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2024 :登陆小行星

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:13

    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:美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。

    我们提出了很多想法:用离子引擎运送各种组件,建设月球基地;用无线电给火卫一(Phobos)上的机器人漫游车输送能量;给国际空间站(ISS)装上大功率霍尔效应推进器(Hall effect thruster,离子引擎的一种),把它送到环火星轨道上去;事先在行星际轨道沿途设置化学燃料火箭,以便宇航员路过时使用;用如同《2001:太空漫游》中的探索艇取代宇航服;捕获很小的小行星,把它们送到空间站,供宇航员研究,这样就不用将宇航员送上小行星了。挤干“水分”后,我们发现,利用离子引擎之类的电推进方式,能显著降低针对小行星和火星的载人探索任务所需的发射负载。

    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。

    2024 :登陆小行星

    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。

    2024 :登陆小行星

    2024:登上2008 EV5

    按照我们的计划,NASA的“复兴”当从建造深空飞行器,实现行星际旅行开始:以太阳能离子引擎为动力,一个旅行舱为宇航员提供安全庇护所。深空飞行器最基本的框架应当由这两个模块组成,而每个模块可用最小型的SLS火箭通过单次发射送入地球轨道。或者也可使用商用火箭,分三次发射送入地球轨道:两次分别运送两个模块,第三次为组装和探索任务提供给养。

    深空飞行器组装完成后就是首航,不过本来应当激动人心的首航行程反倒是最无趣的:空载的飞行器将用两年时间,在远程控制下,沿着一条螺旋轨道,从近地轨道经过范艾伦辐射带(Van Allen radiation belt)慢慢爬升到远地轨道——虽然这段旅程对于宇航员来说并不难,但耗时太长,辐射危险太大。接着,飞行器到达地球引力场边缘的预定位置,距离行星际空间仅一步之遥,在这里飞行器可通过掠月飞行或其他机动方式调整轨道,以便用最佳状态脱离地月系。此时,宇航员方才登场,乘坐小型化学火箭登上飞行器。

    作为测试飞行,宇航员将驾驶飞行器进入月球静止轨道,基本上悬停在月球南极上方。然后,他们可以操控一队机器人探测器,勘探艾特肯盆地(Aitken basin)中永远不见光明的陨石坑,调查坑中古老冰层的分布情况。由于这里离地球很近,只有几天的行程,这样就可以安全地考察各种技术条件是否能达到长期深空探索的要求。宇航员返回地球后,飞行器将停留在远地轨道,补充燃料和其他补给,准备重新启程,首次踏上奔赴小行星的征程。

    对于这类任务,我们已经作过很多调查。在有些任务中,科学家希望把宇航员送到比月球稍远的小型天体(直径小于100米)上,并在6个月内返回地球;还有些科学家则想来次大手笔,把宇航员送到接近火星的较大天体(直径超过1 000米)上,在两年内返回地球。始终只考虑那些简单任务会阻碍技术的发展;反过来,如果执著于完成某项非常困难的任务,则有可能竹篮打水一场空,所以我们决定不走极端,采取了中间的策略,设计了一个一年内返程的任务,起航时间定在2024年,任务目标是登陆小行星2008 EV5,并在该行星上进行为期30天的考察。2008 EV5的直径约为400米,属于C型含碳小行星,是很多行星天文学家感兴趣的小行星类型,因为这类小行星可能是太阳系形成时的残留物,或许还保留着形成地球生命物质的原始材料。

    前往2008 EV5最有效的手段就是利用地球本身的引力场,这是宇航学中的一个惯用手段,被称为奥伯特效应(Oberth effect),整个过程就是机器人空间探测器常进行的入轨机动飞行(orbit-insertion maneuver)的反演。首先,宇航员给月球轨道上的深空探测器装备一支大推力的化学火箭,此火箭可由电推进补给装置,从地球轨道运送到月球轨道指定位置。装备好火箭后,宇航员启动探测器,让它从月球轨道向地球作自由落体运动,当要到达地球大气层时,探测器会获得极高的速度,只要掌握好时机,点燃火箭,探测器就能在几分钟内摆脱地球引力。整个过程的关键在于,要在探测器高速掠过地球时再点火推进,因为火箭推力一定的情况下,飞行器获得的速度增量取决于已有的飞行速度。利用奥伯特效应,可以让化学火箭的效率超过离子引擎,但它需要在短时间内产生极大的推力,这样才能充分利用地球引力的“弹弓效应”,而这只有大推力火箭才能做到。结合离子引擎的螺旋轨道推进和化学火箭的奥伯特效应,脱离地球引力所需的燃料能比纯化学推进方式少40%。

    一旦宇航员摆脱了地球引力场的控制,霍尔效应推进器就有了用武之地,它可以稳定持续地将探测器送达最终目的地。这种持续推进的方式让离子引擎本身就具有一定的灵活性,无论探测项目进行到哪个阶段,只要出现问题,科学家就可以立即启用应急方案(日本的机器人小行星探测器“隼鸟号”正是借助离子引擎,才得以在数次事故中恢复正常)。比如,如果因为技术或资金问题,探测器无法按时到达2008 EV5,我们就可以中途更换目的地;如果发现高效推进器在深层空间很难补给,那就切换到低效推进器,及时修正探测方案。在我们的设计方案中,一切都是灵活多变的。

    从小行星到火星

    按计划,宇航员将在小行星表面进行一个月的探索,但他们不一定要穿宇航服,而是可以像深海探测一样使用探索艇。本质上,宇航服就是一个充气的大气球,穿着它,宇航员的每个动作都要克服内部气压的影响,使得舱外行走显得异常困难,大大限制了宇航员的任务范围。相比之下,一艘配备机械手的探索艇不仅能避免上述问题,还能为宇航员提供日常活动的空间。驾驶这样的小艇,宇航员能外出数日而无须返回探测器。NASA已经开始研发名为空间探测器(Space Exploration Vehicle,SEV)的、能用于小行星勘测的探索艇,这种小艇还可以进一步改装成适用于月球和火星表面的漫游车。

    在这一个月内,宇航员将对小行星进行全面勘察,寻找特殊矿藏和合适的地点,看能否挖掘到可以反映太阳系形成初期情况的样品。NASA希望派出的宇航员兼有探险家印第安纳•琼斯(Indiana Jones)和王牌飞行员斯科特的素质——既有深厚的科学背景,可从行星的尘土中鉴别出珍贵样品,又有工程师的技能,可镂月裁云,解决探测任务中的各种问题。

    30天的勘察完成后,离子引擎会将深空探测器推离小行星,进入为期6个月的返航轨道。在到达地球的前几天,宇航员进入一个载人舱,与母船分离,然后控制载人舱返回地球。深空探测器本身则停留在绕日轨道上。它将在轨道上进行一次掠地飞行并不断减速,降低相对于地月系的动能,这样,它绕日一周重新接近地球时,就可以通过掠月飞行再次进入远地轨道,等待下一次任务。通过这种方式,探测器上的离子引擎和生命维持系统都能重复使用。

    通过几次一年期的小行星探测任务,科学家可以不断改进生命维持和防辐射系统,最终为飞向火星铺平道路。首次火星飞行不一定要在火星上着陆,可能先会探测“火卫一”和“火卫二”,其实这还是相当于一次小行星探测任务,只不过时间延长到两年半。千里迢迢飞向火星,最后却不在火星上着陆,看起来似乎有些傻,但在火星上着陆会让这个任务变得极其复杂。因此,在踏上这颗红色行星之前,首先登陆火星卫星,可让宇航员熟悉行星际航行,以便能更好地完成探测任务,并安全返航。

    工程人员提出了多种策略,让火星登陆任务能以最低的成本,获得最大的灵活性。其中,最紧迫的任务莫过于预先在火星上设置一个生活及探索基地,为宇航员的登陆做好准备。这样的设施可以用慢船(离子引擎)运送过去,运抵火星后它可以自己生产燃料,比如通过收集火星大气中的二氧化碳,与自地球携带去的氢气混合,生产甲烷和氧气,或更简单地通过电解水来产生液态氢和氧。如此一来,只须运送一支空的返程火箭去火星,燃料可以就地灌装,大大减少整个任务的发射质量。

    地球与火星间有相对运动,在两颗行星再次会合之前,宇航员有一年半时间停留在火星上,可以进行充分的探索。任务结束后,他们会登上已经就地灌装好燃料的发射舱,发射到火星轨道,与来自小行星空间基地的深空探测器对接,然后乘坐后者返回地球。深空探测器甚至可以固定在一条轨道上,来回在地球和火星间运行,利用引力弹弓(gravity slingshot)效应运行,几乎无需燃料。

    即便预先在火星上安排好补给,在火星着陆和返回地球时也需要极大的火箭,得用最大的SLS发射装置才能运抵火星。不过,对于首次深空探测任务,所需设备可用一些小型部件组装起来,用最小的SLS火箭,甚至现有的运载火箭就能完成发射。我们提出的这种步步为营的发展策略,使得深空探测项目极具弹性,这样NASA就可以集中精力,解决如何防辐射等最困难的问题。

    现在,NASA拥有一个绝佳的机会,可以重新专注于研制新型空间探测器,以迈向行星际空间。空间探索最大的障碍不在于技术,而在于如何选择合适的策略,以尽可能小的代价,取得尽可能多的成果。如果NASA采取逐步推进的技术发展路线,制定步步为营的任务策略,载人航天就能在40年之内突破近地轨道,进入前所未有的辉煌时期。只要策略正确,NASA就能打开通往行星际空间的“窗口”。

    撰文 戴蒙•兰道(Damon Landau) 内森•J•斯特兰奇(Nathan J. Strange) 翻译 庞玮

    本文来自《环球科学》(《科学美国人》中文版)2012年第1期,转载请注明详细出处。

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