度上是神话。事实摆在眼前，就像土豆一样简单：国际空间站不是尖端科学的平台。无人探测器可以比载人任务更廉价、更有效地探索火星和其他行星。而月球殖民地将是一个愚蠢的命运。
[分隔符] 科学的神话
1990 年，美国物理学会这个由 41,000 名物理学家组成的组织审查了当时计划在国际空间站上进行的实验。许多研究涉及检查空间站微重力环境中的材料和流体动力学。其他提议的实验侧重于在空间站上生长蛋白质晶体和细胞培养物。然而，物理学会的结论是，这些实验无法提供足够的有用科学知识来证明建造空间站是合理的。包括美国化学学会和美国晶体学协会在内的其他 13 个科学组织也得出了同样的结论。
从那时起，空间站经过了重新设计，计划进行的实验列表也发生了变化，但研究界仍然一致反对。迄今为止，来自世界各地的至少 20 个科学组织已确定，在其各自领域进行的空间站实验是浪费时间和金钱。所有这些小组都建议，空间科学应该改为通过机器人和望远镜任务来完成。
这些科学家对他们的反对有各种各样的理由。对于材料科学研究人员来说，空间站只是一个太不稳定的平台。宇航员和机械的运动引起的振动会干扰敏感的实验。同样的振动也使天文学家难以观测天空，地质学家和气候学家也难以像使用无人卫星那样研究地球表面。从空间站排放的气体云干扰了附近需要近真空条件的空间实验。最后，空间站仅在 400 公里（250 英里）的上方轨道上运行，穿过一个已经得到广泛研究的太空区域。
尽管科学界反对，美国国家航空航天局还是继续在空间站上进行实验。该机构对研究微重力下蛋白质晶体的生长特别热情；美国国家航空航天局声称，这些研究可能会促进更好药物的开发。但美国细胞生物学学会直言不讳地呼吁取消晶体学计划。该学会的审查小组得出结论，拟议的实验不太可能对蛋白质结构知识做出任何重大贡献。
[分隔符] 经济效益的神话
载人航天飞行非常昂贵。航天飞机单次飞行成本约为 4.5 亿美元。航天飞机的货舱最多可将 23,000 公斤（51,000 磅）的有效载荷送入轨道，并可将 14,500 公斤的有效载荷返回地球。假设美国国家航空航天局在将航天飞机发射到太空之前，将航天飞机的货舱装满了五彩纸屑。即使每公斤五彩纸屑在旅途中奇迹般地变成了一公斤黄金，这次任务仍将损失 8000 万美元。
同样的糟糕经济状况也适用于国际空间站。在其历史上，空间站经历了五次重大重新设计，并延误了 11 年。美国国家航空航天局的支出已超过原计划全部成本 80 亿美元的三倍。
美国国家航空航天局曾希望空间站的太空制造能够抵消部分费用。理论上，微重力环境可以允许生产某些药物和半导体，这些药物和半导体将比地球上生产的同类产品具有优势。但是，将任何东西送到空间站的高昂价格让大多数公司甚至放弃了探索这个想法。
到目前为止，空间站唯一的经济受益者是俄罗斯，它是美国在该项目中的合作伙伴之一。美国国家航空航天局在四年内向俄罗斯航天局支付了 6.6 亿美元，以便后者能够完成空间站关键舱段的建造。这笔钱是为了弥补俄罗斯因国家经济崩溃而无法提供的资金。美国威斯康星州众议员詹姆斯·森森布伦纳是众议院科学委员会的成员，他痛苦地将这笔资金注入称为俄罗斯的“救助资金”。
但是长期的经济效益呢？美国国家航空航天局一直坚持认为，空间站的最终目标是作为载人火星任务的跳板。这样的任务可能至少与空间站的成本一样高；即使是最乐观的专家也估计，将宇航员送往红色星球将花费数百亿美元。其他估计高达 1 万亿美元。火星任务唯一可能的经济效益将以技术衍生产品的形式出现，而历史表明，这种衍生产品不足以证明耗资巨大的太空项目是合理的。
1993 年 1 月，美国国家航空航天局发布了一项内部研究，审查了先前任务的技术衍生产品。根据该研究，“美国国家航空航天局的技术转移声誉建立在一些著名的例子之上，包括尼龙搭扣、唐和特氟隆。与普遍看法相反，美国国家航空航天局没有创造这些中的任何一个。” 该报告的结论是，在过去三十年中，美国国家航空航天局的技术转移成功案例非常少。
[分隔符] 命运的神话
现在是时候谈谈个人感受了。当我七岁的时候，我的卧室墙上贴着一张阿波罗宇航员的海报。我的英雄们无畏地在月球上行走，并带着翅膀的荣耀返回家园。他们让宇宙似乎变得小了一点；他们让我的眼睛睁得更大了一点。我确信有一天我会追随他们的脚步前往火星。
那么，发生了什么事？我去过火星三次——两次是在 1970 年代后期的“海盗”号着陆器上，然后是 1997 年 7 月的“火星探路者”号任务。我并不孤单：数百万人与我一起坐在前排座位上观看“探路者”号坚固的“索杰纳”号探测车在火星景观上爬行。我还与“伽利略”号宇宙飞船一起前往木星的卫星，并在木卫二上看到了液态海洋的迹象。2004 年，我乘坐“卡西尼”号探测器前往土星，并近距离观察了土星环。
近年来，无人宇宙飞船的能力取得了巨大的进步。美国国家航空航天局的“发现”计划鼓励设计紧凑、经济高效的探测器，这些探测器可以进行精确测量并传输高质量的图像。例如，“火星探路者”号仅花费 2.65 亿美元就返回了大量数据和图片。美国国家航空航天局的“新千年”计划正在测试微卫星和惯性罗盘等先进技术。
当然，机器人宇宙飞船仍然需要人类的指导，即来自地球控制室的科学家和工程师。与宇航员不同，任务控制员通常不会在媒体上受到赞扬。但是，如果探险家刘易斯和克拉克今天还活着，他们就会坐在那里。他们不会有兴趣把时间花在拧紧空间站的螺栓上。
在月球上建造载人基地就更没有意义了。正如“月球勘探者”号探测器所表明的那样，无人宇宙飞船可以非常有效地研究月球。我们的命运不是建造月球殖民地，就像不是用手走路一样。
[分隔符] 下一步是什么？
目前，美国国家航空航天局似乎致力于维持其载人航天计划，无论成本如何。但在未来十年，该航天机构可能会发现，它不需要人类角色来讲述引人入胜的故事。“火星探路者”号证明，无人任务可以像航天飞机飞行一样让公众兴奋。“探路者”号网站一年内的点击量达到了 7.2 亿次。也许机器人也可以成为英雄。
孩子们现在不再凝视宇航员的海报，而是在玩火星探测车的玩具模型。下一代太空探险家正在成长，他们知道无需登上宇宙飞船即可访问另一颗行星。几十年后，当这些孩子们长大后，他们中的一些人将领导下一次伟大的太阳系探索。他们将坐在安静的控制室里，向遥远的探测器发送指令，并进行最终调整，引导我们走向星辰。
C对载人航天飞行的批评来自多个方面。有些人指出载人任务的成本很高。他们认为，美国国家航空航天局有大量的任务要完成，而载人航天飞行正在耗尽更重要任务的资金。其他批评者质疑将人送入太空的科学价值。他们的论点是，载人航天飞行是一项昂贵的“噱头”，而科学目标可以通过机器人宇宙飞船更轻松、更令人满意地实现。
但过去 47 年宇航员和宇航员的实际经验果断地表明了人类作为太空探险家的优点。在太空中需要人类的能力来安装和维护复杂的科学仪器，并进行实地勘探。这些任务利用了人类的灵活性、经验和判断力。它们需要的技能在可预见的未来不太可能实现自动化。纯粹的机器人探索计划不足以解决使行星值得详细研究的重要科学问题。
许多送入太空的科学仪器需要仔细放置和对准才能正常工作。宇航员已成功地在地球轨道上（例如，哈勃太空望远镜）和月球表面部署了仪器。就太空望远镜而言，最初有缺陷的仪器的修复及其持续维护已由航天飞机机组人员在维修任务中出色地完成。从 1969 年到 1972 年，阿波罗宇航员在月球表面精心设置和对准了各种实验，这些实验通过测量地震活动和热流，为科学家提供了月球内部的详细图像。这些实验完美运行了八年，直到 1977 年因财政而非技术原因而关闭。
人们已经设想了精细的机器人技术，以便在行星或卫星上远程放置仪器。例如，地面探测车可以想象地安装一个地震监测网络。但这些技术尚未在实际的太空行动中得到证明。非常灵敏的仪器无法承受机器人部署的粗暴操作。因此，这种网络的自动部署版本很可能比人工部署的版本灵敏度和能力都低。
当复杂设备发生故障时，人类在太空中的价值变得更加明显。在几次情况下，宇航员能够在太空中修复硬件，从而挽救了任务及其产生的宝贵科学数据。1973 年“天空实验室”发射时，实验室的热防护罩被撕掉，一块太阳能电池板丢失。另一块太阳能电池板被束缚带束缚在实验室上，无法释放。但是，第一批“天空实验室”机组人员——宇航员皮特·康拉德、乔·克尔温和保罗·韦茨——安装了一个新的热防护罩，并部署了被固定的太阳能电池板。他们的英勇努力不仅挽救了任务，还挽救了整个“天空实验室”计划。
当然，有些故障过于严重，无法在太空中修复，例如 1970 年“阿波罗 13 号”宇宙飞船氧气罐爆炸造成的损坏。但在大多数情况下，当宇宙飞船设备发生故障时，宇航员能够分析问题，做出当场判断并提出创新解决方案。机器能够进行有限的自我修复，通常是通过切换到可以执行与损坏设备相同任务的冗余系统，但它们不如人类灵活。机器可以设计用来解决预期的问题，但到目前为止，只有人类表现出处理意外困难的能力。
[分隔符] 作为实地科学家的宇航员
探索分为两个阶段：侦察和实地研究。侦察的目标是获得对给定区域或行星的组成、过程和历史的广泛概述。在侦察阶段提出的问题往往是笼统的——例如，那里有什么？地质侦察的例子包括绕行星运行的宇宙飞船绘制行星表面地图，以及自动化着陆器测量行星土壤的化学成分。
实地研究的目标更加雄心勃勃。目的是详细了解行星过程和历史。这需要在现场观察，创建概念模型，以及制定和检验假设。必须多次访问同一地理位置。实地研究是一项开放式的、持续进行的活动；地球上的一些实地研究地点已经连续研究了 100 多年，但仍然为科学家提供了重要的新见解。实地研究不仅仅是收集数据：它需要人类智慧的指导。现场需要人员来分析过多的数据，并确定应该收集什么和应该忽略什么。
从侦察到实地研究的过渡是模糊的。在任何探索中，侦察都占据了最早的阶段。由于侦察基于广泛的问题和简单、集中的任务，因此侦察是最适合机器人的探索类型。无人轨道飞行器可以提供有关行星大气层、表面特征和磁场的总体信息。探测车可以穿越行星表面，测试土壤的物理和化学性质，并收集样本返回地球。
但实地研究是复杂、解释性和持久性的。解决科学难题的方法通常不是立即显而易见的，而必须在研究过程中制定、应用和修改。最重要的是，实地考察几乎总是涉及发现意想不到的东西。一个令人惊讶的发现可能会促使科学家采用新的探索方法或进行不同的观察。但遥远行星上的无人探测器无法重新设计以观察意外现象。尽管机器人可以收集大量数据，但在太空中进行科学研究需要科学家。
诚然，机器人任务的成本远低于人类任务；我认为它们的能力也远不如人类。苏联在 1970 年代发射的无人“月球 16 号”、“月球 20 号”和“月球 24 号”宇宙飞船经常因以低成本从月球返回土壤样本而受到赞扬。但是，如果没有载人“阿波罗”计划的结果提供的范式，这些任务的结果实际上是难以理解的。在“阿波罗”任务期间，受过地质学训练的宇航员能够选择给定地点最具代表性的样本，并识别有趣或奇异的岩石，并根据这些发现采取行动。相比之下，“月球”号样本是由机器人探测器随意收集的。我们对每个“阿波罗”号地点的地质构成和结构的了解比“月球”号地点要详细得多。
对于最近的一个例子，请考虑“火星探路者”号任务，该任务被广泛宣传为一项重大成功。尽管“探路者”号发现了一种不寻常的富含二氧化硅的岩石类型，但由于探测器的局限性，我们不知道这种成分是代表火成岩、撞击角砾岩还是沉积岩。每种成因模式都会对火星的历史产生截然不同的影响。由于样本的地质背景未知，因此该发现的科学价值微乎其微。训练有素的地质学家可以在几分钟内对岩石进行现场鉴定，从而为随后的化学分析提供背景，并使科学回报大大提高。
[分隔符] 远程控制探索太空
人类的灵巧性和智慧是实地研究的首要要求。但真的需要人员的实际存在吗？远程呈现——将人类能力远程投射到机器中——可能允许在其他行星上进行实地研究，而无需载人航天飞行相关的危险和后勤问题。在远程呈现中，地球上人类操作员的运动以电子方式传输到机器人，机器人可以在另一个行星的表面复制这些运动。来自机器人传感器的视觉和触觉信息使人类操作员感觉自己身处行星表面，“在”机器人内部。作为奖励，机器人替身可以被赋予增强的力量、耐力和感官能力。
如果远程呈现是一个如此伟大的想法，为什么我们需要人类在太空？首先，这项技术尚未成熟。视觉是实地研究中最重要的一种感觉，迄今为止开发的任何实时成像系统都无法与人类视觉相媲美，人类视觉提供的分辨率是视频屏幕的 20 倍。但远程呈现系统最严重的障碍不是技术性的，而是心理性的。科学家用于进行实地探索的过程知之甚少，人们无法模拟不理解的东西。
最后，存在关键的时间延迟问题。理想情况下，远程呈现需要操作员向机器人发出命令、命令的执行以及效果的观察之间的时间延迟最小。太空中的距离非常遥远，以至于瞬时响应是不可能的。信号在地球和月球之间往返需要 2.6 秒。地球和火星之间的往返延迟可能长达 40 分钟，这使得真正的远程呈现成为不可能。机器人火星探测器必须依赖笨拙的界面，这迫使操作员更多地专注于物理操作，而不是探索。
[分隔符] 机器人与人类作为合作伙伴
目前，美国国家航空航天局的重点是国际空间站的建设。然而，空间站不是目的地；它是一个学习如何走得更远的地方。尽管在那里将进行一些科学研究，但空间站的真正价值将是教会宇航员如何在太空中生活和工作。宇航员必须掌握轨道组装过程，以便他们能够建造星际任务所需的复杂飞行器。在未来的几十年里，月球也将被证明是一个有用的实验室和试验台。月球基地的宇航员可以操作天文台并研究当地地质，以寻找太阳系历史的线索。他们还可以使用远程呈现来探索月球不适宜居住的环境，并学习如何将人类和机器人活动结合起来以实现他们的科学目标。
探索的动机既有情感上的，也有逻辑上的。探索新领域的愿望，看看山的那边有什么，是人类天生的冲动。这种冲动也具有理性的基础：通过拓宽人类的想象力和技能，探索提高了我们长期生存的机会。明智地使用机器人和无人宇宙飞船可以降低行星探索的风险并提高其效率。但机器人永远无法取代人类。一些科学家认为，人工智能软件可能会增强无人探测器的能力，但到目前为止，这些能力远未达到即使是最基本的实地研究形式所需的能力。
[分隔符] 作者
弗朗西斯·斯拉基是乔治城大学的厄普约翰物理学和生物学教授，也是美国物理学会公共事务副主任。他于 1992 年在伊利诺伊大学获得物理学博士学位，他的研究重点是高温超导体的光学特性。他撰写有关科学政策主题的文章并进行讲座；他的评论曾在《纽约时报》和《华盛顿邮报》上发表。
[分隔符] 作者
保罗·D·斯普迪斯是休斯顿月球与行星研究所的职员科学家。他于 1982 年在亚利桑那州立大学获得地质学博士学位，并于 1990 年之前在美国地质调查局的天体地质学分部工作。他的研究重点是月球的地质历史以及行星上的火山活动和撞击陨石坑。他曾在许多委员会任职，为美国国家航空航天局提供探索战略方面的建议，并且是《曾经和未来的月球》（史密森学会出版社，1996 年）的作者。