行星科学家的畅想:以我们以前从未想过的方式到达外太阳系

2022/4/7 11:40:45 来源:新浪科技 作者:任天 责编:远洋

北京时间 4 月 7 日消息,詹妮弗・赫德曼盯着桌上的电脑屏幕,观看一枚火箭的上面级撞上月球南极附近的一个陨石坑。以科学的名义,这块 2.3 吨重的钢铁在撞击月球时的冲击力相当于 2 吨 TNT 炸药。

SpaceX公司星舰前往土星系统的想象图

▲ SpaceX 公司星舰前往土星系统的想象图

那是 2009 年 10 月,赫德曼在美国国家航空航天局(NASA)艾姆斯研究中心的科学操控中心追踪了这次撞击。作为一名 33 岁的行星科学家,这是她为 NASA 执行第一个重大任务,主要负责协调地面望远镜对撞击进行观测。

NASA 试图通过“月球坑观测和传感卫星”(LCROSS)任务“触及月球上的冰”。20 世纪 60 年代和 70 年代初,阿波罗号飞船登上了月球,然后发现这是一个灰色、贫瘠的世界。但后来,科学家们开始相信,在月球两极的陨石坑边缘下方,有一些水冰就存在于永久阴暗的月壤中,这是数十亿年来彗星撞击的残留物。半人马座火箭的任务目标就是撞击其中一个陨石坑,验证科学家们的猜想是否正确。

在仔细研究了撞击数据后,NASA 宣布,半人马座火箭撞击所激起的物质羽流中确实发现了水,以及月球岩石在受到撞击时喷出的物质。

对詹妮弗・赫德曼来说,这是她职业生涯的关键时刻之一。这段经历坚定了她对行星科学的兴趣,特别是追踪其他星球上的水。“这项任务的结果有着如此深远的影响,实在令人惊讶,”她说道。

在月球上发现水冰开启了一个新的时代。行星科学家们发现,在太阳系中,冰和水几乎无处不在:在木卫二(Europa)和土卫二(Enceladus),在火星表面,甚至在更遥远的星球上,比如冥王星的内部或海王星最大的卫星 —— 海卫一(Triton),都有水冰的存在。

这些发现带来了各种令人遐想的前景。在有水的地方 —— 或者曾经有水的地方 —— 生命就可能发展起来。因此,科学家们已经不只是在火星长期干涸的湖床中寻找化石,也开始在木卫二、土卫二和其他星球的浩瀚海洋中寻找生命有机体。对于人类的太空探索事业,水的广泛存在也提供了巨大的机会:哪里有水,哪里就有火箭燃料的组成部分 —— 液氢和液氧。

在很大程度上,这些发现也影响了 NASA 科学和载人航天计划的重心。在该机构每年约 30 亿美元的行星科学预算中,有越来越多的资金是用来支持可能在其他星球上发现生命证据的任务。过去四年里,NASA 一直在制定一项计划,希望将宇航员再次送上月球,并在那里提取水,为将来把人类送上火星做准备。

对科学家来说,问题总是比答案多,而可用资金往往不足以满足他们想要执行的任务。水在太阳系的普遍存在进一步激发了行星科学家们的兴趣,他们想让探测机器人前往太阳系更远的地方,确定各个星球上冰沉积物和地下海洋的特征。随着我们对太阳系的了解越多,其奥秘也越来越多,远远超过我们的想象。因此,尤其令人沮丧的是,我们目前还无法飞到那些神秘的星球上,真正解开这些奥秘。

火星北部的科罗廖夫撞击坑,其直径约82公里。这张图片是由欧洲空间局的火星快车号探测卫星拍摄的

▲ 火星北部的科罗廖夫撞击坑,其直径约 82 公里。这张图片是由欧洲空间局的火星快车号探测卫星拍摄的

那么,如果我们可以做到呢?

一些行星科学家已经开始认同一个观点,即例如 SpaceX 公司的新型火箭“星舰”(Starship)具有前所未有的运载能力,并具有非同寻常的低成本潜力,可能会让太阳系探索进入一个新的时代。想象一下,我们可以向木卫二发射着陆器,探索其巨大、温暖的次表层海洋。在最近的 NASA 计划会议上,行星科学家们就考虑了这项任务的可能性,他们向木卫二发射一台耗资数十亿美元的复杂航天器,开展更深入的科学研究;在最佳条件下,这台航天器的大小和质量只能与迷你冰箱相当。

相比之下,如果有了类似星舰这些更大能力的太空运输工具,人类或许就能够将更多的科研有效载荷发射到木卫二,其大小相当于一幢没有家具的单层房屋,以我们以前从未想过的方式到达外太阳系,这将为探索这些世界提供一种革命性的崭新方式。

星舰的源起

SpaceX 公司的工程师们已经在星舰的研发上努力工作了大约 5 年时间,并在过去的 12 个月里,完成了数次初期飞行测试。尽管还有很多技术性工作要做,但该公司目前在研制的这种超重型火箭具有许多优势,包括可重复利用和低成本,而且有可能将多达 100 吨重的火箭送到太阳系大多数天体的表面。

SpaceX 公司的创始人埃隆・马斯克将星舰视为将人类送上火星,并最终在那里定居点的关键火箭。不过,在行星科学家们看来,这样的航天运输工具在科学、探索和防御方面还有无数其他的用途。

高度可靠的星舰可能还需要几年的时间才能问世,但从 2022 年初开始,SpaceX 公司可能会进行一系列的轨道测试飞行。现在,NASA 的载人航天项目也对星舰非常有信心,以至于将其作为其阿尔特弥斯月球计划(Artemis Moon Program)的着陆系统。如果星舰最终失败的话,NASA 可能就不会重返月球了。

2021年8月,星舰的飞船部分吊装到了超重型助推器上方

▲ 2021 年 8 月,星舰的飞船部分吊装到了超重型助推器上方

“星舰可以为前往火星和其他星球的任务提供前所未有的大量有效载荷,”詹妮弗・赫德曼说,“行星科学家需要思考的问题是,我们如何利用这种非凡的能力。如果我们想抓住这些机会,在无人测试飞行中获得有效载荷,那现在就需要行动起来。”

2018 年,SpaceX 公司首次接触行星科学界,并通过举办一系列“火星研讨会”解决了一些基本问题,比如火星上可能的着陆点,以及与人类在火星表面安全生活和工作有关的知识空白。

该公司还邀请了火星研究领域的知名人士,有几十人参与其中。一些研究者已经接受了 SpaceX 公司的愿景,但也有人持怀疑态度。随着时间的推移,也随着 SpaceX 建造并测试了原型机,就连一些怀疑者也开始相信星舰的潜力。

“随着星舰逐渐成为现实,人们的想法也开始改变,”曾参与火星研讨会的行星科学家、火星专家塔尼娅・哈里森说,“NASA 选择使用星舰来执行月球任务,是对其可靠性的巨大提升。”

新的白皮书

今年早些时候,许多参加过研讨会的研究者开始意识到,在使用星舰进行科学任务的过程中,NASA 的参与已经迫在眉睫。因此,他们撰写了一份白皮书,题为《通过 SpaceX 星舰任务加快推动火星和月球科学》(Accelerating Martian and Lunar Science through SpaceX Starship Missions),詹妮弗・赫德曼是第一作者。

来自学术界、工业界和 SpaceX 公司的 20 多名火星研究人员(塔尼娅・哈里森也位列其中)在这份白皮书上签了名。他们向 NASA 的领导层发出了响亮的呼吁,希望后者能为开发星舰的科学有效载荷提供资金。

这些科学家和工程师写道:“NASA 必须制定一个与星舰开发路径一致的资助计划,包括一个快速的发展时间表。与传统的行星科学任务相比,星舰具有相对较高的风险承受能力,如果成功,最终将带来较高的潜在科学价值。”

星舰与以往运载火箭的的关键区别在于质量。如今,当一名科学家计划探索另一个星球时,会面临两大制约因素:成本和质量。星舰可能对成本有一些影响,能用更少的钱发射更多的火箭。但最大的变化是,科学家们不再需要过度关注质量。他们可以携带更多的仪器,拥有更多的防护,“这完全改变了游戏规则,”哈里森说道。

多年来,NASA 关于行星探索的最高优先级一直是从火星带回岩石样品,然后在地球的高科技实验室中进行详细研究。最后,该机构提出了一个与欧洲空间局(ESA)合作的基线计划,并开始为火星样品返回任务争取一些资金。如果一切顺利,NASA 希望在 2031 年前从火星带回数公斤的岩石样品。

由于星舰不仅可以在其他星球上着陆,还可以从其他星球起飞,因此它完全有能力改变火星样品返回任务。据估计,星舰可能将带回两吨的岩石样品,而不只是两公斤。

这种可能性让行星科学家们感到十分兴奋,而且不仅仅是年轻一代。美国布朗大学的詹姆斯・海德在 20 世纪 60 年代曾帮助 NASA 选定了阿波罗任务的登月地点,并参与训练了在那里着陆的宇航员。之后,他又开始了杰出的行星科学研究生涯。

海德热情地在白皮书上签了名,并表示自己很欣赏 SpaceX 公司的愿景,并愿意为实现这一目标做出努力。他还在位于加利福尼亚州霍桑的 SpaceX 公司总部看到了曾推动阿波罗计划的那种青春气息、活力和决心。“站在 SpaceX 工厂的地板上,我体验到了最接近阿波罗计划的感觉,”海德说。

NASA 会如何行动?

美国国家航空航天局的“毅力”号探测器在火星上来了一张“自拍”

▲ 美国国家航空航天局的“毅力”号探测器在火星上来了一张“自拍”

目前,建立一个专门资助星舰科学有效载荷的 NASA 项目似乎有点牵强。NASA 通常倾向于将项目交给多个竞标者,而不是为一个特定的飞行器创建特定的项目。而且,即使 NASA 的领导层决定创建一个星舰科学有效载荷的特定项目,美国国会(甚至白宫)是否会同意也值得怀疑。国会议员喜欢为他们的选区和州提供就业机会,而 NASA 的传统承包商满足了这一需求。相比之下,SpaceX 公司非常注重削减成本和提高效率,其工作在少数几个州进行,雇佣的承包商相对较少。

此前,NASA 为阿尔忒弥斯计划的“人类着陆系统”(Human Landing System)举办了一场竞标,并最终将 SpaceX 的星舰作为唯一选择。美国国会对此提出了激烈的反对。然而,对于前往月球、火星及更远星球的科学有效载荷计划,如果只能选择 SpaceX,美国国会就将爆发更猛烈的反对声浪。

以火星样品返回任务为例。NASA 计划与太空领域的重要盟友欧洲空间局合作,发射一辆样品取回漫游车(在欧洲开发)和一辆由诺斯罗普・格鲁曼公司为 NASA 制造的升空载具。这项任务的发射时间不早于 2026 年,可能会搭乘联合发射联盟(ULA,洛克希德・马丁太空系统与波音国防太空安全组成的合资公司)的新型运载火箭“火神”(Vulcan)。然后,欧洲制造的返回轨道器将搭载同样由欧洲开发的阿丽亚娜 6 号火箭,将少量样品带回地球。

不过,也有一些相关人士提出,还有其他的选择。有人建议,NASA 应该建立一个“商业火星有效载荷服务”项目,以此分发向火星运送科学有效载荷的合同。

借鉴 CLPS 项目

商业火星有效载荷服务项目将借鉴 NASA 的“商业月球有效载荷服务”(CLPS)项目,后者的主要目的是向私人公司提供资金,建造能够将 NASA 有效载荷运送到月球表面的航天器,如月球着陆器 / 飞行器、月球车和运载火箭等。到目前为止,NASA 已经为不同竞标者提供了 6 份合同,到 2028 年的总预算为 26 亿美元。

“火星探索计划分析小组”(Mars Exploration Program Analysis Group,简称 MEPAG)的科学家们已经提出了类似的想法,他们认为“类似 CLPS 并以火星为重点的项目可以促成未来火星探索技术及科学有效载荷的开发”。

在一个商业化的火星项目中,NASA 可能会为其研究中心和其他学术团体提供资金,由科学家们负责开发运往火星的科学有效载荷,并让他们为使用星舰提供支持。这可能会缓解 NASA 的一些政治压力。

NASA 的科学任务总负责人托马斯・祖布钦也支持 CLPS 项目,并愿意承担一定程度的失败风险。他表示,NASA 应该考虑所有大型火箭在未来几年上线,并充分利用它们的能力。

未来的可能任务

在建造更多行星航天器的过程中,随着科学家们越来越少地考虑质量限制,他们也将遇到其他障碍。世界上只有相对少数的人知道如何制造这样的航天器,培训更多的人需要时间;另一方面,航天器可以接受真空和振动测试的地面设施也十分有限;然后是成本问题 —— 科研探测器发射时最昂贵的部分不是火箭,而是探测器。

一位 NASA 的高级官员认为,由于执行飞行任务的是星舰,因此科学任务理事会的预算应该不会突然翻倍。相反,星舰最终会降低航天器发射的成本,尤其是在有能力频繁发射的情况下。

未来 SpaceX 公司可能会每两年提供一次飞往木星的定期“拼车”飞行。多个不同大小的探测器可能会搭载同一艘星舰,借助其动力和推进力到达木星系统。一旦到达那里,每个航天器都可以飞到各自的轨道或目的地,并依靠星舰作为通信中继,将信号传回地球。这将为每个航天器的发射省下大量的质量空间和推进剂。

SpaceX 公司可能在 2024 年将其第一艘星舰发射到火星;这可能只是一次测试飞行,以证明这个巨大的飞行器可以执行进入火星轨道的任务。在 NASA 的日程安排上,还没有任何科学探测任务能赶得上此次首飞,但下一个火星窗口将在 2026 年底开启,对 SpaceX 和 NASA 来说,这似乎是一个更合理的时间点。

对 NASA 来说,在这段时间内将科学有效载荷装上飞往火星的星舰,还是有相当多可能性的。NASA 喷气推进实验室可以用一套完全不同的科学仪器,制造一个“毅力”号火星车的复制品。NASA 还可能发射两台火星勘测轨道飞行器的复制品,以替换火星上已经老化的通信基础设施。工程师们还可以扩大火星氧气原位资源利用实验(MOXIE)的规模,从火星大气中产生更多的氧气。此外,NASA 还可以发送一个更大的钻头,深入火星地下,看看其内部是否真的更温暖、潮湿。

NASA 的一位消息人士说:“我们也很高兴用机智号(Ingenuity)这样的航天器装满星舰。”今年早些时候,机智号无人直升机随毅力号登陆火星,并成为第一架“在另一个星球上进行动力控制飞行”的飞行器。

埃隆・马斯克自己也意识到与科学界合作并提升星舰可行性的重要性。前不久,马斯克在美国国家科学院与科学家们进行了一个多小时的交谈,就星舰、行星科学和其他更深奥的话题表述了自己的见解。

“星舰在设计上是一个更广大太阳系的通用运输装置,”马斯克说,“你可以把一个 100 吨重的物体带到木卫二表面。这比用小型火箭能运载的要多得多。所以,我想这是非常令人兴奋的。显然,我们还有很多事情需要证明。但从架构的角度,星舰几乎可以将任意质量运输到太阳系中的任何固体表面。”

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关键词:太阳系星舰火星

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