星艦可以為探索太空提供一種革命性的新方式。

Eric?Berger? 2021年12月1日發(fā)布于?arstechnica.com

Jennifer Heldmann盯著桌子上的電腦屏幕，看著火箭的上一級(jí)撞上了月球南極附近的一個(gè)隕石坑——以科學(xué)的名義，一塊2.3噸重的鋼鐵撞擊月球的力量相當(dāng)于2噸TNT炸藥。

那是2009年10月，Heldmann在位于加州埃姆斯的美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)科學(xué)操作中心內(nèi)追蹤了這次撞擊。作為一名33歲的行星科學(xué)家，她正在NASA執(zhí)行她的第一個(gè)重大任務(wù)，通過(guò)協(xié)調(diào)地面望遠(yuǎn)鏡對(duì)撞擊進(jìn)行觀察。

美國(guó)宇航局試圖通過(guò)月球隕坑觀測(cè)和遙感衛(wèi)星(LCROSS)任務(wù)“和冰發(fā)生接觸”。雖然阿波羅號(hào)在20世紀(jì)60年代和70年代初著陸時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)灰色、貧瘠的世界，但科學(xué)家們后來(lái)開(kāi)始相信，在兩極的隕石坑邊緣下，有一些冰被困在永遠(yuǎn)黑暗的地方，這是數(shù)十億年來(lái)彗星撞擊的殘留物。“半人馬座”(Centaur)的任務(wù)是炸掉其中一個(gè)隕石坑，看看科學(xué)家們的想法是否正確。

在仔細(xì)研究了這些數(shù)據(jù)后，NASA宣布，它確實(shí)在“半人馬座”撞擊激起的蒸汽中發(fā)現(xiàn)了水，以及爆炸噴出的物質(zhì)。

對(duì)Heldmann來(lái)說(shuō)，這是她職業(yè)生涯的關(guān)鍵時(shí)刻。這段經(jīng)歷堅(jiān)定了她作為行星科學(xué)家跟蹤水的興趣。她說(shuō):“這項(xiàng)任務(wù)的結(jié)果如此深遠(yuǎn)，真是令人驚訝。”

在月球上發(fā)現(xiàn)水冰，標(biāo)志著一個(gè)時(shí)代——行星科學(xué)家們?cè)谡麄€(gè)太陽(yáng)系都發(fā)現(xiàn)了冰和水：無(wú)論是在冰封的木衛(wèi)二和土衛(wèi)二上，還是在火星表面和地底，甚至可能在更遠(yuǎn)的地方，比如冥王星或海王星最大的衛(wèi)星特里同（Triton）的內(nèi)部。當(dāng)他們觀察地球以外的地方時(shí)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)水幾乎無(wú)處不在。當(dāng)科學(xué)家們觀察地球以外的地方時(shí)，發(fā)現(xiàn)水幾乎無(wú)處不在。

這些發(fā)現(xiàn)帶來(lái)了各種誘人的前景。在有水的地方——或者曾經(jīng)有水的地方——生命就可能發(fā)展起來(lái)。因此，科學(xué)家們不再只是在火星上長(zhǎng)期干涸的湖床中尋找化石；他們開(kāi)始在木衛(wèi)二、土衛(wèi)二和其他地方的浩瀚海洋中尋找生命有機(jī)體。對(duì)于人類的探索，水的廣泛存在也提供了一個(gè)巨大的機(jī)會(huì)。哪里有水，哪里就有火箭燃料的組成部分——液氫和液氧。

這些發(fā)現(xiàn)在很大程度上影響了NASA科學(xué)和載人航天計(jì)劃的重點(diǎn)。NASA越來(lái)越多地利用其每年約30億美元的行星科學(xué)預(yù)算來(lái)支持可能在其他星球上發(fā)現(xiàn)過(guò)去甚至現(xiàn)在生命的任務(wù)。在過(guò)去的四年里，NASA一直在制定一項(xiàng)計(jì)劃，將宇航員送上月球，可能會(huì)嘗試在那里提取水，作為將人類送上火星的前置任務(wù)。

對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)，問(wèn)題總是比答案多。他們想要執(zhí)行的任務(wù)總是比可用的資金多得多。水的無(wú)處不在只會(huì)增加科學(xué)家們的期望，讓機(jī)器人進(jìn)入太陽(yáng)系，以確定冰沉積物和地下海洋的特征。正如我們了解到太陽(yáng)系的秘密比我們想象的要多得多——這使得我們無(wú)法飛到那里并解開(kāi)它們是尤其令人沮喪的。

但如果我們可以呢?

一些行星科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始認(rèn)同這樣一種觀點(diǎn)，即SpaceX的新星艦火箭具有前所未有的提升能力，而且可能具有打破常規(guī)的低成本，它可能會(huì)讓太陽(yáng)系進(jìn)入一個(gè)探索的新時(shí)代。想象一下，向木衛(wèi)二發(fā)射一個(gè)著陸器，木衛(wèi)二上有一個(gè)巨大、溫暖的次表層海洋。在最近的NASA計(jì)劃會(huì)議上，科學(xué)家們考慮發(fā)射一艘耗資數(shù)十億美元的復(fù)雜航天器，在木衛(wèi)二上進(jìn)行科學(xué)研究。充其量，他們希望能在火星上著陸一個(gè)大小和質(zhì)量與迷你冰箱相當(dāng)?shù)目茖W(xué)儀器。

相比之下，有了星艦，NASA可能會(huì)把一堆科學(xué)有效載荷發(fā)射到那些星球的表面，其大小相當(dāng)于一幢沒(méi)有家具的單層房子。

“你可以真正利用星艦的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，以我們以前從未想過(guò)的方式到達(dá)外太陽(yáng)系，”Heldmann說(shuō)?！八赡転樘剿鬟@些世界提供一種革命性的新方式。”

星艦項(xiàng)目的起源

SpaceX的工程師們已經(jīng)在星艦的研發(fā)上認(rèn)真工作了大約5年，在過(guò)去的12個(gè)月左右，他們已經(jīng)完成了幾次早期測(cè)試飛行。雖然還有很多技術(shù)工作要做，但該公司似乎正在研制一種可完全重復(fù)利用、低成本、能將多達(dá)100噸載荷送到太陽(yáng)系大多數(shù)天體表面的超重型火箭。

SpaceX及其創(chuàng)始人埃隆·馬斯克(Elon Musk)將星艦視為將人類送上火星并最終在那里建立自給自足的定居點(diǎn)的關(guān)鍵火箭。但這樣的航天器在科學(xué)、探索和防御方面還有無(wú)數(shù)其他用途。

高度可靠的星艦飛船可能還需要幾年的時(shí)間，但它可能會(huì)在2022年初開(kāi)始一系列的軌道測(cè)試飛行。NASA的人類探索項(xiàng)目現(xiàn)在對(duì)Starship非常有信心，以至于選擇它作為其阿爾特彌斯月球計(jì)劃的著陸系統(tǒng)。現(xiàn)在，如果星艦失敗了，NASA就無(wú)法重返月球了

“星艦飛船可以給火星和其他地方帶來(lái)前所未有的大量的有效載荷，”Heldmann說(shuō)?！靶行强茖W(xué)家需要思考的是我們?nèi)绾稳ダ眠@種能力，因?yàn)樗欠欠驳?。如果我們想利用這些機(jī)會(huì)，在無(wú)人測(cè)試飛行中運(yùn)送有效載荷，我們就需要行動(dòng)起來(lái)?！?/p>

2018年，SpaceX首次接觸行星科學(xué)界，舉辦了一系列“火星講習(xí)班”，解決了一些基本問(wèn)題，比如火星上可能的著陸點(diǎn)，以及人類在火星表面安全生活和工作之前需要填補(bǔ)的知識(shí)空白。

該公司邀請(qǐng)了火星研究界的知名人士，有幾十人參與其中。一些人已經(jīng)接受了SpaceX的愿景，但其他人持懷疑態(tài)度。隨著時(shí)間的推移，隨著SpaceX制造和原型機(jī)測(cè)試，就連一些懷疑論者也開(kāi)始相信星艦項(xiàng)目真的會(huì)實(shí)現(xiàn)。

參與會(huì)議的行星科學(xué)家、火星專家Tanya Harrison說(shuō):“隨著星艦飛船開(kāi)始變得更加真實(shí)，它改變了人們的想法?！薄斑x擇星艦飛船執(zhí)行月球任務(wù)是非常可靠的?！?/p>

新白皮書(shū)

今年早些時(shí)候，許多研討會(huì)參與者開(kāi)始意識(shí)到讓NASA參與使用星艦飛船進(jìn)行科學(xué)任務(wù)的緊迫性。因此，他們寫了一份白皮書(shū)（PDF見(jiàn)鏈接），Heldmann是第一作者，題為《通過(guò)SpaceX星艦任務(wù)加速火星和月球科學(xué)》。

來(lái)自學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和SpaceX的20多名火星研究人員，也包括Tanya Harrison，在這篇論文上簽了字。它向NASA的領(lǐng)導(dǎo)層發(fā)出了響亮的呼吁，開(kāi)始為能夠在星艦飛船上飛行的科學(xué)有效載荷提供資金。

這些科學(xué)家和工程師寫道："NASA必須制定一個(gè)與星艦開(kāi)發(fā)方法一致的資助計(jì)劃，包括一個(gè)快速的開(kāi)發(fā)時(shí)間表，與傳統(tǒng)的行星科學(xué)任務(wù)相比，相對(duì)較高的風(fēng)險(xiǎn)承受能力，如果成功，最終將有很高的潛在科學(xué)價(jià)值?！?/p>

星際飛船的關(guān)鍵區(qū)別是質(zhì)量。如今，當(dāng)一名科學(xué)家計(jì)劃探索另一個(gè)世界時(shí)，有兩大制約因素:成本和質(zhì)量。星艦可能對(duì)成本有一些影響，提供更大的火箭以更少的成本。但最大的變化是，科學(xué)家不再需要過(guò)度關(guān)注質(zhì)量。他們可以攜帶更多的儀器，更多的防護(hù)設(shè)備，更多的東西。Harrison說(shuō)："這完全改變了游戲規(guī)則?！?/p>

多年來(lái)，NASA的最高行星探索優(yōu)先級(jí)一直是從火星帶回巖石樣本，在地球上的高科技實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究。最后，該機(jī)構(gòu)提出了一個(gè)基本的計(jì)劃，與歐洲航天局合作，并開(kāi)始為火星樣本返回任務(wù)爭(zhēng)取一些資金。如果一切順利，NASA希望在2031年前從火星帶回幾公斤巖石。

因?yàn)樾桥烇w船不僅可以在其他星球上著陸，還可以從其他星球起飛，它可以完全改變火星樣本返回任務(wù)。星艦可能能夠返回2噸的巖石，而不是能夠處理2公斤的巖石。

這種潛力真的讓行星科學(xué)家們感到興奮，而不僅僅是年輕一代。布朗大學(xué)的James Head在20世紀(jì)60年代幫助NASA選擇了阿波羅登月地點(diǎn)，并訓(xùn)練了在那里著陸的宇航員。從那以后，他就開(kāi)始了杰出的行星科學(xué)生涯。

Head熱情地簽署了白皮書(shū)，并表示他很欣賞SpaceX的愿景，并正在努力實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。在位于加利福尼亞州霍桑的SpaceX總部，海德說(shuō)，他看到了推動(dòng)阿波羅計(jì)劃的那種年輕、活力和決心。

“在SpaceX工廠的地板上，是我感覺(jué)最接近阿波羅計(jì)劃的地方，”Head說(shuō)。

NASA會(huì)這么做嗎？

在這個(gè)時(shí)候，創(chuàng)建一個(gè)專門資助NASA星艦飛船上的科學(xué)有效載荷的項(xiàng)目似乎有點(diǎn)牽強(qiáng)。NASA通常傾向于將項(xiàng)目授予多個(gè)競(jìng)標(biāo)者，而不是為一個(gè)特定的飛行器創(chuàng)建一個(gè)特定的項(xiàng)目。

而且，即使NASA的領(lǐng)導(dǎo)層決定為科學(xué)有效載荷創(chuàng)建一個(gè)星艦的特定項(xiàng)目，國(guó)會(huì)(甚至白宮)是否會(huì)同意也值得懷疑。國(guó)會(huì)議員喜歡在他們的選區(qū)和州工作，而NASA的傳統(tǒng)承包商提供了這一點(diǎn)。相比之下，SpaceX非常注重削減成本和效率。它在相對(duì)較少的州運(yùn)作，雇傭較少的分包商。

當(dāng)NASA為人類著陸系統(tǒng)(Human Landing System)舉辦了一場(chǎng)競(jìng)賽，并最終選擇了SpaceX的星艦作為唯一選擇時(shí)，國(guó)會(huì)提出了激烈的抗議。但是，與國(guó)會(huì)對(duì)選擇一個(gè)只有SpaceX的科學(xué)有效載荷計(jì)劃去月球、火星等地的憤怒相比，這種反應(yīng)可能還算溫和。

以火星樣本返回任務(wù)為例。NASA計(jì)劃與太空領(lǐng)域的重要盟友歐洲航天局合作，發(fā)射一輛樣本回收漫游者(在歐洲開(kāi)發(fā))和一輛由諾斯羅普·格魯曼公司為NASA制造的火箭。這項(xiàng)任務(wù)不早于2026年發(fā)射，可能會(huì)搭乘聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）的火神火箭。然后，歐洲制造的返回軌道器將搭載歐洲阿麗亞娜6號(hào)火箭將少量樣品帶回地球。

這樣的任務(wù)可能會(huì)得到廣泛的政治支持，因?yàn)樗鼘槎鄠€(gè)美國(guó)承包商提供資金，并加強(qiáng)與歐洲的關(guān)系。相比之下，在星艦飛船上執(zhí)行只有SpaceX的任務(wù)將會(huì)惹惱NASA的其他承包商，歐洲航天局，以及支持他們利益的政客。

盡管如此，白皮書(shū)的作者認(rèn)為，盡管面臨政治阻力，強(qiáng)調(diào)星艦的潛在價(jià)值還是很重要的。

“這就是政治現(xiàn)實(shí)，你說(shuō)得對(duì)，”Head說(shuō)?！傲硪环矫?，如果我們不指出這一點(diǎn)，它就永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生?！彼f(shuō)，星艦的發(fā)展是一個(gè)黃金機(jī)會(huì)，讓NASA重新思考半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)它是如何進(jìn)行探索的。錯(cuò)過(guò)這一機(jī)會(huì)將是一種恥辱。

其實(shí)還有其他的選擇，本文采訪的幾位人士建議NASA建立一個(gè)“商業(yè)火星有效載荷服務(wù)”計(jì)劃，借此授予開(kāi)發(fā)和向火星運(yùn)送科學(xué)有效載荷的合同。

借鑒CLPS項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)

該項(xiàng)目將模仿NASA的商業(yè)月球有效載荷服務(wù)(CLPS)項(xiàng)目，該項(xiàng)目向私人公司提供資金，以建造能夠?qū)ASA有效載荷帶到月球表面的航天器。到目前為止，NASA已經(jīng)向不同的競(jìng)標(biāo)者授予了六份合同，到2028年的總預(yù)算為26億美元。

有影響力的火星探索計(jì)劃分析小組的科學(xué)家們已經(jīng)提出了這樣的想法，他們認(rèn)為“以火星為重點(diǎn)的CLPS這樣的計(jì)劃可以開(kāi)發(fā)未來(lái)探索的技術(shù)，并交付科學(xué)有效載荷?！?/p>

在一個(gè)商業(yè)化的火星項(xiàng)目中，NASA可能會(huì)為其現(xiàn)場(chǎng)中心和學(xué)術(shù)團(tuán)體提供資金來(lái)開(kāi)發(fā)有效載荷，然后讓科學(xué)家負(fù)責(zé)購(gòu)買前往火星的交通工具。這可能會(huì)緩解NASA的一些政治壓力。

NASA的科學(xué)任務(wù)總負(fù)責(zé)人Thomas Zurbuchen也支持CLPS項(xiàng)目，并愿意承擔(dān)一些失敗的風(fēng)險(xiǎn)。他說(shuō)，該機(jī)構(gòu)應(yīng)該考慮在未來(lái)幾年上線的所有大型火箭，并充分利用它們的能力。

Zurbuchen在一次采訪中說(shuō)：“在10年的時(shí)間尺度上，重型發(fā)射的可行性，無(wú)論是星艦飛船，SLS，還是其他大型火箭，都是需要考慮的一個(gè)非常重要的因素。”

NASA的另一位高級(jí)官員與ars網(wǎng)站進(jìn)行了交談，為了自由地發(fā)言，他被允許匿名。

“我確實(shí)認(rèn)為行星科學(xué)界正在關(guān)注，”這位官員說(shuō)。“他們正在關(guān)注著，我認(rèn)為將會(huì)有很大的變化。在某種程度上，風(fēng)險(xiǎn)會(huì)很低，人們會(huì)開(kāi)始提議一個(gè)用星艦搭載的探索級(jí)任務(wù)。我們剛剛進(jìn)行了Lucy任務(wù)（小行星探測(cè)），而“Psyche”任務(wù)也在開(kāi)發(fā)中。這兩個(gè)任務(wù)是同時(shí)選擇的，而且都是去小行星。也許這兩個(gè)人可以一起由星艦搭載”

我們可做的一切

隨著科學(xué)家們的思考擺脫了質(zhì)量問(wèn)題的束縛，他們將遇到其他障礙，以建立更多的行星航天器。世界上只有相對(duì)較少的人知道如何制造這樣的航天器，培訓(xùn)更多的人需要時(shí)間。在有限數(shù)量的地面設(shè)施中，航天器可以接受真空和振動(dòng)測(cè)試。然后是成本問(wèn)題——科學(xué)探測(cè)器發(fā)射最昂貴的部分不是火箭，而是宇宙飛船。

“僅僅因?yàn)樾桥烇w船在飛行，我不認(rèn)為科學(xué)任務(wù)理事會(huì)的預(yù)算會(huì)突然翻倍，”NASA官員說(shuō)。

然而，星艦最終可能會(huì)削減這些成本，尤其是在有能力頻繁發(fā)射的情況下。

考慮到SpaceX可能每?jī)赡晏峁┮淮物w往木星的定期拼車飛行。幾個(gè)大大小小的探測(cè)器可能由一艘星艦飛船攜帶，利用它的動(dòng)力和推進(jìn)力到達(dá)木星系統(tǒng)。一旦到達(dá)那里，每個(gè)航天器都可以飛到它們的軌道或目的地，并依靠星艦飛船進(jìn)行通信中繼返回地球。這將為每個(gè)航天器節(jié)省提供巨大的質(zhì)量和推進(jìn)劑。

SpaceX可能在2024年將其第一艘星艦飛船發(fā)射到火星；這可能只是一次測(cè)試飛行，以證明這個(gè)巨大的飛行器可以執(zhí)行跨火星飛行，然后進(jìn)入紅色星球的軌道。NASA的日程安排很緊，無(wú)法將任何科學(xué)探測(cè)擠到首次飛行中，但下一個(gè)火星窗口將在2026年底開(kāi)啟。對(duì)SpaceX和NASA來(lái)說(shuō)，這似乎是一個(gè)更合理的目標(biāo)。

對(duì)于NASA來(lái)說(shuō)，如果它想在這段時(shí)間內(nèi)在飛往火星的星艦飛船安放載荷，它有很多事可以做。NASA的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室可以用一套完全不同的科學(xué)儀器制造一個(gè)“毅力”號(hào)探測(cè)車的復(fù)制品。NASA可能會(huì)發(fā)射一對(duì)一樣的的火星勘測(cè)軌道器(Mars?Reconnaissance?Oribiter)，以替換其在火星上老化的通信基礎(chǔ)設(shè)施。工程師們可以擴(kuò)大火星氧資源利用實(shí)驗(yàn)(MOXIE)的規(guī)模，從火星大氣中產(chǎn)生更大量的氧氣。NASA也可以發(fā)送一個(gè)更大的鉆頭深入地下，看看內(nèi)部是否真的更溫暖和更潮濕。

NASA的消息人士說(shuō)：“我們也很高興用創(chuàng)意去填滿一艘＂星艦＂?！彼傅氖墙衲暝缧r(shí)候登陸火星后仍在火星上飛行的大獲成功的直升機(jī)。

馬斯克自己也意識(shí)到與科學(xué)界合作以及提升星艦飛船可行性的重要性。上個(gè)月的一個(gè)晚上，馬斯克在著名的美國(guó)國(guó)家科學(xué)院(National Academies)與科學(xué)家們進(jìn)行了一個(gè)多小時(shí)的交談https://www.bilibili.com/video/BV1F34y1R7Qt/，就星艦飛船、行星科學(xué)和其他更深?yuàn)W的話題回答了科學(xué)家們一個(gè)接一個(gè)的問(wèn)題。

馬斯克告訴科學(xué)家們：“星艦飛船被設(shè)計(jì)成一個(gè)整個(gè)太陽(yáng)系的通用運(yùn)輸機(jī)制?！薄澳憧梢园?00噸重的物體帶到木衛(wèi)二表面。這比你用小型火箭做的要多得多。所以我認(rèn)為這是非常令人興奮的。顯然，我們還有很多事要證明。但從設(shè)計(jì)上看，它幾乎可以將任意質(zhì)量輸送到太陽(yáng)系中的任何固體表面。”

這看起來(lái)有點(diǎn)奇怪，也有點(diǎn)可愛(ài)。這是埃隆·馬斯克，世界上最富有的人，在Twitter上如此有爭(zhēng)議，在今天的政治討論中如此有爭(zhēng)議，似乎贏得了這個(gè)國(guó)家一些最聰明的人的支持。科學(xué)家們很感激他的時(shí)間，并渴望了解更多關(guān)于星艦如何有助于他們的研究。

太陽(yáng)系里可能到處都是冰，但那天晚上，馬斯克成功地在地球上融化了一些冰。

文章來(lái)源：https://arstechnica.com/science/2021/12/planetary-scientists-are-starting-to-get-stirred-up-by-starships-potential/?utm_brand=arstechnica&utm_source=Twitter&utm_social-type=owned&utm_medium=social

月球隕坑觀測(cè)和遙感衛(wèi)星(LCROSS)任務(wù)：http://zhuanti.spacechina.com/n561816/n562390/n568131/c567207/content.html

新白皮書(shū)：https://surveygizmoresponseuploads.s3.amazonaws.com/fileuploads/623127/5489366/111-381503be1c5764e533d2e1e923e21477_HeldmannJenniferL.pdf