推進(jìn)器革命

編譯 李威

美國(guó)宇航局的月球隕石坑觀測(cè)和遙感衛(wèi)星任務(wù)是危險(xiǎn)而短暫的。它始于 2009 年 10 月 9 日，當(dāng)時(shí)，一個(gè)完成了使命的半人馬座火箭以大約 2 噸 TNT當(dāng)量的能量撞入月球南極附近的卡比斯隕石坑。幾分鐘后，一艘尾隨的宇宙飛船飛過并分析了在它墜毀之前升起的碎片羽流，之后這艘宇宙飛船也墜毀在了那里。羽流有大約6%的成分是水，這可能是來自火山深處的冰。那里的溫度從未到過-173 ℃以上。事實(shí)證明，月球并不像阿波羅宇航員認(rèn)為的那樣干燥。“這是我們觀測(cè)到的第一個(gè)基本事實(shí)，即存在水冰。”參與該任務(wù)的美國(guó)宇航局艾姆斯研究中心的行星科學(xué)家詹妮弗?赫爾德曼（Jennifer Heldmann）說。

如今，赫爾德曼想再發(fā)射一枚火箭來探測(cè)月球冰層——但這次不是單程。她把目光投向了星艦，這是一艘由私人火箭公司 SpaceX 開發(fā)的龐然大物，它將成為全球有史以來最大的飛行物體。借助星艦，赫爾德曼可以向月球發(fā)送 100 噸重的物體，這一載重是執(zhí)行阿波羅任務(wù)的土星五號(hào)火箭登月有效載荷的兩倍。她希望能夠運(yùn)送機(jī)器人挖掘機(jī)和鉆機(jī)，并利用星艦上的冷藏裝置存儲(chǔ)水冰。這艘飛船可以帶著數(shù)十噸貨物返回地球。通過分析冰的同位素組成及其所在位置的深度等特征，她可以了解水冰的起源：其中有多少成分并非來自太陽風(fēng)緩慢、穩(wěn)定的注入，而是來自數(shù)十億年前彗星和小行星的轟炸。她還可以發(fā)現(xiàn)，哪里的冰足夠豐富和純凈，可以支持人類的首批前哨站正常運(yùn)行。“這項(xiàng)研究?jī)?yōu)先度很高，對(duì)未來的科學(xué)探索也至關(guān)重要。”赫爾德曼說。

當(dāng) SpaceX 首席執(zhí)行官埃隆?馬斯克（Elon Musk）談到星艦時(shí)，主要關(guān)注的是人類的科研探測(cè)任務(wù)：在火星上建立基地，讓人類成為可在多個(gè)行星生存的物種，從而避免文明的滅絕。但赫爾德曼和許多其他人認(rèn)為，重型火箭也可以從根本上改變太空科學(xué)家的工作方式。如果 SpaceX 估算的貨物發(fā)射成本低至每公斤 10 美元，他們就可以更頻繁地運(yùn)載更大更重的儀器，而且成本更低。在火星上，他們可以放置多個(gè)非一次性的漫游車。空間望遠(yuǎn)鏡可能會(huì)變得更大，近地軌道上的衛(wèi)星編隊(duì)也會(huì)讓人習(xí)以為常。天文學(xué)、行星科學(xué)和地球測(cè)量學(xué)都可以比以往任何時(shí)候發(fā)展得更快。

當(dāng)然，星艦?zāi)壳斑€只是存在于紙面上。所有的目光都將集中在第一次軌道發(fā)射測(cè)試上，這一測(cè)試預(yù)計(jì)將在未來幾個(gè)月內(nèi)進(jìn)行。不過，即使這一發(fā)射成功了，也沒有人知道 SpaceX 能否實(shí)現(xiàn)其發(fā)射火箭并多次重復(fù)使用的愿景。同樣懸而未決的是另一個(gè)問題：市場(chǎng)是否會(huì)為載重量如此之大的火箭買單。但是，“科學(xué)家們確實(shí)需要做好準(zhǔn)備，”赫爾德曼說，“在這些功能可以實(shí)現(xiàn)時(shí)，我們?cè)诳茖W(xué)方面需要準(zhǔn)備好利用它們。”

SpaceX 預(yù)計(jì)將在未來幾個(gè)月內(nèi)進(jìn)行首次軌道試飛，發(fā)射這一 120 米高的星艦

噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室前軟件工程師凱西?漢默（Casey Handmer）說，包括噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室在內(nèi)的很多美國(guó)宇航局科研中心也設(shè)計(jì)和實(shí)施了許多空間科學(xué)任務(wù)。他在一系列標(biāo)題為“星艦尚未為人熟知”的博客文章中指出，星艦將顛覆傳統(tǒng)的空間科學(xué)研究方式——即花費(fèi)數(shù)十億美元制造可以完美運(yùn)行的獨(dú)一無二的儀器。他說，如果美國(guó)宇航局的科研中心沒有找到價(jià)格更低廉的方法，他們就會(huì)發(fā)現(xiàn)自己會(huì)被愿意這樣做的公司取代。“這對(duì)美國(guó)宇航局而言是個(gè)不好的預(yù)兆，” 漢默說，“他們應(yīng)該認(rèn)真思考這個(gè)問題。”

在2022年2 月的一個(gè)溫暖的夜晚，馬斯克大步走上SpaceX基地發(fā)射場(chǎng)的所在地得克薩斯州博卡奇卡市的一個(gè)展臺(tái)，公開展出星艦的最新狀態(tài)。在他身后，最新的火箭沐浴在燈光中，大約有 120 米高。載人或有效載荷的部分位于超重型助推器的頂部。這一原型機(jī)還沒有準(zhǔn)備好飛行，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局 （FAA） 也沒有允許 SpaceX 從基地對(duì)其進(jìn)行發(fā)射——但它看上去仍然是一個(gè)壯觀無比的背景。在對(duì)一群忠實(shí)的火箭極客表示歡迎之后，馬斯克開始了他的即興演講，主題是推動(dòng)他和他的公司飛向太空的指導(dǎo)思想。“為什么我們要建造一個(gè)巨大的、可重復(fù)使用的火箭？為什么要讓地球生命在多個(gè)行星繁衍生存？我認(rèn)為這對(duì)生命本身的未來來說，是一件非常重要的事情。”

SpaceX 的主力火箭， 70 米高的獵鷹 9 號(hào)的大名在航空航天業(yè)務(wù)界如雷貫耳。它采用逆向和可操縱的尾翼來引導(dǎo)第一級(jí)火箭在重新進(jìn)入大氣層后著陸。憑借該火箭，SpaceX開創(chuàng)了可重復(fù)使用火箭的先河。現(xiàn)在，SpaceX 例行公事一般地給它涂上了一層新油漆并再次發(fā)射。6 月時(shí)，他們進(jìn)行了第 13 次飛行測(cè)試，這創(chuàng)下了一個(gè)記錄。另一個(gè)記錄也即將到來：他們有望在今年發(fā)射 50 多枚獵鷹9號(hào)和獵鷹重型火箭，可能平均每周就會(huì)發(fā)射一枚。SpaceX對(duì)發(fā)射獵鷹 9號(hào)的報(bào)價(jià)為 6 700 萬美元，這遠(yuǎn)低于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。他們的火箭可以可靠地重復(fù)使用，具有快速的發(fā)射節(jié)奏。但馬斯克并不滿足。

2016 年，在墨西哥舉行的國(guó)際宇航大會(huì)上，馬斯克規(guī)劃了一種用于殖民火星的火箭，他將其稱為大獵鷹火箭（BFR）。這個(gè)概念后來演變成了星艦，但它依然具有大載荷和可重復(fù)使用性——這使得火箭發(fā)射就像是例行公事，仿佛是聯(lián)邦快遞貨運(yùn)航班一樣。火箭的主體是不銹鋼結(jié)構(gòu)，比大多數(shù)火箭的鋁合金更重，但更便宜，也更容易制造。33 臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)利用的是超重燃燒甲烷而不是傳統(tǒng)的基于煤油的火箭燃料，這不僅是因?yàn)樗阋耍惨驗(yàn)槲覀兛梢酝ㄟ^二氧化碳和水的結(jié)合在火星上收獲它。助推器被設(shè)計(jì)為可以在6分鐘的航行后返回發(fā)射臺(tái)。設(shè)計(jì)人員相信，它可以在一小時(shí)內(nèi)加油完畢并準(zhǔn)備好重新啟動(dòng)。星艦本身也是可重復(fù)使用的。目前的目標(biāo)是達(dá)到每天發(fā)射三次的頻率。

一旦進(jìn)入軌道，星艦可以被加速，使其能夠?qū)?00 噸的有效載荷帶到月球或火星。在 2 月的活動(dòng)中，馬斯克說明了一艘每周發(fā)射 3 次的星艦如何在一年內(nèi)將超過15 000噸的貨物送入軌道——這大約相當(dāng)于整個(gè)太空飛行歷史上所運(yùn)送的所有貨物的總重量。馬斯克聲稱，每次發(fā)射的價(jià)格最終可能會(huì)低至 100 萬美元，如果是到近地軌道的話，可以達(dá)到每公斤 10 美元。唯一接近星艦的火箭是美國(guó)宇航局的太空發(fā)射裝置，它預(yù)計(jì)將于今年首次亮相。今年早些時(shí)候，他們的審計(jì)員給出結(jié)果，每次發(fā)射將耗資約 40 億美元，即每公斤近 60 000 美元。

一家名為歐洲空間公司的工業(yè)貿(mào)易集團(tuán)的太空經(jīng)濟(jì)學(xué)家皮埃爾?萊昂內(nèi)特 （Pierre Lionnet）對(duì) SpaceX 能否實(shí)現(xiàn)如此低的價(jià)格持懷疑態(tài)度。例如，他們可能無法正確計(jì)算開發(fā)和建造火箭的成本。“當(dāng)我看到星艦時(shí)，我看到的是一種看起來非常昂貴的設(shè)備。”為了以如此高的資本成本實(shí)現(xiàn)盈利，SpaceX必須達(dá)到其雄心勃勃的發(fā)射率，這意味著它需要客戶來提供所有的貨運(yùn)能力。SpaceX 希望在太空采礦、旅游或其他尚未實(shí)現(xiàn)的活動(dòng)中開發(fā)新市場(chǎng)，但萊昂內(nèi)特不太確定這臺(tái)重型火箭能完全激發(fā)資本的這種胃口。“如果你是素食主義者，我就算以最便宜的價(jià)格提供給你一個(gè)漢堡，你也不會(huì)吃。”

一切靠事實(shí)說話。2021 年 5 月，在經(jīng)歷了幾次故障后，一艘星艦飛入了大氣層上方約10公里的高度。著陸后，它短暫起火，但SpaceX認(rèn)為這一次亞軌道飛行是成功的。從那以后，SpaceX 建造了發(fā)射場(chǎng)和一個(gè)發(fā)射塔，并且可以用公司稱之為“筷子”的兩個(gè)機(jī)械臂捕捉返回的助推器。SpaceX改進(jìn)了火箭裝配線，現(xiàn)在他們每周可以生產(chǎn)四臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)。6 月，美國(guó)聯(lián)邦航空局批準(zhǔn) SpaceX 可以從新建的發(fā)射場(chǎng)發(fā)射火箭，前提是它要采取措施盡量減少對(duì)環(huán)境的影響。

在2月份的活動(dòng)中，馬斯克表示，他有信心今年首次進(jìn)行星艦的軌道嘗試。對(duì)于馬斯克來說，科幻的夢(mèng)想觸手可及。“讓我們把它變成現(xiàn)實(shí)！” 他揮舞著拳頭鼓舞大眾。

對(duì)馬斯克來說，確認(rèn)科學(xué)上的可能性是事后才想到的事情。但赫爾德曼感到驚訝的是，對(duì)于許多行星科學(xué)家來說，星艦的設(shè)想同樣也并沒有經(jīng)過深思熟慮。

2020 年，她和一組研究人員和業(yè)內(nèi)人士提交了一份白皮書，宣傳星艦在行星科學(xué)“十年調(diào)查”中的重要性。這是一項(xiàng)有影響力的活動(dòng)，它可以幫助美國(guó)宇航局和國(guó)會(huì)確定長(zhǎng)期優(yōu)先發(fā)展的科研活動(dòng)。“現(xiàn)在是嘗試將這個(gè)想法融入他人意識(shí)的好時(shí)機(jī)。”她說。赫爾德曼和同事建議，美國(guó)宇航局為星艦的任務(wù)設(shè)立專門的資金線。

調(diào)查委員會(huì)接受了這一想法，在其 4 月份的報(bào)告中明確提到了星艦，并引用了赫爾德曼論文中的觀點(diǎn)。委員會(huì)建議設(shè)立一條與星艦規(guī)格相關(guān)的資金線，并表示美國(guó)宇航局應(yīng)該計(jì)劃利用火箭的潛力開展科研任務(wù)。“飛往火星的貨物和人員提供了重要的潛在科學(xué)機(jī)會(huì)。”委員會(huì)說。

2021年，工人們?cè)诔匦椭破魃隙逊帕艘凰倚桥灥纳蠈咏Y(jié)構(gòu)

科羅拉多大學(xué)博爾德分校大氣與空間物理實(shí)驗(yàn)室主任丹尼爾?貝克（Daniel Baker）指出，這些優(yōu)勢(shì)不僅限于月球和火星的相關(guān)任務(wù)。例如，重力較弱的水星一直是一個(gè)棘手的目標(biāo)，因?yàn)樗枰~外的燃料來減慢航天器進(jìn)入軌道的速度。太陽的熱量是另一個(gè)問題。但星艦完全可以裝載大型油箱或防止航天器熔化所需的遮陽板。貝克還設(shè)想了更快的外行星任務(wù)，不需要來自其他行星的耗時(shí)長(zhǎng)久的引力輔助。根據(jù)一個(gè)擬議的任務(wù)，星際探測(cè)器甚至可以追隨美國(guó)宇航局著名的旅行者號(hào)任務(wù)的腳步，攜帶更強(qiáng)大的儀器，更快地到達(dá)更遠(yuǎn)的星際空間。

一些天文學(xué)家也在關(guān)注星艦。夏威夷大學(xué)馬諾阿分校的宇宙學(xué)家大衛(wèi)?魯賓（David Rubin）說：“雖然大家已經(jīng)討論得很多了，但從大多數(shù)指標(biāo)來看，它可能是 ‘有史以來最好的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)’。”比如價(jià)值 100 億美元的詹姆斯?韋布空間望遠(yuǎn)鏡 （JWST） ，如果它的 6.5 米寬的分段鏡不必折疊起來安裝在火箭上，發(fā)射它可能會(huì)簡(jiǎn)單得多。工程師們可以建造一面單片鏡，并將它安置在 9 米寬的星艦整流罩內(nèi)，整流罩的體積約為熱氣球的一半。

魯賓還希望使用星艦在太空中建造一個(gè)巨大的比如30米長(zhǎng)的望遠(yuǎn)鏡。有機(jī)械臂的機(jī)器人可以在腳手架上精確地放置鏡子的部分結(jié)構(gòu)，形成一臺(tái)巨大的望遠(yuǎn)鏡。它可以觀測(cè)宇宙中的第一代星系，并在類地系外行星的大氣層中尋找生命跡象。“只要建造越來越大的望遠(yuǎn)鏡，科學(xué)的規(guī)模會(huì)迅速擴(kuò)大。”魯賓說。

并非所有的天文學(xué)家都是 SpaceX 的粉絲。SpaceX 已經(jīng)將近 3 000 顆星鏈互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射到低軌道，在這些衛(wèi)星上閃爍的光線會(huì)在地面望遠(yuǎn)鏡的相機(jī)上留下條紋。星艦會(huì)使得這個(gè)問題進(jìn)一步嚴(yán)重，因?yàn)樗梢砸淮伟l(fā)射數(shù)百個(gè)星鏈衛(wèi)星，從而更快地達(dá)成Space X的多達(dá) 42 000 顆衛(wèi)星的發(fā)射計(jì)劃。SpaceX現(xiàn)在為衛(wèi)星配備了“遮陽板”，以減少反射眩光，但天文學(xué)家仍然十分擔(dān)心。“輕易就可以進(jìn)入太空和地球軌道有很多好處，”西雅圖華盛頓大學(xué)天文學(xué)家、國(guó)際天文學(xué)聯(lián)盟中心成員梅雷迪思?羅爾斯（Meredith Rawls）說，“但我們需要確保以謹(jǐn)慎的方式行事，不能讓它成為一場(chǎng)大災(zāi)難。” 國(guó)際天文學(xué)聯(lián)盟中心的成員十分希望可以減輕衛(wèi)星的干擾。

萊昂內(nèi)特指出，優(yōu)惠的發(fā)射價(jià)格只會(huì)進(jìn)一步大大降低任務(wù)成本。萊昂內(nèi)特表示，對(duì)于重大科學(xué)項(xiàng)目，發(fā)射成本通常僅占總價(jià)格的 5% 到 10%。對(duì)于 JWST，比例甚至更小。JWST的發(fā)射器，阿麗亞娜5型運(yùn)載火箭的標(biāo)準(zhǔn)成本約為 1.75億美元，僅占任務(wù)總價(jià)格的 2%。“復(fù)雜的望遠(yuǎn)鏡仍然是最重要的部分。”萊昂內(nèi)特說。

更便宜的發(fā)射成本可以讓探測(cè)器本身更便宜，對(duì)節(jié)省重量或體積的太空級(jí)部件的需求更少。有了星艦，想要為漫游車配備光譜儀的行星科學(xué)家只需在互聯(lián)網(wǎng)上購(gòu)買一臺(tái)即可。天文學(xué)家可以使用玻璃鏡而不是像 JWST 那樣的輕量級(jí)鈹鏡。而且，魯賓說，我們可以利用硬件屏蔽輻射，而不是用特殊材料焊接電路。

數(shù)以千計(jì)的六角形熱瓦可以防止星艦在重新進(jìn)入地球大氣層時(shí)起火

地球測(cè)量研究人員也已經(jīng)走上了這條路。一家名為大地觀測(cè)空間的太空工業(yè)咨詢公司創(chuàng)始人阿拉文德?拉維坎德蘭（Aravind Ravichandran）說，多年來，遙感衛(wèi)星體積龐大且價(jià)格昂貴——可以說與 JWST 幾乎沒有什么不同。但大約十年前出現(xiàn)了“小型衛(wèi)星”革命：研究人員縮小和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備，并利用相對(duì)便宜的獵鷹 9 號(hào)發(fā)射設(shè)備，甚至?xí)推渌⌒脱b置拼車搭載小型火箭。

大學(xué)生們?nèi)缃窨梢詫⑿写笮〉牧⒎襟w衛(wèi)星送入太空。使用廉價(jià)相機(jī)和電子消費(fèi)產(chǎn)品，行星公司建立了一個(gè)由大約200 顆小型衛(wèi)星組成的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，這些衛(wèi)星每天收集地球陸地的圖像。拉維坎德蘭認(rèn)為，星艦使得組建更大的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)變得更加容易——我們將有足夠多的眼睛在地球上每隔一小時(shí)就多次重新觀測(cè)指定地點(diǎn)。“為什么我們不能每 5 分鐘就觀測(cè)一次？或是每10分鐘一次？” 拉維錢德蘭問道。他說，想象一下，這種重訪率對(duì)于追蹤山火或洪水可能會(huì)起到關(guān)鍵作用。

現(xiàn)在身為清潔能源企業(yè)家的漢默希望，天文學(xué)家和行星科學(xué)家可以考慮這種大膽的想法。為什么不能有 30 米的望遠(yuǎn)鏡？為什么直徑不能是 1 000 米呢？為什么我們不大規(guī)模生產(chǎn)可以探測(cè)數(shù)十顆小行星的探測(cè)器呢？為什么我們不能在未來十年內(nèi)飛越所有的外行星？或是每年都能登陸不同的行星？

在漢默看來，問題的部分原因在于文化：美國(guó)宇航局的工程師試圖在第一次嘗試時(shí)就不惜一切代價(jià)地做好一切——極其昂貴、拖延已久的 JWST 就是一個(gè)典型的例子。“這有點(diǎn)像中世紀(jì)的大教堂。”他談到這樣的旗艦任務(wù)時(shí)說。為了利用星艦的巨大容量，漢默估計(jì)美國(guó)宇航局能夠以通常成本的一小部分來制造 100 倍價(jià)值的東西。它需要成為一家快消品工廠，而不是精品店。但在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室工作后，漢默并不認(rèn)為這會(huì)發(fā)生。“那里不適合大規(guī)模生產(chǎn)任何東西。”他說。

魯賓說，美國(guó)宇航局的科研中心可能會(huì)被更靈活的公司或私人資助的科學(xué)家甩在后面。“如果成千上萬噸的貨物可以進(jìn)入軌道，那么總會(huì)有人想辦法在沒有美國(guó)宇航局涉足的情況下將望遠(yuǎn)鏡放在那里。”他說。自稱為“月球物流公司”的宇航機(jī)器人技術(shù)公司就以這種商業(yè)模式嶄露頭角。它計(jì)劃將著陸器和漫游車送上月球，并為付費(fèi)客戶攜帶儀器。

噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的總工程師羅伯特?曼寧（Robert Manning）認(rèn)為他們并沒有那么抗拒改變。但他也質(zhì)疑漢默對(duì)廉價(jià)、大規(guī)模生產(chǎn)的探測(cè)器的看法。科學(xué)前沿使用的設(shè)備很少是標(biāo)準(zhǔn)的。每一項(xiàng)任務(wù)都有新的目標(biāo)和問題，都需要?jiǎng)?chuàng)新。曼寧說，作為一個(gè)公共機(jī)構(gòu)，他們很難承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)。“我們有義務(wù)確保自己不會(huì)浪費(fèi)納稅人的錢，”他說，“我們不能輕率地將東西扔到太空并說，好吧，如果它不起作用，那我們就再建造一個(gè)。”

1992 年，時(shí)任美國(guó)宇航局局長(zhǎng)的丹尼爾?戈?duì)柖。―aniel Goldin）推動(dòng)美國(guó)宇航局尋求“更快、更好、更便宜”的方法。在火星氣候軌道飛行器和火星極地著陸器失事后的十年，這一口號(hào)被拋棄了。如果一種更快、更好、更便宜的文化要回歸，曼寧說，美國(guó)宇航局和國(guó)會(huì)都必須支持冒險(xiǎn)——并在出現(xiàn)問題時(shí)支持它。“很難在政治上傳達(dá)我們的這種想法。”曼寧說。

但他承認(rèn)，假設(shè)所有這些問題都能自行解決，頻繁、低成本、大批量的發(fā)射可以“為我們提供一個(gè)難得的機(jī)會(huì)，讓我們改變完成工作的方式并愿意承擔(dān)更多風(fēng)險(xiǎn)。” 他說，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在考慮這個(gè)問題——例如，考慮如何在美國(guó)宇航局的定制深空任務(wù)中加入標(biāo)準(zhǔn)化、低成本的組件。

星艦帶來的火箭革命還有待觀察。“我們還不能對(duì)此采取行動(dòng)，”曼寧說，“因?yàn)檫@還沒有真的發(fā)生。”當(dāng)星艦進(jìn)行首次軌道發(fā)射嘗試時(shí)，許多研究人員都會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)觀望，等待著判斷那枚巨大的銀色火箭究竟是對(duì)空間科學(xué)未來的大膽探索，還是只是一場(chǎng)海市蜃樓。

資料來源 Science