SpaceX 的星舰和 NASA 的 SLS 有望为空间科学注入活力

当天文学家看到詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 启动时，都集体松了一口气。在 2021 年圣诞节发射后，让这架价值 100 亿美元的望远镜启动并运行是一件令人伤脑筋的事情。JWST 如果不折叠，就无法装入任何现代火箭，并且它必须依靠数百个移动部件才能在太空中完全展开。最终，这些努力取得了成功，望远镜已经开始向地球上激动不已的观众传回一些首次校准图像。然而，这次经历让许多天文学家开始思考，是否有一种更简单的方法来建造和发射这种尺寸的望远镜。“我们担心的是展开，”NASA 马歇尔太空飞行中心的约翰·布莱文斯说。但是有了更大的火箭，“你就不必在太空中展开。你可以在地面上完成。”

碰巧的是，目前有两枚这样的火箭正静静地停在发射台上。每枚火箭最终都应该超过强大的土星五号火箭的动力，后者曾将阿波罗号宇航员送上月球。第一枚是 NASA 的太空发射系统 (SLS)，它已在佛罗里达州肯尼迪航天中心准备就绪，等待作为阿耳忒弥斯 1 号任务的一部分，进行首次绕月无人飞行——这是 NASA 在 2020 年代将人类送回月球表面的计划的开端。这枚火箭暂定于 8 月下旬发射，旨在尽可能可靠，因此在很大程度上基于 NASA 航天飞机计划的传统硬件。

但是，对久经验证的技术的依赖可能是它的阿喀琉斯之踵：目前一些估计表明，SLS 的每次发射成本高达令人瞠目结舌的 41 亿美元。假设它不会被感到后悔的国会拨款委员会否决，其巨大的尺寸最终可能会成为科学家寻求向整个太阳系甚至更远的地方发射更大、更雄心勃勃的航天器和望远镜的福音。

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在德克萨斯州，SpaceX 正在开发的另一枚能力相似但截然不同的火箭星舰也在准备进行首次轨道测试飞行，这有待美国联邦航空管理局的监管批准。SLS 的成本似乎如此离谱，因为每枚价值数十亿美元的火箭将在单次使用后被丢弃，其组件将被降级为海底垃圾或漂浮在太空中的垃圾。这曾经是太空时代大部分时期的标准，但时代已经变了。星舰及其巨大的超重型助推器是为持久耐用而建造的，可以像 SpaceX 目前的猎鹰火箭系列一样快速重复使用，这已经大大降低了进入太空的成本。专家表示，尽管 SLS 可能很大胆，但与星舰可能实现的成就相比，它就相形见绌了。德克萨斯州西南研究所的艾伦·斯特恩说：“星舰有望以我们无法真正理解的方式改变太阳系。”斯特恩负责 NASA 的新视野号任务，该任务于 2015 年飞越了矮行星冥王星。“它彻底改变了游戏规则。”

这两枚火箭的整流罩都足够宽敞，可以容纳像 JWST 一样大甚至更大的货物，而无需将组件折叠成世界上最昂贵的折纸。而且，这两款发射器的推力都非常巨大，它们可以用比小型火箭更大的航天器，在更短的时间尺度内到达太阳系遥远的角落。然而，仅星舰就被设计为可以在太空中进行燃料补给，这意味着它可以将令人难以置信的巨大载荷运送到难以到达的地点，例如木星和土星——或者太阳周围的任何其他地方。

随着这个充满希望的超级火箭新时代的曙光，渴望的科学家们正在竞相搭乘顺风车。斯特恩说：“这些火箭可以实现全新的任务类型——前往所有巨行星和柯伊伯带天体，前往海洋世界卫星和太阳系的矮行星。”“它们用途广泛。”现在，许多人正忙于构思可能实现的想法，目前更多地关注 SLS，因为它的成熟度更高，但同时也密切关注星舰及其潜在的革命性能力。

科学发射系统？

NASA 官员表示，在首次登月之后，SLS 将主要用于发射搭载宇航员的猎户座飞船。这些发射将与 NASA 承包的星舰发射协同工作，星舰发射将最早在 2025 年将阿耳忒弥斯宇航员送上月球——或许有一天还会将宇航员送上火星表面。NASA 局长比尔·尼尔森在 3 月 23 日的新闻发布会上表示：“我们预计在未来十年左右，每年大约有一次人类着陆。”因此，在 2030 年代之前，不太可能有 SLS 火箭可以专门用于向太阳系发射任何类型的望远镜或科学探测器。NASA 马歇尔太空飞行中心的 SLS 载荷利用经理罗伯特·斯托夫在 2021 年的一次简报会上说：“鉴于现在到 2020 年代末阿耳忒弥斯计划的需求，在此期间挤入一项科学任务将非常困难。”

因此，在 2021 年，NASA 将原计划于 2024 年发射的木星旗舰任务“欧罗巴快帆”号从 SLS 换成了 SpaceX 的猎鹰重型火箭。即便如此，该机构官员仍然乐观地认为，SLS 的高昂成本和缓慢的发射率可以得到改善，从而为科学任务创造更多机会。斯托夫在他的简报中估计，到 2030 年代，8 亿美元或更低的成本是一个可以实现的目标。根据 2020 年 11 月在美国航空航天学会 (AIAA) 会议上发表的一篇论文，SLS 最终、最强大的计划配置可以通过增加一个新的“上面级”来增压，这将为火箭顶部增加推进力。这种升级将使 SLS 能够向木星发送约 16 吨的有效载荷，向海王星发送约 6 吨的有效载荷，向星际空间发送 1 吨的有效载荷。相比之下，前往冥王星的新视野号任务的质量为半吨。“目前没有任何火箭可以携带如此接近这种有效载荷的载荷，”SLS 在马歇尔的首席工程师布莱文斯说。

2022 年 4 月 19 日，美国国家科学院、工程院和医学院发布了备受期待的行星科学和天体生物学十年调查报告，该报告提出了 NASA 进入 2030 年代以后异世界科学的优先事项。作为调查的一部分，NASA 向科学家征集了关于该机构可能考虑用于外太阳系目标的任务概念的研究。其中三项建议使用 SLS 来实现更快、更庞大的任务：冥王星轨道飞行器、土星卫星土卫二的轨道飞行器和着陆器，以及海王星的轨道飞行器和大气探测器。约翰·霍普金斯大学应用物理实验室 (JHUAPL) 的柯比·鲁尼翁是拟议的海王星任务的成员，他说：“我们希望使用现有或非常近期的技术。”“在所有大型运载工具中，SLS 在设计和成熟度方面都处于最前沿。”

鲁尼翁团队的提案“海王星奥德赛”号计划最早于 2031 年在 SLS 火箭上发射，并在 2040 年代进入海王星轨道。该任务将为一颗仅访问过一次的行星提供前所未有的洞察力，1989 年，旅行者 2 号航天器在离开太阳系的过程中曾短暂飞掠过它。“奥德赛”号将在四年内研究海王星及其最大的卫星海卫一，同时还将向这颗行星的风暴大气层部署一个探测器。猎鹰重型火箭等稍小的火箭也可以将“奥德赛”号送往海王星，但这需要各种附加装置，这将提高任务的成本和复杂性，同时降低其容错率。鲁尼翁说，这种方法“肯定风险更大”。

与此同时，“土卫二轨道飞行器和着陆器”将是一项在土星卫星土卫二的海洋中寻找生命迹象的任务，土卫二的海洋正在通过其上覆冰壳中的裂缝喷射出水蒸气和有机分子羽流。该航天器可以飞越并采集羽流样本，然后在卫星表面着陆以进行原位研究。再说一次，SLS 使这样的任务比使用小型火箭更容易，小型火箭将需要来自内太阳系行星飞越的引力助推。JHUAPL 的概念负责人香农·麦肯齐说：“这意味着我们不必将航天器设计成既能承受内太阳系的温暖条件，又能承受土星的寒冷条件。”

然而，即使是 SLS 也有其局限性。假设在 2031 年发射，这枚巨型火箭仍然需要近三十年的时间才能将一颗名为“珀耳塞福涅”号的拟议轨道飞行器推进到冥王星。尽管 SLS 尺寸巨大，但它仍然受到其在轨燃料补给能力的限制，无法提高其在太空中的运载能力。在他们更大胆的宇宙探索梦想中，科学家们只关注一枚火箭：星舰。“星舰不仅仅是一个渐进式的改变，”NASA 艾姆斯研究中心的詹妮弗·海尔德曼说。“这是一个重大的范式转变。”

进入未知领域

根据设计，星舰可以在地球轨道上由其他星舰飞行器进行燃料补给。这意味着它理论上可以在太阳系中携带大量的质量。SpaceX 首席执行官埃隆·马斯克在 2021 年 11 月举行的美国国家科学院公开会议上说：“你可以将一个 100 吨重的物体送到欧罗巴的表面。”这比 SLS 即使在最终配置中配备上面级所能提供的最佳性能还要高出五倍。星舰的预测成本也明显更低，尽管它是否能达到马斯克乐观预测的每次发射成本低于 1000 万美元还有待观察。英国发射公司 Skyrora 的前发射主管罗宾·海格说：“如果他们能接近这个成本，它就有点像 747 和集装箱合二为一了。”“这将在整个太阳系中使用。”

星舰拥有 1,000 立方米的可用体积，也足够大，可以容纳整个埃菲尔铁塔（拆卸后）（尽管动力不足以将其提升到轨道）。这种巨大的能力促使海尔德曼和她的同事们发表了一篇论文，探讨星舰可以将什么样的设备运送到月球或火星表面。“在轨道上为星舰补充燃料有效地重置了火箭方程，从而可以将大型有效载荷运输到月球和火星，”他们写道，这是指你想要发射的质量越大，传统上，你需要的推力就呈指数级增长。然而，星舰并不局限于这些目的地。SpaceX 的前高级火星开发工程师玛格丽塔·马里诺娃说：“它并非专为月球或火星而微调。”“星舰的目标是创造这种更通用、更大规模的探索能力。”

想法包括发射全尺寸钻头，而不是小尺寸版本。海尔德曼说：“你可以把一个 100 英尺 [30 米] 的钻头放在飞行器上，然后直接部署它。”“你不必试图把它折叠起来。这很令人兴奋，因为你可以钻入火星上的冰层，这对于维持人类探索以及寻找生命非常重要。”星舰也可能提供双向交付服务，从这些世界和其他世界向地球运回大量物质。海尔德曼说：“我们一直对我们返回的样本非常谨慎，因为我们一直受到质量的限制。”“有了星舰，你可以直接将飞行器装满岩石、冰块和你发现的任何其他东西。”

与此同时，哈佛-史密森天体物理学中心的马丁·埃尔维斯和他的同事撰写了一份白皮书，探讨如何利用星舰的独特能力发射各种下一代太空望远镜，从而彻底改变天体物理学。一个想法是扩展事件视界望远镜，这是一个地球上的“虚拟”天文台，用于在 2019 年捕捉到超大质量黑洞的第一张图像。在一次发射中，星舰可以将一堆六米望远镜送入太空，从而创建一个更大的虚拟望远镜。埃尔维斯说，这可以提供“数千个超大质量黑洞”的景象，这些黑洞位于像我们银河系这样的星系中心。

星舰——以及 SLS——还可以发射一个定制的大型望远镜，用于拍摄其他恒星周围类地系外行星的图像，正如美国国家科学院天文学和天体物理学十年调查报告在 2021 年 11 月向 NASA 建议的那样。埃尔维斯说：“十年报告建议的镜面直径为六米，与 JWST 大致相同。”但是，借助超级火箭的大型有效载荷整流罩，这样的镜面可以是一体式的，无需在太空中展开和部署，这可能会大大节省成本并加快发射台的进度。埃尔维斯说：“这将大大简化设计。”

火箭阵容

SLS 和星舰并非未来太阳系重型探索的唯一选择。总部位于华盛顿州的蓝色起源公司由杰夫·贝索斯创立，正在开发一种名为“新格伦”的可重复使用火箭，该公司表示，该火箭可以将 45 吨有效载荷送入地球轨道。“新格伦”的后继者“新阿姆斯特朗”预计将更加强大。蓝色起源公司的这两款火箭都可能在太阳系的科学探索中发挥作用，尽管它们的真实能力尚不清楚。与此同时，中国正在开发自己的超重型火箭“长征九号”，以便最早在 2030 年代将人类和机械送上月球和火星。密切关注中国航天计划的太空记者安德鲁·琼斯说，据称它能够将多达 140 吨的有效载荷送入地球轨道。

琼斯说：“他们决心开发一枚超级火箭。”“我们看到中国对行星探索越来越感兴趣——甚至着眼于太阳系边界之外。”后者也是美国正在考虑的事情，一项名为“星际探测器”的拟议任务可能需要依靠 SLS 或类似尺寸的火箭才能充分发挥其科学潜力。鲁尼翁是该提案的行星科学负责人，他说：“如果没有 SLS 或更大的运载火箭，你将无法按计划完成星际探测器任务。”

有些人怀疑是否真的需要新一代超重型运载工具，以及多个小型发射器是否可以将航天器组件送入轨道，以便宇航员或机器人随后进行组装。同样的模块化方法也可以用于发射火箭燃料，以填充轨道补给站，从而可能在不需要巨型火箭的情况下提供类似的太空能力增强。有传言称，NASA 在 SLS 开发的早期曾非常反对燃料补给站的想法，因为它从根本上削弱了该计划的理由。联合发射联盟 (ULA) 的前首席科学家、现任科罗拉多矿业学院的乔治·索尔斯表示，他十年前曾在 ULA 从事过此类想法，但被要求停止。“它变得非常政治化，”他说。“我们基本上被告知坐下并闭嘴。”NASA 后来改变了态度，该机构此后选择了 ULA 和其他公司来演示在太空燃料补给和补给站技术。

丹尼尔·邓巴彻现在是 AIAA 的执行董事，并且曾在 2010 年选择 SLS 进行开发的 NASA 领导层任职，他说，当时也考虑了其他选择。该机构研究了 SLS 的一种变体，该变体使用煤油而不是最终选择的液氢和液氧版本。该系统还使用了像 ULA 的宇宙神五号或 SpaceX 的猎鹰重型火箭这样的小型火箭串联发射。但最终，这种选择被认为过于复杂和昂贵。邓巴彻说：“我们确实研究过，如果我们使用宇宙神五号级和猎鹰重型级运载工具，需要采取什么措施。”“由于它对任务可靠性产生了负面影响，并且由于执行任务所需的发射次数更多，因此成本更高，因此被淘汰出局。”他说，需要超过 10 次发射才能复制单次 SLS 发射。

不可否认，SLS 是一台昂贵的机器。然而，鉴于其技术成熟度，如果成本能够降低，它仍然是未来科学任务的一个有希望的选择。与此同时，星舰代表了太空探索的全新事物。还有很多东西有待证明，包括巨型火箭的发射和着陆及其在太空中进行燃料补给的能力。但如果这些障碍能够克服，那么对太阳系和宇宙的探索可能主要不再受火箭的限制，而是受人类想象力的限制。

鲁尼翁说：“对于高性能火箭将实现什么，人们感到非常兴奋。”“太阳系真的以前所未有的方式开放了。”