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人類航天下一步:是定居太空還是科研旅行 能否在火星上生活?

中國新聞周刊2021-07-04 07:40:201閱

人類航天下一步

“是的?!北葼枴つ釥柹敛华q豫地回答。

2021年6月,中國運載火箭技術研究院院長王小軍在全球航天探索大會上表示,中國的火星探測任務,第一步是機器人火星探測,包括采樣、基地選址和原位資源利用等;第二步是初級載人探測,目的是載人火星著陸和基地建設;最后一步是航班化探測,并建立地球-火星經濟圈。其中,第一次初級載人探測任務的計劃出發時間是2033年。

《自然》雜志2009年進行的一項調查顯示,年輕一代受訪者對NASA的支持程度遠不如上一代人。接近80%的45歲以上受訪者認為自己受到“阿波羅”計劃的感召,但只有不到40%的34歲以下受訪者表達出相同的情感。

“如果一切順利,NASA

俄羅斯“和平號”空間站。圖/IC

NASA宣稱,美國的火星探測已經從最初的“尋找水源”、本世紀初的“探索宜居性”走向了“尋找生命跡象”,但尚未實現人類在火星登陸。半個多世紀前,美國航天先驅馮·布勞恩擬定的登陸火星計劃中,月球基地及中繼空間站是不可或缺的一環。漢德伯格指出,科學、政治都是NASA尋找經費的托辭,之所以要維持近地軌道項目或月球任務,其真實目的還是為火星探索鋪路。

這是延續戈爾丁為NASA事業找到的另一項使命:與俄羅斯航天機構合作,成為世界兩大軍事強國合作的壓艙石。1991年蘇聯解體,俄羅斯繼承了90%的航天業資產,但分布于其他加盟共和國的配套工廠多倒閉或轉型,包括暴風雪號航天飛機在內蘇聯重點項目被迫暫停運作,人員嚴重流失。到1994年,俄航天業從業人數已減少35%,其中專家流失50%。

到2020年底,各國宇航員已經在國際空間站進行了3000多項實驗,但前述兩個目標最終沒有實現,航天器被證明未必是合適的實驗場所。專家指出,太空實驗的優勢是進行需要零重力環境的研究,但零重力并不存在,地球軌道上的任何物體在其結構內部都有微重力最低的位置。那些為太空競賽設計的航天器,其微重力最低的位置無法進行實驗。

博爾登對《中國新聞周刊》介紹,NASA目前的解決方案,是通過研發SLS這樣“更快更強大”的重型運載火箭,保證以足夠高的效率把宇航員從地球送上火星,這樣人類暴露在太空輻射及微重力中的時間就會短得多。

博爾登也承認,利用空間站最重要的科研成果,就是為火星旅行積累數據。一些具體系統如何在太空中工作和交互,目前尚無法在地球上模擬。而了解宇航員的免疫系統在近地軌道上受到抑制的原因和方式,可以幫助科學家在地球上開發更好的藥物,以應對火星旅程中可能出現的健康問題。

此外,即使在空間站,人類活動的空間也很狹小,不論是宇航員還是維持宇航員生活所需的系統設備,都會制造破壞精密實驗的振動。而改造空間站,將實驗與人類及干擾設備隔離,又得需要一筆昂貴的成本。尋找暗物質粒子的阿爾法磁譜儀(AMS-02)最初設計成本為3300萬美元,當NASA決定將其安裝在空間站外后,其最終成本突破了20億美元。

然后再登上火星

博爾登回憶,美俄航天合作最大的意義是證明了“雙軌制”有效,即雙方航天機構可以在雙方政府處理外交難題時依然保持密切的科研合作。但美國國會則認為,“雙軌制”意味著航天合作并沒有促進雙邊關系的改善,反而使俄羅斯保有了強大的空間影響力。

“NASA一直在向近地軌道和月球之外的空間探索邁進,但這將是長期的問題?!辟Y深航天專家、美國中佛羅里達大學教授羅格·漢德伯格對《中國新聞周刊》介紹,“太空的危險導致當前研究的一系列困難,輻射、微重力等因素使遠距太空旅行極其危險,但目前人類還沒有解決方案?!?/p>

如果NASA能實現博爾登所言的技術突破,意味著近地軌道空間站及月球基地不再有“中繼站”作用。在最近的一次商業太空峰會上,“太空冒險”公司軌道飛行項目副總裁法拉內塔就指出,這意味著人類未來可能不經由空間站去火星?;鹦菂f會主席、先鋒宇航公司總裁羅伯特·祖布林則強調,NASA應該專注于這種直接到達火星的方案,而不是在近地軌道或月球上從事建設空間站等“平凡的工作”。

將用數十年時間讓人類重返月球

停止本國航天飛機運行,除了成本,也有政治考量。NASA曾提議由美國商業公司以單次2000萬美元左右的成本運載俄羅斯宇航員前往空間站,而美國政府依然按每次5000萬美元的價格從俄羅斯購買航天飛機服務。

“當前任何尋求社會公眾對外太空探索持壓倒性支持態度的人,都要等很長一段時間?!辈柕钦f。漢德伯格則感慨,“在航天領域開啟一個項目,然后進度延遲、成本超支,然后繼續,這樣的好日子早已過去了——除非太陽系突然出現‘小綠人’(外星人入侵)?!?/p>

當地時間6月23日,美國國家航空航天局(NASA)新任局長首次接受眾議院質詢,試圖通過強調“中國威脅”獲取國會預算支持。

目標雖然宏大,但預算與周期是模糊的??夏岬闲嫉窃鲁兄Z時,NASA尚未制訂登月計劃。尼克松政府決定開啟航天飛機項目時,同樣沒有給出明確方案。啟動相對較晚的近地軌道空間站項目給出的成本評估是80億美元,后來國會意識到,這既沒有考慮發射成本,也忽略了每年超30億美元的運營成本。

NASA最初只計劃將人類送上脫離近地軌道的月球軌道,但在肯尼迪的指示下將目標定為“登上月球”。原定計劃的下一步任務是建立近地軌道空間站和月球基地,并通過可以反復使用的航天飛機連接地球與太空,以保證宇航員在外太空能夠長期停留,并前往更遙遠的星球。

雖然拜登政府強調NASA要更多參與氣候變化科研工作,相關經費單獨撥款,不擠占原有任務,但尼爾森正試圖將NASA有限的經費聚焦于火星項目,包括計劃結束一項天體物理學的平流層觀測項目,每年節約8500萬美元的經費。此前曾多次在競標中輸給近地小行星觀測項目的金星探索項目也首次得到認可,NASA將派出探測器繞金星軌道飛行并登陸,探究該行星的氣候變化及海洋演化,并考察期是否比火星更“宜居”。

發于2021.7.5總第1002期《中國新聞周刊》

2019年到2020年,因為阿爾法磁譜儀的冷卻器損壞,三名宇航員在空間站外進行了四次、總計25個小時的太空行走,才完成了“自哈勃望遠鏡以來最復雜的修復工程”。

按尼爾森的說法,100億美元新增預算,將全部用于繼續推行特朗普政府時期的登月計劃,以尋求在未來十余年內實現“年年載人登月”。但在漢德伯格看來,尼爾森只是想保障NASA正常預算不被進一步削減,而非真的要增加資金投入。其根本原因是,冷戰之后,“除火星外,國會不會為NASA傳統的空間項目提供額外資金,特別是近地軌道和月球項目”。

“中美是在進行太空競賽嗎?”

但是,很少有機構向公眾解釋“登上火星后會怎樣”,特別是三個具體問題:人類探索太空的目的究竟是什么?是定居太空還是進行科研旅行?人類又為什么要定居太空?1988年美國國會修訂NASA授權法案時,曾要求NASA每兩年提交一份報告,以說明“推動人類的外太空長期生存”的新進展,但該報告事實上只編寫過一次就再未更新。

近地軌道和月球項目均始于冷戰時期。1957年,蘇聯發射世界上第一顆人造衛星;不到半年,時任美國總統艾森豪威爾組建NASA。1961年4月,蘇聯航天員加加林進入太空;一個月后,時任美國總統肯尼迪在國會承諾“將在十年內登月”。此后直到上世紀80年代末,美國每一份主要太空政策文件都將“保持航天領導地位”作為首要目標。

1992年,美俄簽署太空探索合作協議,雙方宇航員都被允許接納為對方航天飛機和空間站的成員。1994年,雙方決定共同建設國際空間站。自1998年投入使用以來,該空間站已經接待了來自19個國家的200多名宇航員和研究人員。

太空競賽緩和后,NASA的預算一砍再砍。1966年,NASA的預算占聯邦預算的4.5%,到1975年下降到1%,近些年則下降到0.5%。不過,NASA堅持保留以空間站為代表的近地球軌道任務及以登月為代表的月球任務。如博爾登所言,研發一旦暫停,不僅會被后發國家超越,也難以基于此實現火星任務目標。但本世紀以來,NASA在近地軌道空間站與登月任務間,只能“二選一”。

相較于中美之間的“隔閡”,中國同其他國家的航天合作卻日益緊密。中國載人航天工程辦公室同聯合國外層空間事務辦公室保持著密切聯系,邀請其他國家利用中國空間站開展實驗,首批入選項目來自瑞士、波蘭、德國、意大利、挪威、法國、西班牙、荷蘭、印度、俄羅斯、比利時、肯尼亞、日本、沙特阿拉伯、墨西哥、秘魯等16個國家的23個機構。聯合國外層空間事務辦公室主任西莫內塔·迪皮波稱,中國的舉措有力促進了載人航天國際合作,使更多國家有機會參與載人航天技術研究。

但‘不能設定一個確切的期限’”

國際空間站涉及歐洲、俄羅斯和日本的航天機構,NASA設計的多種商業參與模式未得到其他各方的一致支持。圖/IC

王小軍透露,中國在機器人火星探測階段采用大型或重型運載火箭,直接將探測器發射至地火轉移軌道;但在初期載人探測階段采用核電核熱推進組合、人貨分運,先在近地軌道組裝探測器,再從高橢圓軌道出發。遠期規劃則是采用核動力一體化運輸模式,從地球空間驛站等基地出發,選擇地火循環軌道,并在地火循環軌道上布置轉移飛行器,轉移飛行器的推進劑由地面或空間加注站補給。

但不能自給自足,如果人類可以在火星生活,那么火星適合作為科研基地。問題在于,中美兩國的無人探測器都已登陸火星,五個國家的航天器在繞火星軌道飛行,NASA的工程師已經開始研究“無人空間站”的可能性。尋找、采集化石的工作,可以由機器人完成,人類未必有冒險登陸的必要。而如果人類可以在火星自給自足地生活,但又總是要回到地球,那么火星將成為資源基地。只有當前述三個問題都得到肯定回答時,火星才會成為“殖民地”,實現人類在太空長期生存的目標。但在未來很長一段時間內,沒有人能給出三個肯定回答。唯一可以確定的是,火星并不“宜居”。

本刊記者/曹然

火星之后會怎樣?

盡管尼爾森近期仍充滿信心地表示“拜登和大多數美國人一樣,對太空飛行非常著迷”,但博爾登對《中國新聞周刊》說,他不確定大多數美國民眾是否真的還強烈支持NASA進一步探索太空。

火星,太陽系中最近似地球的天體,每日時長幾乎與地球一致,有類似地球的四季交替,也有液態水。上世紀60年代以來,人類探測器跨越5000多萬公里不斷接近火星,但最初十年三分之二的觀測任務都以失敗告終。1971年,蘇聯火星三號(Mars 3)成功軟著陸,在火星表面發出14.5秒信號后失聯。1976年,美國海盜一號成為第一個登陸火星并向地球發回照片的探測器。2021年5月15日,祝融號登陸火星,中國成為第二個在火星上運作火星車的國家。

分析人士指出,現在NASA及美國航天事業面臨的關鍵問題是,向近地軌道及月球之外空間的探索,每一種可能的方向幾乎都要消耗未來幾代航天人的全部資金、精力和時間,但又沒有任何一項任務,具有能說服公眾的合理性或緊迫性。

俄羅斯、歐洲航天機構都將探索火星視為終極目標。剛剛成立7年的阿聯酋航天局今年發射希望號探測器到達火星軌道,并將建設“火星科學城”列為兩項重點任務之一,研究如何在火星上工作、生活和種菜。

NASA一直試圖給出一系列理由,證明近地軌道和月球探索對美國社會有實際價值。上世紀90年代任NASA局長的丹·戈爾丁被后繼者譽為“NASA最偉大的管理者之一”,他首先強調空間站項目可以助力美國科研,特別是“解決骨質疏松等人類衰老問題”。另一個重要的科研領域是材料科學,NASA一度宣稱空間站是太陽能電池的潛在生產地。

2003年,中國成為第三個有能力獨自將航天員送上太空的國家。此后,中國多次表態希望參與國際空間站。2011年,中國空間站第一個先導試驗型空間站天宮一號發射成功。同年,美國國會通過《沃爾夫條款》,全面限制NASA與中國機構及人員交流,并將中國排除在國際空間站外。2021年6月23日,尼爾森表示,他支持將該條款永久化。

責任編輯:李思陽

尼爾森雖然祝賀神舟十二號載人飛船發射成功,但同時主張永久性排斥中國參與美國、俄羅斯、歐洲、日本合作的國際空間站,而美國應以盡快“重返月球”為基礎,進而實現載人登陸火星的遠期目標,保持太空優勢。

2020年,NASA為推進商業空間站項目申請1.5億美元預算,僅獲批十分之一。2021年,NASA仍申請1.5億美元,國會僅撥付1700萬美元。NASA副局長格斯滕邁爾對此表示擔憂,認為極有可能出現商業機構的空間站尚未建成,NASA就為了騰出資金而先撤出國際空間站的“錯誤選擇”。那將意味著,短期內近地軌道只剩下一座來自中國的空間站。

博爾登對《中國新聞周刊》回憶稱,自己任內最大的科研成績來自對太空飛行技術的推廣,“今天,很多航空發動機技術都是NASA研究的成果,我相信這對美國和世界各地的商業航空工業會作出巨大貢獻?!钡窃谒蝺?,美國航天飛機于2011年全部退役,美國航天員此后都搭載俄羅斯航天飛機前往空間站。

拜登政府上臺后,向國會提交了超過200億美元的NASA新預算案,增幅為6.6%。但尼爾森深知這幾乎是不可能完成的任務。一些眾議員則警告尼爾森,即使他強調與中國存在“太空競賽”且有新總統力挺,NASA想獲得百億美元的載人航天新增預算還是“十分困難”。

空間站與登月項目“二選一”

2021年4月24日,搭載美國太空探索技術公司載人“龍”飛船的宇航員抵達國際空間站。圖/路透

當年阿姆斯特朗登月時,只要“先于蘇聯人登上月球”,就算是實現了NASA對美國社會和國會的承諾。但將人類送上火星后的價值問題,不是技術可以解決的。小布什政府時期的航天委員會主席、前美國眾議員羅伯特·沃克由此發出疑問:“人類在太空中真的有未來嗎?”

奧巴馬政府時期的NASA局長博爾登指出,目前大多數人都已經意識到,美國如期實現登月計劃沒戲。他對《中國新聞周刊》預測,如果一切順利,NASA將用數十年時間讓人類重返月球,然后再登上火星,但“不能設定一個確切的期限”。

此前一周,中國成功發射神舟十二號載人飛船,將3名航天員送入中國空間站天和核心艙。按照計劃,問天實驗艙和夢天實驗艙會在明年發射升空,進一步擴大空間站。

沃克指出,人類應考慮多種不同的情況:能否在火星上生活?能否在火星上實現“自給自足”?是否總歸要回到地球?如果人類不能在火星上生活,那么火星“就像一座珠穆朗瑪峰”,是冒險的象征,但缺乏實際價值。

盡管人類在太空中已經飛行了幾十年,但“對于太空對人的影響,人類的無知遠勝于已知”。人類已知火星的重力約為地球重力的三分之一,也知道人的生理機能會在微重力狀態下退化,骨骼中的鈣會流失,但不知道如何消除、減輕甚至改變這種影響,也不知道多少程度的重力足以解決這個問題。

過去20年間,在完成登月項目“阿波羅計劃”、航天飛機、近地軌道空間站和哈勃望遠鏡等項目之后,NASA一直在規劃尼爾森提及的目標。小布什政府計劃2020年前“重返月球”,奧巴馬政府則提出不通過月球直接于2030年登陸火星,特朗普政府的“阿爾忒彌斯”計劃則回歸小布什方案,只是將期限推遲到2024年。

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