星舰将成为有史以来最大的火箭。空间科学家准备好利用它了吗？
美国宇航局的月球陨石坑观测和遥感卫星任务是危险而短暂的。它始于 2009 年 10 月 9 日，当时，一个完成了使命的半人马座火箭以大约 2 吨 TNT当量的能量撞入月球南极附近的卡比斯陨石坑。几分钟后，一艘尾随的宇宙飞船飞过并分析了在它坠毁之前升起的碎片羽流，之后这艘宇宙飞船也坠毁在了那里。羽流有大约6%的成分是水，这可能是来自火山深处的冰。那里的温度从未到过-173 ℃以上。事实证明，月球并不像阿波罗宇航员认为的那样干燥。“这是我们观测到的第一个基本事实，即存在水冰。”参与该任务的美国宇航局艾姆斯研究中心的行星科学家詹妮弗 · 赫尔德曼（Jennifer Heldmann）说。
如今，赫尔德曼想再发射一枚火箭来探测月球冰层——但这次不是单程。她把目光投向了星舰，这是一艘由私人火箭公司 SpaceX 开发的庞然大物，它将成为全球有史以来最大的飞行物体。借助星舰，赫尔德曼可以向月球发送 100 吨重的物体，这一载重是执行阿波罗任务的土星五号火箭登月有效载荷的两倍。她希望能够运送机器人挖掘机和钻机，并利用星舰上的冷藏装置存储水冰。这艘飞船可以带着数十吨货物返回地球。通过分析冰的同位素组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来自太阳风缓慢、稳定的注入，而是来自数十亿年前彗星和小行星的轰炸。她还可以发现，哪里的冰足够丰富和纯净，可以支持人类的首批前哨站正常运行。“这项研究优先度很高，对未来的科学探索也至关重要。”赫尔德曼说。
当 SpaceX 首席执行官埃隆 · 马斯克（Elon Musk）谈到星舰时，主要关注的是人类的科研探测任务：在火星上建立基地，让人类成为可在多个行星生存的物种，从而避免文明的灭绝。但赫尔德曼和许多其他人认为，重型火箭也可以从根本上改变太空科学家的工作方式。如果 SpaceX 估算的货物发射成本低至每公斤 10 美元，他们就可以更频繁地运载更大更重的仪器，而且成本更低。在火星上，他们可以放置多个非一次性的漫游车。空间望远镜可能会变得更大，近地轨道上的卫星编队也会让人习以为常。天文学、行星科学和地球测量学都可以比以往任何时候发展得更快。
当然，星舰目前还只是存在于纸面上。所有的目光都将集中在第一次轨道发射测试上，这一测试预计将在未来几个月内进行。不过，即使这一发射成功了，也没有人知道 SpaceX 能否实现其发射火箭并多次重复使用的愿景。同样悬而未决的是另一个问题：市场是否会为载重量如此之大的火箭买单。但是，“科学家们确实需要做好准备，”赫尔德曼说，“在这些功能可以实现时，我们在科学方面需要准备好利用它们。”
喷气推进实验室前软件工程师凯西 · 汉默（Casey Handmer）说，包括喷气推进实验室在内的很多美国宇航局科研中心也设计和实施了许多空间科学任务。他在一系列标题为“星舰尚未为人熟知”的博客文章中指出，星舰将颠覆传统的空间科学研究方式——即花费数十亿美元制造可以完美运行的独一无二的仪器。他说，如果美国宇航局的科研中心没有找到价格更低廉的方法，他们就会发现自己会被愿意这样做的公司取代。“这对美国宇航局而言是个不好的预兆，” 汉默说，“他们应该认真思考这个问题。”
SpaceX预计将在未来几个月内进行首次轨道试飞，发射这一 120 米高的星舰
在2022年2 月的一个温暖的夜晚，马斯克大步走上 SpaceX基地发射场的所在地得克萨斯州博卡奇卡市的一个展台，公开展出星舰的最新状态。在他身后，最新的火箭沐浴在灯光中，大约有 120 米高。载人或有效载荷的部分位于超重型助推器的顶部。这一原型机还没有准备好飞行，美国联邦航空管理局 （FAA） 也没有允许 SpaceX 从基地对其进行发射——但它看上去仍然是一个壮观无比的背景。在对一群忠实的火箭极客表示欢迎之后，马斯克开始了他的即兴演讲，主题是推动他和他的公司飞向太空的指导思想。“为什么我们要建造一个巨大的、可重复使用的火箭？为什么要让地球生命在多个行星繁衍生存？我认为这对生命本身的未来来说，是一件非常重要的事情。”
SpaceX的主力火箭， 70 米高的猎鹰 9 号的大名在航空航天业务界如雷贯耳。它采用逆向和可操纵的尾翼来引导第一级火箭在重新进入大气层后着陆。凭借该火箭，SpaceX 开创了可重复使用火箭的先河。现在，SpaceX 例行公事一般地给它涂上了一层新油漆并再次发射。6 月时，他们进行了第 13 次飞行测试，这创下了一个记录。另一个记录也即将到来：他们有望在今年发射 50 多枚猎鹰9号和猎鹰重型火箭，可能平均每周就会发射一枚。SpaceX对发射猎鹰 9 号的报价为 6 700 万美元，这远低于竞争对手。他们的火箭可以可靠地重复使用，具有快速的发射节奏。但马斯克并不满足。
2016年，在墨西哥举行的国际宇航大会上，马斯克规划了一种用于殖民火星的火箭，他将其称为大猎鹰火箭（BFR）。这个概念后来演变成了星舰，但它依然具有大载荷和可重复使用性——这使得火箭发射就像是例行公事，仿佛是联邦快递货运航班一样。火箭的主体是不锈钢结构，比大多数火箭的铝合金更重，但更便宜，也更容易制造。33 台猛禽发动机利用的是超重燃烧甲烷而不是传统的基于煤油的火箭燃料，这不仅是因为它更便宜，也因为我们可以通过二氧化碳和水的结合在火星上收获它。助推器被设计为可以在6分钟的航行后返回发射台。设计人员相信，它可以在一小时内加油完毕并准备好重新启动。星舰本身也是可重复使用的。目前的目标是达到每天发射三次的频率。
一旦进入轨道，星舰可以被加速，使其能够将100 吨的有效载荷带到月球或火星。在 2 月的活动中，马斯克说明了一艘每周发射 3 次的星舰如何在一年内将超过15 000吨的货物送入轨道——这大约相当于整个太空飞行历史上所运送的所有货物的总重量。马斯克声称，每次发射的价格最终可能会低至 100 万美元，如果是到近地轨道的话，可以达到每公斤 10 美元。唯一接近星舰的火箭是美国宇航局的太空发射装置，它预计将于今年首次亮相。今年早些时候，他们的审计员给出结果，每次发射将耗资约 40 亿美元，即每公斤近 60 000 美元。
一家名为欧洲空间公司的工业贸易集团的太空经济学家皮埃尔 · 莱昂内特 （Pierre Lionnet）对 SpaceX 能否实现如此低的价格持怀疑态度。例如，他们可能无法正确计算开发和建造火箭的成本。“当我看到星舰时，我看到的是一种看起来非常昂贵的设备。”为了以如此高的资本成本实现盈利，SpaceX必须达到其雄心勃勃的发射率，这意味着它需要客户来提供所有的货运能力。SpaceX 希望在太空采矿、旅游或其他尚未实现的活动中开发新市场，但莱昂内特不太确定这台重型火箭能完全激发资本的这种胃口。“如果你是素食主义者，我就算以最便宜的价格提供给你一个汉堡，你也不会吃。”
一切靠事实说话。2021 年 5 月，在经历了几次故障后，一艘星舰飞入了大气层上方约10公里的高度。着陆后，它短暂起火，但SpaceX认为这一次亚轨道飞行是成功的。从那以后，SpaceX 建造了发射场和一个发射塔，并且可以用公司称之为“筷子”的两个机械臂捕捉返回的助推器。SpaceX改进了火箭装配线，现在他们每周可以生产四台猛禽发动机。6 月，美国联邦航空局批准 SpaceX 可以从新建的发射场发射火箭，前提是它要采取措施尽量减少对环境的影响。
在2月份的活动中，马斯克表示，他有信心今年首次进行星舰的轨道尝试。对于马斯克来说，科幻的梦想触手可及。“让我们把它变成现实！” 他挥舞着拳头鼓舞大众。
对马斯克来说，确认科学上的可能性是事后才想到的事情。但赫尔德曼感到惊讶的是，对于许多行星科学家来说，星舰的设想同样也并没有经过深思熟虑。
2020年，她和一组研究人员和业内人士提交了一份白皮书，宣传星舰在行星科学“十年调查”中的重要性。这是一项有影响力的活动，它可以帮助美国宇航局和国会确定长期优先发展的科研活动。“现在是尝试将这个想法融入他人意识的好时机。”她说。赫尔德曼和同事建议，美国宇航局为星舰的任务设立专门的资金线。
调查委员会接受了这一想法，在其 4 月份的报告中明确提到了星舰，并引用了赫尔德曼论文中的观点。委员会建议设立一条与星舰规格相关的资金线，并表示美国宇航局应该计划利用火箭的潜力开展科研任务。“飞往火星的货物和人员提供了重要的潜在科学机会。”委员会说。
科罗拉多大学博尔德分校大气与空间物理实验室主任丹尼尔 · 贝克（Daniel Baker）指出，这些优势不仅限于月球和火星的相关任务。例如，重力较弱的水星一直是一个棘手的目标，因为它需要额外的燃料来减慢航天器进入轨道的速度。太阳的热量是另一个问题。但星舰完全可以装载大型油箱或防止航天器熔化所需的遮阳板。贝克还设想了更快的外行星任务，不需要来自其他行星的耗时长久的引力辅助。根据一个拟议的任务，星际探测器甚至可以追随美国宇航局著名的旅行者号任务的脚步，携带更强大的仪器，更快地到达更远的星际空间。
一些天文学家也在关注星舰。夏威夷大学马诺阿分校的宇宙学家大卫 · 鲁宾（David Rubin）说：“虽然大家已经讨论得很多了，但从大多数指标来看，它可能是 ‘有史以来最好的火箭发动机’。”比如价值 100 亿美元的詹姆斯 · 韦布空间望远镜 （JWST） ，如果它的 6.5 米宽的分段镜不必折叠起来安装在火箭上，发射它可能会简单得多。工程师们可以建造一面单片镜，并将它安置在 9 米宽的星舰整流罩内，整流罩的体积约为热气球的一半。
2021年，工人们在超重型助推器上堆放了一艘星舰的上层结构
鲁宾还希望使用星舰在太空中建造一个巨大的比如30米长的望远镜。有机械臂的机器人可以在脚手架上精确地放置镜子的部分结构，形成一台巨大的望远镜。它可以观测宇宙中的第一代星系，并在类地系外行星的大气层中寻找生命迹象。“只要建造越来越大的望远镜，科学的规模会迅速扩大。”鲁宾说。
并非所有的天文学家都是 SpaceX 的粉丝。SpaceX 已经将近 3 000 颗星链互联网卫星发射到低轨道，在这些卫星上闪烁的光线会在地面望远镜的相机上留下条纹。星舰会使得这个问题进一步严重，因为它可以一次发射数百个星链卫星，从而更快地达成Space X的多达 42 000 颗卫星的发射计划。SpaceX现在为卫星配备了“遮阳板”，以减少反射眩光，但天文学家仍然十分担心。“轻易就可以进入太空和地球轨道有很多好处，”西雅图华盛顿大学天文学家、国际天文学联盟中心成员梅雷迪思 · 罗尔斯（Meredith Rawls）说，“但我们需要确保以谨慎的方式行事，不能让它成为一场大灾难。” 国际天文学联盟中心的成员十分希望可以减轻卫星的干扰。
莱昂内特指出，优惠的发射价格只会进一步大大降低任务成本。莱昂内特表示，对于重大科学项目，发射成本通常仅占总价格的 5% 到 10%。对于 JWST，比例甚至更小。JWST的发射器，阿丽亚娜5型运载火箭的标准成本约为 1.75 亿美元，仅占任务总价格的 2%。“复杂的望远镜仍然是最重要的部分。”莱昂内特说。
更便宜的发射成本可以让探测器本身更便宜，对节省重量或体积的太空级部件的需求更少。有了星舰，想要为漫游车配备光谱仪的行星科学家只需在互联网上购买一台即可。天文学家可以使用玻璃镜而不是像 JWST 那样的轻量级铍镜。而且，鲁宾说，我们可以利用硬件屏蔽辐射，而不是用特殊材料焊接电路。
地球测量研究人员也已经走上了这条路。一家名为大地观测空间的太空工业咨询公司创始人阿拉文德 · 拉维坎德兰（Aravind Ravichandran）说，多年来，遥感卫星体积庞大且价格昂贵——可以说与 JWST 几乎没有什么不同。但大约十年前出现了“小型卫星”革命：研究人员缩小和标准化设备，并利用相对便宜的猎鹰 9 号发射设备，甚至会和其他小型装置拼车搭载小型火箭。
数以千计的六角形热瓦可以防止星舰在重新进入地球大气层时起火
大学生们如今可以将鞋盒大小的立方体卫星送入太空。使用廉价相机和电子消费产品，行星公司建立了一个由大约 200 颗小型卫星组成的卫星网络，这些卫星每天收集地球陆地的图像。拉维坎德兰认为，星舰使得组建更大的卫星网络变得更加容易——我们将有足够多的眼睛在地球上每隔一小时就多次重新观测指定地点。“为什么我们不能每 5 分钟就观测一次？或是每10分钟一次？” 拉维钱德兰问道。他说，想象一下，这种重访率对于追踪山火或洪水可能会起到关键作用。
现在身为清洁能源企业家的汉默希望，天文学家和行星科学家可以考虑这种大胆的想法。为什么不能有 30 米的望远镜？为什么直径不能是 1 000 米呢？为什么我们不大规模生产可以探测数十颗小行星的探测器呢？为什么我们不能在未来十年内飞越所有的外行星？或是每年都能登陆不同的行星？
在汉默看来，问题的部分原因在于文化：美国宇航局的工程师试图在第一次尝试时就不惜一切代价地做好一切——极其昂贵、拖延已久的 JWST 就是一个典型的例子。“这有点像中世纪的大教堂。”他谈到这样的旗舰任务时说。为了利用星舰的巨大容量，汉默估计美国宇航局能够以通常成本的一小部分来制造 100 倍价值的东西。它需要成为一家快消品工厂，而不是精品店。但在喷气推进实验室工作后，汉默并不认为这会发生。“那里不适合大规模生产任何东西。”他说。
鲁宾说，美国宇航局的科研中心可能会被更灵活的公司或私人资助的科学家甩在后面。“如果成千上万吨的货物可以进入轨道，那么总会有人想办法在没有美国宇航局涉足的情况下将望远镜放在那里。”他说。自称为“月球物流公司”的宇航机器人技术公司就以这种商业模式崭露头角。它计划将着陆器和漫游车送上月球，并为付费客户携带仪器。
喷气推进实验室的总工程师罗伯特 · 曼宁（Robert Manning）认为他们并没有那么抗拒改变。但他也质疑汉默对廉价、大规模生产的探测器的看法。科学前沿使用的设备很少是标准的。每一项任务都有新的目标和问题，都需要创新。曼宁说，作为一个公共机构，他们很难承担风险。“我们有义务确保自己不会浪费纳税人的钱，”他说，“我们不能轻率地将东西扔到太空并说，好吧，如果它不起作用，那我们就再建造一个。”
1992年，时任美国宇航局局长的丹尼尔 · 戈尔丁（Daniel Goldin）推动美国宇航局寻求“更快、更好、更便宜”的方法。在火星气候轨道飞行器和火星极地着陆器失事后的十年，这一口号被抛弃了。如果一种更快、更好、更便宜的文化要回归，曼宁说，美国宇航局和国会都必须支持冒险——并在出现问题时支持它。“很难在政治上传达我们的这种想法。”曼宁说。
但他承认，假设所有这些问题都能自行解决，频繁、低成本、大批量的发射可以“为我们提供一个难得的机会，让我们改变完成工作的方式并愿意承担更多风险。” 他说，喷气推进实验室已经在考虑这个问题——例如，考虑如何在美国宇航局的定制深空任务中加入标准化、低成本的组件。
星舰带来的火箭革命还有待观察。“我们还不能对此采取行动，”曼宁说，“因为这还没有真的发生。”当星舰进行首次轨道发射尝试时，许多研究人员都会远远观望，等待着判断那枚巨大的银色火箭究竟是对空间科学未来的大胆探索，还是只是一场海市蜃楼。
资料来源 Science
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本文作者莎拉·斯科尔斯（Sarah Scoles）是一名科学作者，著作有《他们已经在这儿了》（They Are Already Here）、《接触》（Make Contact）等