互动科普

太空飞行将不只是有钱人的专享，商业化空间产业的兴起也将为科学研究带来革命。

撰文：S·艾伦·斯特恩（S. Alan Stern） 翻译：谢懿

这一切即将发生改变。以营利为目的的商业航天的出现，可能会改变空间研究的方式——近来最突出的当数由太空探索技术公司SpaceX制造和运营的“龙”太空货运飞船，该飞船已成功发射，并与国际空间站（ISS）进行了对接。更低廉的发射成本、更频繁地出入太空，有机会亲身在轨道上开展实验，这些都能让科学家获益。而且，从这样的进展中获得好处的绝不只是美国航空航天局（NASA）、日本和欧洲空间局下属的大型空间研究机构，对于全球更多国家的学术机构和企业来说，进入太空也会变得可以承受。

我在担任NASA的副局长，负责所有空间和地球科学研究时，就对商业航天的潜力产生了兴趣。从那时起，我担任了数家商业空间公司的顾问，担任了两届谷歌月球X大奖团队的首席科学家，还通过我所在的西南研究院（Southwest Research Institute，位于美国得克萨斯州圣安东尼奥）以付费的方式，得到了商业航天载人研究的机会。可以说，我亲眼见证了商业航天的壮大。

未来几年，将会有多种商业航天系统问世，这会给空间科学家提供很多重要机会——自第二次世界大战后，把缴获的德国V-2火箭改装成科学平台以来，空间科学家一直是聪明的机会主义者，他们不断寻求更好的办法来完成研究。虽然目前正在筹备的一些计划可能会一波三折，但肯定会有一些计划取得成功。在时下众所周知的预算紧缩、成本超支和空间飞行长期停滞的环境下，这一成功不可能很快就实现。

我相信，2010年-2020年这一时间段对于空间科学来说，可能会起到类似1950年-1960年那样的关键作用。的确，我们已经准备好目睹一场正在酝酿的革命。从常常被用来招揽“观光客”的亚轨道飞行（不过它也能为科学家提供座位），到前往国际空间站以及更遥远目标的轨道飞行，未来几年，我们与依然神秘的宇宙空间的关系将会重塑。

亚轨道飞行的未来

NASA最富有成效的空间飞行之一便是它的亚轨道项目——不幸的是，这也是最鲜为人知的项目。几十年来，这一项目每个月都会发射无人火箭来执行一到两个短暂的空间任务，通过这些任务，科学家能得到把实验仪器放入太空达几分钟的机会。虽然这些飞行的时间很短，但亚轨道任务却在太阳物理学、超新星研究、高层大气科学、天体物理学以及彗星研究中取得了关键性的科学成果。此外，亚轨道任务的价值还在于，能在投入数十亿美元进行某项任务之前，测试新的太空船和传感技术，而且还训练了无数的空间实验者，其中就包括美国一些最有造诣的天文学家、大气学家以及行星探测任务的领导者。

然而，虽然在过去的20年里，科学界不断呼吁要求大规模增加空间飞行的频次，但NASA亚轨道项目的发射率一直维持在令人沮丧的低水平上。原因有许多，但核心是成本。执行一次任务，平均花费约为250万美元，这使得NASA的亚轨道项目的预算无力承受更高的发射频次。

不过，可重复使用的新型亚轨道飞行器（由XCOR宇航、维珍银河、犰狳宇航、马斯顿空间系统、蓝色原点等商业公司研发制造）的问世，将使空间飞行能力得到突破性的提升，预计会从根本上加快亚轨道研究的步伐和成果产出。

如何实现这一点？首先，通过可重复使用而非一次性的发射载具，这些公司可以大幅削减飞行成本，并加大发射频次。就像个人计算机革命性地改变了计算方式一样，这两大优点也最有可能改变空间研究，引发一场革命。

目前，NASA一年会进行大约20～25次亚轨道发射。亚轨道飞行的提供商维珍银河公司（Virgin Galactic）预期，它的第一代载具最终可以每天进行一次飞行。每次飞行可以搭载6个载荷架或者6名科学家（或者两者混合）。这样，一个公司每年可以提供约2,000次实验机会。

在这一新兴市场上，维珍银河公司并不孤单。作为维珍银河公司最强劲的对手，XCOR宇航公司预期，利用它所有的可重复使用载具，每天可进行4次发射。这些载具中的一些已经租用给了包括韩国和库拉索在内的国家或地区。想象一下，在这么高的飞行频次下，研究领域将取得何等快速的进展。例如，生命科学家每年可以获得数百组宇航员在零重力环境下的各种数据，而目前，这类研究的数据寥寥无几。

当然，仅仅高频次的飞行本身无法促成一场革命。这些可重复使用的系统的另一个关键特征是，它们的成本更低廉。按照维珍银河公司的计划，一次亚轨道任务中，一个90千克重的载荷或者研究位置，价格会是20万美元，这一数字大约只有传统探空火箭任务发射的十分之一。XCOR宇航和犰狳宇航的报价则仅有10万美元左右。

可重复使用的火箭，将会使一些新的科学研究成为可能。例如，可以频繁进入大气层高处的那些具有重要科学意义的未知层之后，科学家将能研究许多大气现象，比如被称为红色精灵（red sprites）和蓝色喷流（blue jets）的神秘的高空电子暴。这些大气层因为太高，飞机和气球无法达到，而对于人造卫星又太低，在不返回地球的情况下又无法触及。

以其革命性的运载科学家的能力，这些新的载具为科研提供了巨大优势。空间研究也许很快就能享受其他研究领域一直在享受的“待遇”：无需机器人，科学家就可以现场开展实验，这样的情况还是自太空时代到来后的第一次。

虽然这当中许多设想看似科幻，但来自一些研究机构的科学家已经为他们自己和实验预约了空间飞行。到这个十年的中期，下一代的亚轨道技术可能会像20世纪50年代的探空火箭研究一样兴旺起来——从凤毛麟角变得司空见惯。空间飞行本身就会是一个剧烈变化吗？是的，但这样的飞行能力，还只能算是与空间研究有关的商业航天迈出的第一步而已。

廉价太空船票

在美国，自20世纪90年代末起，NASA开展轨道科学任务所采用的绝大多数发射载具——飞马（Pegasus）、阿特拉斯（Atlas）和德尔塔（Delta）火箭，使用成本已经上升了不止一倍。使用飞马火箭开展小规模科学任务曾经的成本约为1,500万美元；现在，成本已超过了4,000万美元。可以发射最重载荷的高端火箭——阿特拉斯5这样的重型运载火箭，成本也从1.5亿美元上升到了3.5亿美元左右。

由于空间科学的预算受到经费削减和成本超支的挤压，对于NASA的那些科学项目主管来说，商业航天无疑有着“柳暗花明”的意味。SpaceX公司建立的“猎鹰”火箭发射线就是商业航天的一个典型例子。该公司构思、设计、研发、测试并运营着“猎鹰”的发射服务，所花的钱比美国政府建造的、现已作古的“战神”火箭发射架还少。

SpaceX公司目前给出的“猎鹰”9号火箭的报价约为6 500万美元——只有其竞争对手、重型运载火箭德尔塔2的一半。到2014年，SpaceX公司计划推出大得多的“猎鹰”重型火箭，它将能发射两倍于最大型阿特拉斯和德尔塔火箭的载荷，发射价格却只有1亿美元，不到其竞争者的三分之一。

在历史上，NASA每年会开展3～5个轨道科学任务。使用“猎鹰”重型火箭发射其中的一半，就能在5年时间里节省20亿至30亿美元。这些省下来的钱足以资助数个前往另一颗行星的发现级任务，或是近10个用于天文学和太阳物理学研究的小型探索任务。它们甚至足够资助一辆类似“好奇”号的新旗舰火星车。

商业航天公司开创的另一个节约成本的举措，是在商业航天中搭载科学载荷的能力。例如，72颗第二代铱星通讯卫星中的每一颗都为付费客户预留了空间。主要任务方提供发射和卫星成本，而要求搭载科学仪器的科学家或机构，只需要支付少量经费。目前这一“寄居载荷”的概念仍处于专卖阶段，仅适用于科学仪器能放入通讯卫星，并可以在卫星的特殊轨道上工作的情况，此举显然并不适合大型望远镜以及其他需要专门卫星的任务。不过，这种方式却提供了难得的机会，让研究者花几千万美元就能发射中型载荷，而不是像现在这样，发射和运营一个卫星项目需要几亿美元。

飞向其他星球

这些搭载的载荷可以很快地把科学仪器送出地球轨道。来自欧洲、北美、亚洲和其他地区的20多个团队参加了谷歌月球X大奖的角逐，这个奖项将奖励第一个完成商业无人月球着陆任务的团队，奖金超过3 000万美元（见《环球科学》2012年第5期《下一位月球漫步者》）。

诸如“月球快车”（Moon Express）和“太空机器人”（Astrobotic）这样的团队，已经签订了把科学载荷送往月球的合同。他们以及其他公司把月球X大奖本身看作是一个初步的演示任务。而长期目标则是，从科学家和一些国家那里获得稳定的资金流。他们没有几亿美元和足够的技术经验把他们自己的载荷送上月球，但在可靠的着陆器上购买一个载荷的钱还是有的。1 000万美元的“船票”仍要比由政府开展的10亿美元的任务便宜100倍。

许多月球和行星科学家都对这一价格持乐观态度，越来越多的国家将会负担得起把实验装置送往月球的费用，引发月球研究的第二次热潮。

放眼比月球更远的火星，SpaceX公司正在讨论，用“龙”飞船向火星运送物资的可能性（“龙”飞船最初是设计用来为ISS运送载荷的）。这会比使用目前的火星着陆器少花数亿美元。如果SpaceX公司能向NASA或其他空间机构兜售这个想法，它也许能在全球空间机构都在争相开展火星探测任务的时候，开辟一条低成本的火星探索途径。

私人空间站

世界上有约90%的国家不是ISS的成员国，因此很难有机会进入这个大型的空间站。对于类似印度和韩国这样的国家，私人空间站也许是另一条进入太空，进行微重力、基础物理学、技术测试和太空生命科学研究的最佳途径，更不用说私人空间站对一个国家声望的提升了。

第一个、可能也是最知名的一个私人空间站属于比奇洛宇航公司（Bigelow Aerospace）。没有太多的张扬，这家公司已经建造并正在近地轨道上测试两个原型空间站。由于可以为6名科学家提供舱位，比奇洛公司的首个载人空间站可以在任何给定时间，让在轨科学家的数量翻番。以这种方式，并利用类似波音公司计划中的CST-100或是SpaceX公司的“龙”飞船（两者都设计来运送宇航员往返ISS）这样的私人太空“出租车”，比奇洛的空间站也许能以“联盟”号飞船和ISS一半甚至更低的成本，来为全球的科学家、机构和企业提供更快速的出入太空的机会。

追求这一目标的，还不止比奇洛宇航公司。通过使用苏联时期剩余的空间站舱体和宇航员载具，一家名为神剑阿尔马兹（Excalibur Almaz）的公司正在筹划一个类似的、较小的空间站。

SpaceX公司的“龙”飞船可能也会用于长期的空间站。目前，“龙”飞船承接着NASA的合同，往返于ISS运送货物。不久，它也将能运送宇航员。

不过，“龙”飞船还能做得更多。SpaceX公司正在构想自主和载人的“龙实验室”任务，它们可以飞入地球轨道，在那里停留数周至数月，在此期间使用内部和外部的载荷来进行研究，成本会低于商业空间站的报价。

重回创新年代

这些创新让我们回忆起了上世纪五六十年代，那时我们第一次进入太空，在那些年代涌现出了亚轨道研究、行星际任务和地球轨道卫星。然而，我们仍处于商业革命萌芽的早期阶段，还存在许多问题。这些新兴的公司将如何深刻地改变空间科学？它们会在多大程度上鼓舞大众？他们要多长时间才能令更多的企业家信服，进而投身到商业空间革命？这些问题的答案在很大程度上取决于科学家和空间机构有多少创新精神、需要多长时间来适应并开发商业航天，进而完善我们进行科学研究的方式。

的确，如果商业亚轨道和轨道冒险已成功在即，它们将开启通往太阳系其他行星、小行星和卫星的新途径。和私人探险开启极地区域一样，科学也将从中受益。为什么不呢？这些预言无疑彰显了天空是没有极限的。