忘掉小行星，向金星发送载人飞掠任务

本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点

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最近，我收到了美国自然历史博物馆关于他们关于未来太空探索的优秀展览的新闻稿。我做了一个快速的关键词搜索：“火星”出现了 14 次；“小行星” 12 次；“月球/月球的” 11 次；“木卫二”和“木星”总共出现 4 次。检查“金星”的结果是空的。考虑到上述所有世界都令人着迷且在科学上富有成果，我们最近的行星邻居因其缺席而引人注目。我一直有一个挥之不去的怀疑，即在选择行星探索目标时，金星在过去二十年中受到了不公平的待遇，特别是来自美国宇航局。

那么，为什么不通过将我们最近的行星邻居添加到美国宇航局的宇航员目的地中来弥补这一排除呢？当他们的新的助推器和航天器技术在未来几十年投入使用时，他们可以访问这些目的地。

您会认为，如果规划人员在美国宇航局的任务规划会议上提出这个荒谬的提议，他们会被保安立即请出房间。毕竟，我们为什么要靠近那个地方呢？尽管金星在远处是一个美丽的球体，像一颗闪耀的晨星或昏星一样在天边主宰着一切，但近距离观察，它却是一个环境恶劣的世界。“地狱般”通常用来描述其表面状况，压力为地球大气压的 90 倍，温度约为 500 摄氏度，足以熔化铅，即使是加固的着陆器也会很快报废。如果机器人害怕它，宇航员就更没有希望了。与金星相比，火星看起来像一个旅游胜地——即使是月球或小行星上恶劣的环境似乎也很温暖。还有那充满硫酸的二氧化碳大气层和失控的全球变暖，这使得金星真正成为一个噩梦般的颠倒地球，一切似乎都颠倒过来——太阳甚至从西方升起。

然而，也许我并没有那么精神错乱，或者至少我和优秀的人为伍：似乎在 20 世纪 60 年代的太空竞赛高峰时期，美国宇航局的工程师们曾认真询问过将宇航员送往金星需要什么——不是着陆，而是进行载人飞掠。

任务的历史，以及那些从未实现的任务

上一次专门针对金星的美国机器人任务是麦哲伦号，它从 1990 年到 1994 年在金星轨道上运行，雷达绘制了 98% 的表面地图并返回了大量数据。此后，只有其他美国宇航局探测器进行了飞掠，它们利用这个地球大小的世界进行重力辅助和仪器校准。这并不是说太阳系的第二颗行星被完全忽略了。欧洲航天局目前在笼罩着面纱的地球上驻扎了金星快车号。从 1967 年到 1983 年，苏联对金星发动了雄心勃勃的攻击，派遣了一支由轨道飞行器、飞掠器和着陆器组成的舰队，它们在着陆后几分钟到几小时内陨落之前，对大气和土壤进行了采样，并拍摄了地表怪异的照片。

也许这就是为什么金星似乎已经成为一个太空探索的弃儿，以及为什么当我看到一份乏味的、177 页的 1967 年打字提案时，我更加感兴趣的原因（pdf），该提案由贝尔康公司的工程师撰写，该公司是美国宇航局和美国电话电报公司之间的合资企业，于 1972 年解散。该文件用枯燥的工程师语言写成，详细阐述了航天器规格和轨迹，以及在调整土星/阿波罗月球硬件以执行拟议于 1973-74 年发射的三名宇航员金星飞掠任务时需要克服的热量和辐射问题（例如太阳耀斑、通信等）。这是一个多么大胆乐观的时代，当时人们抛出了这个甚至更雄心勃勃的提议，例如金星和火星的组合飞掠——这些目标对于后现代的耳朵来说听起来不切实际。但是为什么呢？我们是否变得过于务实而无法梦想——过于遵守我们当前的技术、政治和财政限制？

在构思时应该抛开实际限制，我不禁想知道，航天飞机计划结束后美国载人太空任务目前的停顿是否会重新带来挑战我们极限的机会。我们正处于类似于 1972 年 12 月阿波罗 17 号（最后一次登月任务）溅落后的情况。尽管在 20 世纪 60 年代乐观情绪更加高涨，而且我们拥有硬件和专业知识，但不幸的是，即使在尼尔·阿姆斯特朗在 1969 年就人类在月球表面的漫步发表了著名的评论之前，公众的热情，以及随之而来的资金，已经开始消退，从而让公众和政治家满意地结束了我们在与苏联的太空竞赛中的冷战“胜利”。

如今，政治和财政状况似乎更加令人沮丧。而现在，我们甚至没有本土的技术能力进入，更不用说超越近地轨道（LEO）了。但无论好坏，在某种程度上，财政拮据的美国已经开始建设一个新的太空运输系统，其在何处的目标由美国宇航局决定——至少到目前为止。除了与红色星球模糊的、越来越遥远的未来梦想日期之外，更近的目的地仍然悬而未决。那么，会是什么呢？与小行星调情？与月球表面和解？宇航员从月球远端的拉格朗日点跟踪月球？

未来就在那时

1967 年关于金星飞掠的报告和其他关于载人行星际任务的提议出现在一系列研究中，例如美国宇航局行星联合行动小组 (JAG) 在 60 年代初发起的那些研究，这些研究规定了有人驾驶的行星探索——载人行星飞掠任务，将投放机器人探测器——作为测试航天器技术同时完成行星科学的最佳和最经济的方式。JAG 蓝图制定了在 20 世纪 70 年代和 80 年代进行的飞行员任务，该任务设想使用核热火箭进行串联火星-金星飞掠，最终在火星着陆。马歇尔太空飞行中心的未来项目办公室及其阿波罗应用计划 (AAP) 也参与了这一推动。后者于 1965 年启动，并在太空历史学家大卫·波特里为美国宇航局历史办公室撰写的《人类去火星》（pdf）中得到了详细记录。AAP 由传奇的美国宇航局局长詹姆斯·韦伯组建的一个工作组产生，以响应约翰逊政府的一项指令，该指令旨在寻找方法来重新配置现有的月球硬件以执行未来的任务。假设我们将继续建造土星火箭和阿波罗航天器，以获得长期旅行的技术和操作经验。AAP 最终因约翰逊和尼克松政府的数千次预算削减而死亡，并最终缩减为天空实验室计划——美国的第一个空间站。

因此，到 1970 年，金星——或近地轨道之外的任何地方——都已不可能，即使在那些据称令人兴奋、资金充足的太空探索时代。事实上，那些时代也受到不断增长的预算赤字、目光短浅的官僚、狭隘的政治家以及理所当然地担心失业和通货膨胀、社会动荡以及持续的冷战和热战的民众的困扰。这一切都让 20 世纪 70 年代的美国在航天飞机的沉重负担下蹒跚地进入了低轨道，降低了人们的期望。毫无疑问，理想仍然完好无损：太空探索的所有道路最终都通向最困难的地方，即登陆火星——尽管在安全遥远的未来。而我们现在的情况，大致相同，已经过了 40 多年。

但在所有黯淡的前景中，目前的情况可能提供一个机会。在奥巴马政府废除了前任政府的星座计划和原本为之提供动力的下一代火箭之后，美国宇航局被国会命令，无论好坏，而且主要是为了当地的合同和就业（在经济衰退时期并非所有坏事），加速开发太空发射系统 (SLS)，该系统命令一种让人想起土星 5 号的重型火箭，并从星座计划和航天飞机中拯救技术。因此，像 20 世纪 60 年代一样，技术、探索和科学再次追随政治，但这一次没有总统设定的具体目标和最后期限——这种授权促进了更合乎逻辑的方法，该方法为特定需求实施了为之开发的重大下一代设计。有了 SLS，就像合法地命令这样的规格而不是让它们演变一样奇怪，美国将获得重型运输能力：早期的 SLS 助推器将把 70 到 100 吨的物体送入轨道，而稍后版本将携带约 130 吨的物体——与现在传奇的土星 5 号的吨位大致相同。

因此，如果美国“困于”SLS，以及一个六人猎户座乘员舱，它本身概括了阿波罗，但尺寸为超大杯，也许我们应该开始像 1967 年那样思考，并思考我们可以将其有效载荷发送到所有地方。从 AAP 研究来看，它调整了阿波罗/土星部件以执行金星和火星任务，美国宇航局的工程师难道不能也调整这种新阿波罗时代的技术以达到类似的目的吗？

美国航空航天局 (AAP) 的提案，其中一些记录在 Portree 详尽的博客《超越阿波罗》中，范围从持续 359 天的“简单”金星飞掠任务，到更为雄心勃勃的火星-金星飞掠任务，该任务将以红色星球为目标，并利用金星的引力来加速任务的往返。考虑了各种配置。贝尔通信公司的计划，已在 YouTube 上被大致动画化，它使用土星 5 号火箭的第三级作为阿波罗太空舱的助推器和居住舱，这将取代月球着陆器。巧妙之处在于，第三级耗尽燃料后，其燃料箱将成为一个太空站类型的模块，以支持三名宇航员的机组人员。以这种方式使用废弃的级是天空实验室的基础，但不同之处在于，燃料箱在地面上进行改装，并作为有效载荷发射，而不是作为主动助推器。在金星计划中，宇航员必须在被助推向金星后从燃料箱中浸出剩余的燃料，并在出境旅程中沿途建立住所。如果这种维持机组人员的系统奏效，它可能会适用于火星轨道或着陆任务。

预期寿命严峻？

当然，生命是太阳系探索的圣杯——而一般的规则是：寻找水，希望在那里能发现生物或它们的化石。而且，干燥的金星很可能是一个死寂且致命的世界。但是，月球和小行星也是如此。当然，后两者的表面可以访问；金星则没那么容易。但即使从上方来看，它也是一个更加动态的地方——它是离地球最近的具有重要大气层和地质的地方，挑战了我们关于火山活动、板块构造、气候和天气如何在我们的家园星球上运作的看法。鉴于金星从一个被认为更像地球的世界演变成一个大气温室，这些因素并非无关紧要，这也可以作为我们星球潜在气候命运的警示——尽管在我们动荡的姐妹星球上，一切都更加极端。

根据行星科学家 David Grinspoon 在他的书《金星揭秘》中的说法，我们不应如此草率地将第二行星排除在外，将其作为地外生命的候选者，即使它不符合目前对生命以碳和水为基础的有限定义。尽管金星是干燥的，但其活跃的地质和大气以及化学活动迹象，促使人们提出以下问题：是否可能某种类型的外星有机化学是其中的一部分，像碳基生命改变地球大气系统一样影响它？与火星以及更遥远的木卫二或土卫六相比——后两者也具有对机器人航天器具有挑战性的极端环境——附近的金星同样神秘。虽然它看起来可能不是有机物和生命的理想之地，但它提供了大量的行星科学，毫无疑问，会有很多惊喜挑战我们的先入之见——而且在我们内行星邻域中，一切都有可能发生。

但是，如果我们无法在那里着陆，为什么还要去呢？

美国国家航空航天局 (NASA) 现在正与 11 个其他国家航天机构合作，重建其深空能力。有一些不具约束力的计划，在 全球探索路线图 中概述了目标。该文件于 2011 年 9 月发布，描述了一个长期框架，以协调航天机构基于两种优先目标的方案来开发技术，这两种方案最终都将实现人类在火星土壤上的足迹：小行星优先和月球优先。每个方案还在引力稳定的拉格朗日点 1 或 2 (L1 或 L2) 增加了一个太空舱，位于地球和月球之间，或在月球之外向下看其远侧，宇航员可以在那里学习在深空环境中运作，而不会离家太远。

但是，随着 SLS/Orion 硬件上线，当我们在太阳系中逐步推进时，为什么我们要限制自己？如果我们正处于再次跃出近地轨道 (LEO) 的边缘，为什么不利用这个第二次机会来扩展我们的目标集，并通过将金星添加到混合中，将其视为飞掠甚至载人轨道任务的候选者？

这将是小行星任务之后的合理下一步。前往近地小行星 (NEA) 的“快速”旅行可能不超过 90 天，并使宇航员与地球保持几个月球距离。2020 年的另一种可能性是往返 NEA，持续约 170 天。金星飞掠的持续时间至少是其两倍，但仍短于美国宇航局最短的火星往返情景，为期 545 天，仅在表面短暂停留。此外，小行星是难以捉摸的目标。如果我们错过特定小行星的发射窗口，下一次可能要过几年才会出现。金星以其非常圆的轨道保持着规律的时间表——我们始终知道它会在哪里。

在此时间范围内，在前往月球、小行星或 L2 或它们的任意组合以开发运输、居住和着陆系统之后，下一步将是火星。但是，要到达那里，仍然将是一次巨大的飞跃——在火星上着陆与在月球上着陆完全不同——或任何其他中间目的地。随着这种着陆技术的发展，可以插入一个步骤来测试运输和居住系统，进行类似于阿波罗 8 号的长途旅行——这是首次载人绕月飞行，也是在月球着陆器准备就绪之前对阿波罗航天器和机组人员进行的一次重大测试。

绕金星航行将测试我们在深空中运作、进入行星引力影响、为金星相对靠近太阳的高辐射创建强大的屏蔽、为长时间飞行设计零重力策略的能力——所有这些都将支持我们进行更长的火星之旅。此外，对于长期的任务，我们可能不希望让宇航员在火星上着陆，结果发现他们无法行走，他们的肌肉在到达时已经退化。相比之下，长途金星往返的机组人员不会降落在遥远的行星上，而是返回地球，如果需要，可以随时获得医疗护理。飞掠或绕金星轨道飞行也可以携带科学仪器，就像阿波罗航天器在后来的月球飞行中所做的那样。

这样的飞行可以利用 SLS 的 130 吨有效载荷迭代，将一个带有辐射屏蔽和补给的乘员舱，以及一个猎户座飞船送入轨道。或者，它可以改编 1967 年的计划——使用土星第三级作为居住舱——用于新的 SLS 上级。变量很多，但如果具有足够的推进能量，一些使用所谓的霍曼转移轨道的往返飞掠可能只需六个月的时间。在这里，我将轨道力学交给工程师们(pdf)；1967 年的计划将任务定为 359 天。（与直觉相反，由于轨道力学的变化，某些前往较近天体的旅程比前往较远天体的旅程花费的时间更长。对于不规则轨道的小行星尤其如此。）

金星一瞥

尽管在金星的短暂访问不会给宇航员足够的时间来获得科学上的意外收获，但他们可以在环绕时部署机器人着陆器和轨道器。然而，真正的额外收获将是体验式的——既作为技术测试平台，又通过系统地进入内太阳系来推动人类探索的边界。通过为 NASA 的探索计划采用更灵活、渐进的路径，并增加这个最终以在火星上着陆为终点的中间步骤，我们不仅将获得适用于火星访问的宝贵经验和技术知识，还将为进一步的人类内太阳系探索开辟道路。这可能包括轨道任务，以及未来更远的飞行，利用第二行星进行重力辅助任务前往火星、小行星，甚至更远的目的地。最后，这样的冒险可以激发公众的想象力，提高我们对太空飞行能力的信心，并进一步发展太阳系科学，同时作为我们最终冒险——火星任务的预演。

因此，如果那时或现在都不是进行认真深空载人探索的好时机，以全面涵盖内太阳系所有要去的地方，那么何时才是好时机呢？任何伟大的文明都能同时应对危机和进步。因此，前进到月球、小行星和火星——但为什么不也去金星呢？