空间科学：一路搭乘
Lee Billings　文　Shea　编译
	可重复使用的商业火箭不久就能带科学和游客进行亚轨道空间飞行。这些飞行器是必不可少的研究工具还是一个成本高昂的死胡同？ 　　2011年2月24日随着美国宇航局（NASA）的“发现”号航天飞机咆哮升空，其主引擎的低声轰鸣和固体火箭推进器断续的喷射声贯穿了美国佛罗里达州中部的田野，渐远渐轻。从65千米外奥兰多一家旅店的露台望去，火柱似乎是在默默地上升，它是一个过往时代的无声象征。“发现”号正在执行它的最后一次任务；在整个航天飞机计划永远终止前还仅剩下两次飞行。在1961年5月5日宇航员艾伦·谢泼德（Alan Shepard）首次完成了为期15分钟的空间飞行之后50年，美国载人空间飞行的经典时代即将画上句号。 　　在“发现”号发射之后3天奥兰多旅店的酒吧里，两个行星科学家正在和一群研究人员谈论下一步该怎么办。抿了一口酒，丹尼尔·杜达（Daniel Durda）痛惜道，在半个世纪之后只有大约500人飞入过太空。通往人类最后的前线的道路仍仅限于那些被一小部分强大的政府和企业所雇佣的人，再加上偶尔搭车兜风的百万富豪们。“我更想看到任何人可以以他们任何的理由前往太空，”美国西南研究院（SwRI）的杜达说。 　　他的同伴、也来自SwRI的凯瑟琳·奥尔金（Catherine Olkin）表示同意。“我们正在做的是下一步，”她说，“这里有巨大的机会，不仅仅是为了科学，而是为了每一个人。” 　　这里所说的下一步正是把所有这些人招集起来所召开这个会议的主题。近年来大量的商业公司开始设计制造火箭来把仪器和付费乘客送入超过100千米的高空——越过了地球大气层的边缘进入了太空，这催生出了第二届下一代亚轨道科学家年会（NSRC）。“亚轨道”是指飞行器在再一次返回地面之前不会进入环绕地球的轨道，但仍能为科学家提供宝贵的数分钟以便在没有大气干扰的情况下进行天文观测或者是在没有重力的环境中研究物理过程。 　　确实，与会者已经在议论SwRI为为期4年的亚轨道科学计划提供130万美元预算的新闻了，这比钱中有一部分将用于为杜达、奥尔金以及SwRI主管研发的副院长助理艾伦·斯特恩（Alan Stern）预定乘客座位。如果一切如计划地进行，这三名科学家将会在2013年中完全像宇航员那样飞入太空。 　　到目前为止，SwRI是做出这一决定的唯一研究机构，因此与会者对此的争论都很谨慎。还没有一个主导的亚轨道公司把它们的飞行器送入太空并返回。而未来亚轨道飞行的票价会达到大约100,000～200,000美元，但这却只能在大气层之外为科学家提供不超过5分钟的失重悬空时间。对于大多数的数据收集需要来说，只有通过无人火箭发射自动化设备才是可行的。因此，许多空间科学家对于商业亚轨道空间飞行的实用性仍半信半疑，尤其是对于那些需要人来操作的仪器设备。 　　不过这些怀疑者中鲜有前往奥兰多会议的，那里的主流是乐观的。和其他相比，斯特恩更好地把这种感觉具体化了。当晚他没有出现在旅店的酒吧里，因为他正忙于和发射公司的经理商谈——更别说为主持分组会议、作大会报告和召开新闻发布会做准备了。 　　作为美国宇航局前往冥王星的新视野任务的首席科学家和NASA科学任务理事会的前任主管，斯特恩有着能让大事成真的名声，这其中就包括了由他和杜达帮助组织的NSRC本身。他常常把尚处于新生状态的亚轨道业和商业飞行以及个人计算机的早期相比。最终，当《自然》杂志的记者在第二天采访他时，他解释说：“空间计划不再会被NASA一方执掌，之前只有它有航天飞机的钥匙，所有人都不得不用这个系统。现在只要能出得起钱任何人都能上太空，这会带来许多创新和许多变化。这就像美国当年的闯荡西部。” 　　讽刺的是，这个“一方执掌”的计划几十年来一直依赖于私人的火箭。绝大多数的通讯卫星甚至是保密的军事载荷都是用商业发射载具送入轨道的。类似地，无人商业亚轨道飞行也已极为寻常，不同公司市场化的“探空火箭”可以在太空中进行实验和测量。 　　问题是这些发射载具十分昂贵，只有政府和大型通讯公司才能负担得起。导致这一高昂成本的原因之一是这些火箭是消耗品，只能使用一次。20世纪70年代，NASA通过研发可部分重复使用的航天飞机试图来削减这些浪费。但实际上，可重复使用的优点却被建造一个能抵御发射和再入时应力并能准备好再次飞行的航天器的工程技术困难所抵消。航天飞机的飞行成本被证明极其的高昂。 　　现在，随着航天飞机退役临近，NASA正在试图再一次降低发射的成本——这一次是通过鼓励私人企业来研发更廉价的火箭和载人密封舱来前往近地轨道。例如，在2011年4月NASA为4家公司提供了2.69亿美元，其中之一的SpaceX公司已经成功发射了“猎鹰”9号火箭，后者在2010年6月首次进入轨道。 商业公司 　　然而，更多的人力物力会暂时会集中在亚轨道领域，其成本更低、潜在的顾客也更多。亚轨道竞赛始于2004年，当时试飞员麦克·梅尔维尔（Mike Melvill）两次驾驶一架由私人研发的可重复使用飞船——太空船一号——从美国加州的莫哈韦爬升到了超过100千米的高空。之后不久，这艘飞船的设计师伯特·鲁坦（Burt Rutan）和企业家理查德·布兰森（Richard Branson）合伙创立了维珍银河公司。该公司目前正在研发太空船二号，后者可以让6名乘客做110千米高的亚轨道短途旅行，每个座位的售价为200,000美元。 　　许多其他新兴的公司紧随其后，其中有许多都植根于计算机和互联网企业，这是太空梦和赚钱的高科技产业之间共生的证明。这些公司包括了由电子游戏《毁灭公爵》和《雷神之锤》背后的计算机图形奇才约翰·卡马克（John Carmack）管理和资助的犰狳宇航公司、由杰夫·贝佐斯（Jeff Bezos）通过创建亚马逊网站（Amazon.com）所获得的部分资金所建立的蓝色起点公司、由前信息技术网络教主戴维·马斯腾（David Masten）创立的马斯腾空间系统公司以及由帮助研发英特尔奔腾计算机芯片技术的工程师杰夫·格里森（Jeff Greason）领导的XCOR宇航公司。 　　这些企业家预期亚轨道飞行最有利可图的应用是太空旅游业，但是游客的观光飞行至少在一年甚至可能两年之内都还不会开始。同时，为了充实发射旅客名单并且为无人测试飞行提供补助，各个公司已经开始向研究机构、政府机构和想在亚轨道空间进行科学实验的、独立而富有的科学家大献殷勤。所有这5家公司都派代表去了今年的NRC，希望能接洽更多像SwRI这样的客户。SwRI已经购买了总共8个亚轨道飞行的座位，另有9个供选择。它们分别划归维珍银河的太空船二号和XCOR的“天猫”号。 　　对于奥兰多的这些与会者而言，他们似乎每个人都渴望登船上天。天文学家谈论着把望远镜送出大气层以便在中红外波段上寻找月球上的水并且观测行星、彗星和小行星。行星科学家则详述了用微重力实验来研究作为行星建材的尘埃的碰撞。大气科学家则讨论了对“未知层”进行采样。未知层是高层大气中尚未被探测的区域，那里位于气象气球可及的高度之上，但又位于卫星之下。材料科学家则期望能研究微重力会如何对燃烧等过程产生影响。 　　但科学家个人的热情是一回事，让他们工作的研究机构为此买单则是另一回事。例如，NASA已经与犰狳宇航公司和马斯腾空间系统公司签订了合同，为携带工程设备的7次飞行支付了近500,000美元。但NASA还没有批准为亚轨道飞行乘客购买座位——犰狳宇航公司和马斯腾空间系统公司目前主要力主无人飞行，它购买的这些飞行中没有一个会真正进入太空。计划能达到的最大高度大约是40千米。 　　为了销售乘客的座位，这些发射公司将不得不说服决策者，他们可重复使用的载具对于业已存在的进入无重力空间环境的方式具有显著的优势。每次只要花几万美元，科学家就能预定为客户量身定做的飞机。这架飞机会沿着一系列的抛物线飞行，在每次总共5～10分钟的飞行中提供30秒的微重力。或者干脆大手笔花1～2百万美元，科学家可以把自动化设备装到探空火箭上，它可以提供远在地球大气层之上的多达20分钟的微重力。 　　新的商业载具在能力上各有不同，但总体上介于以上现有的两种选择之间：它们可以去往30千米到100千米之间的高空并且提供3～5分钟的失重时间。 　　斯特恩和其他支持者相信，可重复使用的太空载具在太空中逗留时间较短可以由它们较高的发射频次来弥补。“作为一个首席科学家，我花了近十年的时间来才用了7次NASA的探空火箭，但SwRI将会在一年内在进行8次飞行任务，”斯特恩说，“维珍银河每天将会飞行6架次；XCOR则为每天4次；蓝色起点公司说它将每周飞行一次。这会给予我们前所未有的进入太空的机会。” 人类元素 　　但考虑到其中的风险性和复杂性，这些实验真的需要有人同行吗？“有人参与的优势在于两方面，”斯特恩说，从20世纪60年代NASA的阿波罗计划起载人空间飞行的支持者也提出了相同的论点，“首先，你不再需要为实验自动化支付费用。其次，这也意味着你可以很容易对数据采集做出实时的调整，让你的实验获得更好的结果。” 　　为了彰显这些优点，SwRI的研究人员正在筹划3个容器实验。第一个是“岩石盒”，它是一个装有岩石碎片和陶瓷砖块的透明容器，用来模拟松散的物质是如何停留在表面重力很小的小行星上的。另一个则将利用一架于1997年在航天飞机上使用过的紫外望远镜来从舷窗观测天体和高层大气现象。最后一个则是使用一个生物甲胄来监测和记录下乘坐不同载具的乘客其血压、心率和其他生理参数会有什么变化。 　　NASA科学任务理事会的首席科学家保罗·赫茨（Paul Hertz）仍表示怀疑。他对于可重复使用亚轨道载具的科学前景很乐观，但对于人在亚轨道实验和天文观测中的优势作用感到缺乏说服力。“因为这些飞行持续时间相对较短，到时候你恐怕不能照本宣科，只能随机应变”他说。 　　美国约翰·霍普金斯大学的天文学家斯蒂芬·麦坎德利 （Stephan McCandliss）同意，座位和生命维持系统的重量是一笔巨大的开销。麦坎德利已经利用探空火箭进行紫外天文学实验超过20年了。他说，比较之下新的可重复使用系统能做的相形见绌。 　　“探空火箭极有价值，”斯特恩承认，“它们飞得更高，有更先进的指向系统，还可以携带商业可重复使用载具无法携带的载荷。但后者飞行的频率要高得多，成本也只有探空火箭的十分之一到二十分之一，还可以把科学家和仪器一起搭载上天。这是一场关于吃饭是用叉子和勺子的争论——它们用于不同的目的。” 　　前航天飞机宇航员、现为美国空间望远镜研究所副主任的约翰·格伦斯菲尔德（John Grunsfeld）也对新的载具会比探空火箭更好表示怀疑，不过他也承认可重复使用系统会提供全新的科学机遇。 　　“它真正的科学潜力并不一定在于这第一批的载具，而在于它们的未来，届时载人的商业载具会频繁地进行持续时间更长的飞行，甚至进入地球轨道，”格伦斯菲尔德说。现有的进展可以促进对未来科学的想象，不过这些项目也许无法通过政府部门和主要学术机构的同行评议。当然，格伦斯菲尔德很谨慎：“这些科学项目的价值仍需拭目以待。” 　　对于斯特恩来说，经常性亚轨道空间飞行的价值不应该仅仅用所获得的经费和发表经同行评议的论文来考量。在NSRC一个分会的演讲中，他告诉听众，他们不应该为他们对亚轨道科学的兴趣主要来源于他们对空间飞行的渴望而感到羞愧。 　　“我认为大多数科学家并没有很好地认识到载人空间飞行需要多大的激发性，”斯特恩，“从事科学研究是很难的——世界上有能让你赚到更多钱的更容易的职业。但每一天当老师和研究人员走入教室和学生们谈论个人进入太空的经历时，它会起到真正的效果。通过催生这个新的行业并利用它所带来的机遇，我们可以引领未来。” 　　这番话在NSRC似乎引起来了共鸣。在分会间和之后，有关亚轨道科学的讨论常常演变成了鼓励下一代的科学家去做大事——把人造卫星巨大太阳板上的能量发回地球、探测小行星、殖民月球、前往火星。的确，对于聚集在会议室和旅店酒吧中的大多数科学家而言，民主化亚轨道飞行的前景似乎仍是一张白纸，他们可以为它画上他们目前自己的计划以及未来人类向太阳系其他地方扩张的梦想。 　　“许多人不愿意谈论更大的远景，他们也许并不总能清晰地表达出为什么他们会选择这条道路，但他们中的许多人所想的是参与其中让未来成真，”XCOR宇航公司的首席执行官格里森说，他也不例外，“我涉足这个行业的原因是它具有开启一个很长很长时代的潜力。”
[Nature 2011年5月4日]

2001-2013 火流星工作组制作


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