SpaceX的星际飞船和NASA的SLS将为太空科学带来巨大动力

当詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)启动时，天文学家们都松了一口气。这架价值100亿美元的望远镜于2021年圣诞节发射升空后，安装并运行起来一直是一件伤脑筋的事情。如果不折叠，JWST将无法放入任何现代火箭中，而且它必须依靠数百个活动部件才能在太空中展开到最大尺寸。这些努力最终取得了成功，该望远镜已经开始归还一些首次标定图像向地球上激动的观众展示然而，这一经历让许多天文学家怀疑是否有一种更简单的方法来建造和发射这种大小的望远镜。美国宇航局马歇尔太空飞行中心的约翰·布莱文斯说:“我们担心事态的发展。”但使用更大的火箭，“你不必在太空中展开。你可以在地面上做。”

碰巧的是，目前发射台上有两枚这样的火箭。它们最终都将超过强大的土星5号，正是它将阿波罗号宇航员送上了月球。第一个是美国宇航局的太空发射系统(SLS)，它已经在佛罗里达州的肯尼迪航天中心准备就绪，等待它的首次无人绕月航行，这是阿耳特弥斯一号任务的一部分——这是美国宇航局在2020年代将人类送回月球表面计划的开始。这枚火箭暂定于8月底发射，它的可靠性要尽可能高，因此在很大程度上是基于美国宇航局航天飞机项目的遗留硬件。

但对可靠技术的依赖可能是它的阿喀琉斯之踵:一些估计目前认为SLS每次发射的成本高达令人瞠目结舌的41亿美元。假设它不会因为国会拨款者后悔而被否决，它巨大的尺寸最终可能会给那些寻求在太阳系——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科学家们带来福音。

在德克萨斯州，SpaceX公司正在研发的Starship火箭也在准备进行首次轨道试飞，目前正在等待联邦航空管理局(Federal Aviation Administration)的监管批准。SLS的成本看起来如此惊人，因为每一枚价值数十亿美元的火箭在使用一次之后就会被丢弃，其部件会被当作垃圾沉入海底或漂浮在太空中。这是大部分太空时代的标准，但时代已经改变了。相反，星际飞船和它的巨型超级重型助推器是为了续航能力而建造的，降落回地面后可以快速重复使用，这与SpaceX目前的猎鹰火箭车队类似，猎鹰火箭已经大幅降低了到达太空的成本。尽管SLS庞大而大胆，但专家表示，与Starship所能取得的成就相比，它就相形见绌了。“星际飞船有望以一种我们无法真正欣赏的方式改变太阳系，”德克萨斯州西南研究所的艾伦·斯特恩(Alan Stern)说。他领导着美国宇航局的新视野号(New Horizons)任务，该任务于2015年飞过矮行星冥王星。“它完全改变了游戏。”

两种火箭的冠状有效载荷整流罩都足够宽敞，可以装下和JWST一样大甚至更大的货物，而不需要将部件折叠成世界上最昂贵的折纸。这两个发射器都将拥有巨大的推力，它们可以在更短的时间内用更大的航天器到达太阳系的偏远角落，而不是用更小的火箭。然而，单是星际飞船就被设计为在太空中进行燃料补充，这意味着它可以运送令人难以置信的巨大有效载荷到难以到达的地方，如木星和土星——或者是太阳周围的任何地方。

随着这个充满希望的超级火箭新时代的到来，急切的科学家们正竞相加入其中。斯特恩说:“这些火箭可以实现一系列全新的任务——到所有的巨行星和柯伊伯带天体，到海洋世界卫星和太阳系的矮行星。”“它们是全面有用的。”现在很多人都在忙着制定可能的想法，目前更多地关注SLS，因为它更成熟，但也密切关注星际飞船及其潜在的革命性能力。

科学发射系统?

NASA官员表示，在首次登月后，SLS将主要用于发射该机构的猎户座宇宙飞船，飞船上有机组人员。这些发射将与nasa承包的星际飞船发射协同工作，星际飞船最早将于2025年将阿耳特弥斯号宇航员送上月球——也许有一天将宇航员送上火星表面。美国宇航局局长比尔·纳尔逊在3月23日的新闻发布会上说:“我们预计在未来10年左右的时间里，每年大约有一次人类登陆。”因此，在21世纪30年代之前，不可能有SLS火箭可以单独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SLS有效载荷利用经理罗伯特·斯托夫在2021年的简报中说:“考虑到从现在到21世纪20年代末的阿尔特米斯项目的需求，在这个时间框架内挤出一项科学任务将非常困难。”

因此，在2021年，NASA将原定于2024年发射飞往木星的旗舰任务木卫二快船(Europa Clipper)从SLS改为SpaceX的猎鹰重型火箭。即便如此，该机构的官员仍然乐观地认为，SLS高昂的成本和缓慢的发射速度可以得到改善，为科学任务创造更多机会。在简报中，Stough估计，到2030年代，8亿美元或更低的目标是可以实现的。根据2020年11月美国航空航天研究所(AIAA)会议上提交的一篇论文，SLS的最终、最强大的计划配置可以通过增加一个新的“踢级”来增压，该“踢级”将增加火箭顶部的推进力。这样的升级将允许SLS向木星发射约16公吨，向海王星发射约6公吨，向星际空间发射1公吨。相比之下，“新视野号”的冥王星任务的质量只有半公吨。“目前还没有一枚火箭能携带接近这种有效载荷的东西，”马歇尔公司SLS的总工程师布莱文斯说。

2022年4月19日，美国国家科学、工程和医学科学院发布了备受期待的行星科学和天体生物学年代际调查，该调查建议NASA在2030年之前优先研究超自然科学。作为调查的一部分，NASA征求了科学家们关于该机构可能考虑的外太阳系目标的任务概念的研究。其中三个建议使用SLS来实现更快、更大的任务:一个冥王星轨道飞行器，一个到土星卫星土卫二的轨道飞行器和着陆器，一个到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Kirby Runyon是海王星计划的一员，他说:“我们想要使用现有的或非常近期的技术。”SLS是所有大型运载工具中在设计和成熟方面走得最远的。”

鲁尼恩团队的计划是，“海王星奥德赛”号最早将在2031年用SLS火箭发射升空，并在本世纪40年代进入海王星轨道。该任务将提供对这颗行星前所未有的了解，这颗行星只被访问过一次，那是1989年旅行者2号(Voyager 2)宇宙飞船飞出太阳系时的一次短暂飞掠。奥德赛号将对海王星及其最大的卫星海卫一进行为期四年的研究，同时向海王星的暴风雨大气中部署一个探测器。像猎鹰重型火箭这样稍小的火箭也可以把奥德赛送到海王星，但只能通过各种附加组件，这将增加任务的成本和复杂性，同时降低其容错能力。鲁尼恩说，这种方法“肯定风险更大”。

与此同时，“土卫二Orbilander”号的任务是在这颗土星卫星的海洋中寻找生命迹象，这颗卫星的海洋正从其覆盖的冰壳裂缝中喷出大量水蒸气和有机分子。航天器可以在着陆月球表面之前穿过并对这些羽流进行取样，以进行原位研究。SLS再次使这样的任务比使用较小的火箭更容易，后者需要来自太阳系内部行星飞越的引力助推。“这意味着我们不必在设计航天器时既要在太阳系内部的温暖环境中生存，又要在土星的寒冷环境中生存，”JHUAPL的概念负责人Shannon MacKenzie说。

不过，即使是SLS也有它的局限性。假设在2031年发射，这枚巨大的火箭仍然需要近30年的时间来推动一个名为珀尔塞福涅(Persephone)的人造卫星到达冥王星。尽管SLS体积巨大，但它在进入太空后仍无法进行在轨加油以提高运载能力。在科学家们更大胆的宇宙探索梦想中，他们只关注一种火箭:星际飞船。美国宇航局艾姆斯研究中心的詹妮弗·赫德曼说:“星际飞船不仅仅是一个渐进的变化。”“这是一个重大的范式转变。”

进入未知

根据设计，星际飞船可以由地球轨道上的其他星际飞船运载器进行加油。这意味着，理论上，它可以携带大量质量绕太阳系运行。SpaceX的首席执行官埃隆·马斯克在2021年11月的国家科学院公开会议上说:“你可以把一个100吨重的物体送到木卫二表面。”这是SLS所能提供的最佳性能的5倍，即使在它的最终配置中带有踢脚级。Starship预计也会便宜很多，不过它能否达到马斯克每次发射不到1000万美元的乐观预期还有待观察。英国发射公司Skyrora的前发射主管罗宾·黑格说:“如果他们的成本接近这个水平，那就相当于一架747和一个集装箱的合体。”“这将被用于整个太阳系。”

Starship的可用体积为1000立方米，拆卸下来也能装下整个埃菲尔铁塔(尽管没有足够的力量将其送入轨道)。这种巨大的能力促使赫尔德曼和她的同事发表了一篇关于星际飞船可以携带何种设备到月球或火星表面的论文。他们写道:“在轨道上为‘星际飞船’重新填满燃料，有效地重置了火箭的方程式，允许向月球和火星运送大型有效载荷。”他们指的是这样一个事实:传统上，你想发射的质量越大，你需要的推力就越大。不过，星际飞船并不局限于这些目的地。SpaceX前火星开发高级工程师玛加丽塔•马里诺娃(Margarita Marinova)表示:“它既不适合月球，也不适合火星。”“星际飞船的目标是创造这种更通用、更大规模的探索能力。”

他们的想法包括发射全尺寸的钻头而不是小尺寸的。“你可以在飞行器上安装一个100英尺(30米)的钻头，然后直接展开它，”Heldmann说。“你不必试着把它折起来。这是令人兴奋的，因为你可以钻到火星上的冰中，这对维持人类探索和寻找生命非常重要。”星际飞船也可以提供双向运输服务，从这些和其他世界返回大量的物质到地球。“我们一直对返回的样品非常谨慎，因为我们受到质量的限制，”Heldmann说。“有了星际飞船，你就可以把岩石、冰和任何你找到的东西装到飞船上。”

与此同时，哈佛-史密森天体物理中心的马丁·埃尔维斯和他的同事们撰写了一份白皮书，介绍如何利用Starship的独特能力发射各种各样的下一代太空望远镜，从而彻底改变天体物理学。其中一个想法是对事件视界望远镜进行扩展，这是2019年在地球上使用的一个“虚拟”天文台，用于捕捉第一张超大质量黑洞的图像。在一次发射中，Starship可以将一组6米长的望远镜送入太空，从而可以创建一个更大的虚拟望远镜。埃尔维斯说，这可以提供在像我们这样的星系中心发现的“数千个超大质量黑洞”的视图。

根据2021年11月美国国家科学院天文学和天体物理学年代际调查的建议，星际飞船和sls还可以发射一个定制的大型望远镜，以成像其他恒星周围的类地系外行星。埃尔维斯说:“十年报告建议的镜子直径是6米，这和JWST差不多。”但由于超级火箭的大型有效载荷整流罩，这样的镜子可以是整体的，不需要在太空中展开和展开，这可能会节省大量成本，并加快通往发射台的路径。“这将大大简化设计，”埃尔维斯说。

一连串的火箭

SLS和星际飞船并不是未来对太阳系进行大规模探索的唯一选择。总部位于华盛顿州的蓝色起源公司(Blue Origin)由杰夫·贝索斯(Jeff Bezos)创立，该公司正在研发一种名为“新格伦”(New Glenn)的可重复使用火箭，据称该火箭可将45吨重的火箭送入地球轨道。而新格伦的继任者新阿姆斯特朗预计会更强大。这两枚蓝色起源火箭都可能在太阳系的科学探索中发挥作用，尽管它们的真正能力尚不清楚。与此同时，中国正在研制自己的超重型火箭“长征九号”，最早在本世纪30年代将载人和机械设备送往月球和火星。密切关注中国太空计划的太空记者琼斯(Andrew Jones)说，据称它能将多达140吨的重物送入地球轨道。

琼斯说:“他们的目标是超级火箭。”“我们看到中国对行星探索越来越感兴趣，甚至把目光投向太阳系之外。”后一种想法也是美国正在考虑的一项名为“星际探测”的计划，该计划可能需要依靠SLS或类似大小的火箭来充分发挥其科学潜力。“没有SLS或更大的运载火箭，你就无法按计划进行星际探测，”该提议的行星科学负责人鲁尼恩说。

一些人想知道新一代的超重型运载火箭是否有必要，以及多个小型发射装置是否可以将航天器部件送入轨道，供宇航员或机器人进行后续组装。同样的模块化方法也可以用于发射火箭燃料以填满轨道储存库，这有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。据传，在SLS开发的早期，这个燃料库的想法遭到了NASA的大量诋毁，因为它首先削弱了该项目的基本原理。美国联合发射联盟(ULA)前首席科学家、现就职于科罗拉多矿业学院的乔治•索尔斯表示，他十年前曾在ULA研究这类想法，但被要求停止。“事情变得非常政治化，”他说。“我们基本上被要求坐下来，闭嘴。”NASA后来改变了态度，并选择ULA和其他公司演示太空加油和储存技术。

美国航空工业协会(AIAA)现任执行理事丹尼尔·丹巴赫尔(Daniel Dumbacher)表示，他们还考虑了其他选择。丹巴赫尔曾是2010年选定SLS开发项目的NASA领导层的一员。该机构研究了SLS的一个变种，使用煤油，而不是最终选择的液氢和液氧版本。该系统还使用了联合发射的小型火箭，如ULA的Atlas V或SpaceX的猎鹰重型火箭。但最终，这样的选择被认为过于复杂和昂贵。Dumbacher说:“我们确实考虑过如果我们使用阿特拉斯V和猎鹰重型运载火箭将会发生什么。”“它被淘汰了，因为它对任务的可靠性有负面影响，而且执行任务所需的发射次数更多，成本也更高。”他说，要复制一次SLS发射需要10次以上的发射。

不可否认，SLS是一种昂贵的机器。然而，考虑到它的技术成熟度，如果能降低成本，它仍然是未来科学任务的一个有前途的选择。与此同时，星际飞船在太空探索中代表了一种全新的东西。还有很多事情有待证实，包括巨型火箭的发射和着陆，以及它在太空中加油的能力。但是如果这些障碍能够被克服，那么对太阳系和宇宙的探索可能不再主要受到火箭的限制，而是受到人类想象力的限制。

鲁尼恩说:“对于真正高性能的火箭将实现什么，人们有很多兴奋之情。“太阳系真的以一种前所未有的方式打开了。”