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nasa受困财政辉煌不再 登陆火星推迟将何去何从

http://www.kexue.com 2012-01-11 09:55:26 环球科学  发表评论

  因为政策变化和预算紧缩,NASA 不得不终止航天飞机项目,这给人类的空间探索梦想蒙上了一层阴影。不过,科学家提出的最新计划,可以用最低的代价实现深空探索,最快可在2024 年登上编号为2008 EV5 的近地小行星,为人类登陆火星做好准备。

  
图:探测目标:小行星、火卫一和火星表面都是未来的探测目标。这是一幅艺术图,对火星卫星的描述有所夸张。

  戴蒙· 兰道是供职于NASA 喷气推进实验室的外层行星任务分析专家。他参与了最近发射的木星探测器朱诺(Junor )的轨道设计,同时帮助NASA 对宇航员有可能造访的近地小行星进行排查。

  内森·J· 斯特兰奇是NASA 喷气推进实验室的一位任务计划专家。 他曾是卡西尼-惠更斯土星探测计划导航小组成员,并与他人合 作设计了对土星、木星的引力制动探测线路。他也对未来载人航 天的发展蓝图做了很多工作。

  美国的空间政策正经历变革。NASA终止了航天飞机项目,接替它的“星座计划”也被叫停,轨道发射转向外包。这些变革的意图,是想让NASA回到自己最擅长的领域——充当拓荒的先锋,前往人类不曾去过的地方。但如何才能做到这一点?

  本文作者提出,工程技术人员应该想到,美国未来的空间政策依然是不可预测的,不能根据政策来制定计划。他们必须制定一些很有灵活性的任务,当政策有所变化时,太空任务也能随之调整。

  由离子推进器推动的深空探测器有望执行一些复杂任务,逐步实现绕月探测、类地小行星探测,最终完成火星探测。

  2009 年10 月,一群以摆弄机器人为乐,从事空间探索的“极客”聚在一 起,决定要做点出格的事:设想各种方案,把人而非机器人送入太空。我们这样做并非闲极无聊,而是受到奥古斯丁委员会的“召唤”。该委员会是美国总统奥巴马在2009 年初设立的,由很多一流科学家组成,他们的任务是对航天飞机及后续飞行器项目进行评估。结果,委员会提交的报告称:国的载人航天计划似乎难以为继。而与此同时,我们在机器人探测上却取得了很多令人兴奋的成果,探测范围从水星延伸到太阳系边缘。于是我们就想,能不能从技术上为美国航空航天局(NASA )遇到的政策和经费难题寻找一些解决方案。

  讨论现场就像穿越回了上世纪60年代的NASA,只不过不像当年那样,吸烟者众,烟雾缭绕。我们不停地交换意见,确定哪些可行,哪些是要尽量远离的泥沼。初步分析之后,我们和NASA喷气推进实验室(Jet Propulsion Lab, JPL)的同行举行了一次“午餐研讨会”,将散乱的想法和计算过程梳理了一番。接下来的几个月,不断有工程师和科学家对电推进方案表现出浓厚兴趣,并提出了一些建议,帮助我们完善方案。我们还了解了一些科学家正在开展的实验:从测试大功率电推进器,到设计轻质高效的太阳能电池板,不一而足。这些讨论引起了更大范围的思考,整个航天业界都参与进来。

  现在,我们已经在检验一些最有希望的方案,以便能制定出一个可行计划,最早在2024年,把宇航员送上编号为2008 EV5的近地小行星,为人类最终登陆火星做好准备。我们在制定方案时,是以NASA当前的经费预算为上限,并把整个任务分解成一系列“阶梯式”的小项目,让NASA有充分的自由度,根据经费多少来控制任务进程。一言以蔽之,我们的目的,就是要借机器人探测项目之力,来革新载人探测计划。从一大步转为一小步奥古斯丁委员会的报告引发了一场激烈的争论,尤其在是否将大部分载人发射任务交由私人公司完成这个问题上,争执达到了顶峰(参见《环球科学》2011年2月《启动太空经济》)。 NASA在转型后得以专注于技术革新,以便不断拓宽人类的探索边界。但问题是,如果没有了在阿波罗登月时期所拥有的政策支持和相关资源,辉煌不再的NASA将如何前行?

  机器人探测项目采用的是循序渐进的方式:开发一个技术组合,逐步实现这个庞大的探测计划。与朝着单个目标、非成即败的发展方式不同,机器人探测项目会联合使用多种技术,实现多个目标。当然,这个项目也曾遭遇失败和挫折,世上没有完美无缺的东西。但至少,当面对风云变幻的政治局面,或者技术革新停滞不前时,机器人探测不会因此流产。载人探索项目完全可以借鉴这种方式,它不需要像“阿波罗计划”那样,一下子踏出人类的“一大步”,而是走好每一小步,逐步前进。

  也有人认为,机器人探测项目带给我们的真正教益是“根本就不应该开展载人探索”。如果NASA的目标仅限于科学发现,用机器人探测器明显比宇航员更划算更安全。但NASA的任务不仅仅是科学,科学只是吸引人类探索未知疆域的众多因素之一。空间探索之所以广受关注,原因之一在于,普通人也梦想着有朝一日能身临太空,机器人不过是为我们进入太阳系打头阵的“先锋”而已——政府发起的载人航天任务是第二步计划,终极目标是要实现普通人也能坐上飞船,去太空闯荡他的未来。 NASA以前开发的技术,促成了今天的商业化“太空竞赛”,一些私人公司争相研制将宇航员送入空间站的载人舱,在莫哈韦沙漠(Mojave desert,位于美国加利福尼亚州南部)上试飞空天飞机(space plane)。现在,NASA可以腾出手来,考虑开发什么样的技术,能将我们带向更深远的太空。

  灵活至上

  我们推荐的方案包含三个基本原则。首先是走“灵活路线”,这也是奥古斯丁委员会所支持,并得到奥巴马和美国国会认可的方式。所谓灵活路线是指,筛选多个候选探测目标,而不必非要沿着从地球到月球再到火星这样的固定路线前进。我们可以先从较近的目标开始,比如说拉格朗日点(Lagrangian point,在这些点上,物体受到太阳、地球和月球的引力刚好达到平衡)或近地小行星(near-Earth asteroid)。

  灵活路线需要新的航天器技术,尤其是电推进技术的支持。我们建议使用太阳能驱动的霍尔效应推进器。“黎明号”探测器(Dawn,也译作“曙光号”)正是用类似的推进系统飞行至灶神星(Vesta,最大的小行星之一),而且还将在2015年飞临谷神星(Ceres,最大的小行星之一,新的分类系统中被升级成矮行星,参见《环球科学》2009年第3期《电火箭畅游外太阳系》)。传统的化学燃料火箭通过爆发式地向外喷出气体,得到强大但短暂的推力,而电推进引擎则是以细水长流的方式发射粒子束,推进力温和但持久。使用电力能源让引擎效率更高,所需燃料更少(好比一台丰田普锐斯混合动力车飞上了天)。但这种高能效是以低推进力为代价的,所以有些空间任务可能需要更长时间。这里有个对电推进常见的误解,就是认为它们对载人飞行而言太慢了。其实这个问题有很多解决办法,比如我们在2009 年的那次研讨会上就提出过一个想法,用电推进引擎将化学火箭预先布置在轨道的关键点上,宇航员出发后,可在沿途不断补充化学火箭。这样一来,整个任务既利用了电推进的高能效,又保留了化学火箭的速度优势。

  最重要的是,电推进法很省钱。由于飞行器不需要携带大量燃料,因此总发射质量能减轻40%~ 60%。一般来说,空间任务的费用与发射质量成线性正比,因此“瘦身”一半就意味着花费也减半。

  很多空间探索的狂热分子都想不通,明明有魅力无穷的火星,为什么要浪费时间和金钱去造访小行星。实际上,小行星可以作为我们迈向火星的中继站,在地球和火星之间的近地小行星带中,有上千颗这样的小家伙,为我们进入深层空间提供了各种跳板线路。由于小行星自身引力很弱,在上面降落所花费的能量比在月球或火星上登陆要少得多,这样就不必再设计一套设备,用于登陆和再发射——毕竟,筹划一次为期6 ~ 18 个月的长途行星际探索,就已经很让人头疼了。

  在我们看来,通过小行星探测项目,我们有机会解决人类星际征途中最复杂、一直没有得到解决的问题:在零重力环境中,如何让宇航员的身体机能不发生衰退,不受到宇宙射线的伤害(参见《环球科学》2006年第4期《宇宙射线:星际旅行终结者?》)。NASA首先要知道如何应对宇宙空间的残酷环境,然后才能更好地设计出登陆火星所需的飞行器。

  对于目前科学家感兴趣的几个小行星,如果宇航员乘坐功率为200千瓦的电推进系统,可在半年到一年半的时间里抵达。由于国际空间站的太阳能电池阵列的输出功率为260千瓦,因此以当前的能力来看, 200千瓦的电推进系统是比较合理的方案。这类任务能突破深层空间探索的技术壁垒,为 2年或3年期的探索任务以及开发600千瓦的推进系统奠定坚实基础,而这些条件正是火星之旅所需要的。

  我们的第二个基本原则是,NASA不必像上世纪60年代那样,为每项任务都构建一套全新系统。有些系统确实需要开展新的研究,比如如何防止宇航员受到零重力环境和宇宙射线的伤害。但其他系统,都可以借用现有的空间探索设备。深层空间飞行器可由几个单一功能的部件组合而成,比如主体结构、太阳能阵列和生命维持系统,而这些都可直接采用空间站上的现有设计。同时,还有很多擅长某项技术的私人公司和其他国家的航天机构也可以助NASA一臂之力。

  第三个基本原则是,构建一个稳健的发展模式,即便某个环节出了问题或不能按期完成,整个项目仍能保持前进的态势。这条原则尤其适用于美国国会实行的空间政策中最有争议的一个环节:开发能将宇航员和探测器从地面直接送入轨道的运载设备。美国国会已经责成NASA建造新一代的大推力火箭,也就是空间发射系统(Space Launch System,SLS),而NASA则在2011年9月宣布,将逐步完成此项目:首先建造小一些的发射系统,推力为阿波罗计划中“土星五型”火箭的一半,然后以此为基础,逐步建造推力更大的系统,直到超越“土星五型”。第一个SLS发射系统配以目前已经投入使用的猎户座(Orion)载人舱,能在三周内将宇航员送入月球轨道及地月系的拉格朗日点,但要想再向外扩展,就必须设计新的系统。

  幸运的是,探索深层空间无须等待SLS完全建好之后才开展,现在就可以从生命维持系统和电推进系统着手准备,这些都是突破月球轨道所必需的前提条件。优先发展这些项目,能让NASA在研发新型火箭的过程中更好地修正SLS的设计,让它更适合深空探索任务。甚至,上述组件还可以根据商业或国际发射平台的发射能力进行设计,然后利用这些平台,将组件送入地球轨道,并在轨道上组装,就像国际空间站和米尔空间站(Mir Space Station)那样。利用好现有火箭,也能推动航天事业向深空进发。因此,只要灵活运用各种技术,NASA就可以在经费紧缩的条件下,开展更多探索项目。(撰文戴蒙· 兰道/内森·J· 斯特兰/翻译庞玮)

  注:本文为《环球科学》2012年第1期文章

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