SpaceX能否助NASA“抢时间”赶赴天王星？

一项最新研究指出，SpaceX正在测试中的重型运载火箭“星舰”（Starship），有望在运力、轨道加油以及充当气刹防护体等方面发挥关键作用，从而显著加快美国宇航局（NASA）规划中的天王星旗舰探测任务进程。

天王星及另一颗“冰巨星”长期被认为是太阳系内最值得深入研究的目标之一，2022年美国国家科学院发布的十年期行星科学规划报告已将“天王星轨道器与大气探测器”（Uranus Orbiter and Probe，UOP）列为旗舰级任务首要优先方向。然而，针对2030年代发射窗口的详细方案迄今尚未完全敲定，也为新一代发射技术“介入”预留了空间。

目前，人类对天王星的近距离探测仍极为有限，上一次访问还是近40年前“旅行者2号”的一次飞掠，其间并未进入环绕轨道。天王星与海王星是太阳系中仅有的从未接收过长期驻留航天器的行星，它们在行星形成、内部结构、磁场特性以及卫星系统等方面都蕴藏大量未知。天王星本身侧躺着自转，磁场轴心既倾斜又偏离行星中心，其卫星群中还可能存在被冰壳覆盖的地下海洋。与此同时，与天王星体量和成分相近的行星，已成为目前系外行星搜寻中最常见的一类目标，对天王星的系统性考察被视为理解类地外行星体系的重要“样本”。

天王星任务规划的最大难点是距离带来的时间和成本压力。天王星平均距离太阳约为地球的19倍，“旅行者2号”当年飞行超过9年半才抵达，而此前在十年规划阶段的任务估算方案中，即便依托猎鹰重型（Falcon Heavy）并借助多次行星引力助推，飞行时间仍可能超过13年。这意味着探测器在跨越深空过程中，需要长期维持运行与地面支持，经费和关键技术团队在十余年跨度内始终“在线”，对管理和预算都是挑战。

在此背景下，星舰的出现被认为可能“重塑”任务架构。经过多次试飞和改进，星舰近期取得一次更为成功的测试，若后续进展顺利，有望在本十年末具备常规任务发射能力，从而成为UOP候选运载平台之一。研究团队在提交IEEE航空航天会议的一篇论文中分析指出，星舰除具备更强运载能力之外，还有两项特性对天王星任务尤为重要：一是轨道加油能力，二是作为再入和气刹防热盾的潜力。星舰系统在设计之初就考虑了轨道补加燃料，使其无需将全部推进剂都从地面一次性送入太空，理论上可更快、更高效地将探测器送往外太阳系深处。

论文进一步探讨了由星舰直接参与天王星轨道插入过程的设想。研究人员认为，得益于星舰已针对地球和火星再入环境进行了防热设计，它在适度改装后，有机会充当天王星大气制动的“防护体”。在这种方案中，星舰并不会在完成变轨后与探测器分离，而是与UOP一同飞抵天王星，利用自身热防护系统充当大型“气刹”，帮助探测器在穿越天王星高层大气时有效降低速度并实现停留。模型计算显示，如果把在轨加油与星舰气刹结合使用，前往天王星的飞行时间有望从约13年缩短到约6年半，且在飞行途中不再依赖其他行星的引力助推。即便考虑到让一艘星舰“随行”所增加的研制与发射成本，相较当前方案，任务总运营成本仍可能因飞行时间减半而明显下降。

不过，从论文设想走向实际任务仍有诸多不确定性。UOP当前距离正式立项尚有距离，星舰在天王星大气条件下进行复杂气刹的技术成熟度也远未达到工程可行阶段。尽管该任务在十年规划中位列“头号优先”，但在NASA预算压力和机构内部动荡持续存在的背景下，能否如期获得经费批准仍未知。一旦错过2030年代的重点发射窗口，下一次相对理想的发射时机将推迟到2040年代中期，届时从“旅行者2号”飞掠至下一次近距离考察，时间跨度将逼近70年。文章最后呼吁，无论最终是否采用星舰，支持天王星旗舰任务应成为全球行星科学界和相关机构的共识，以免错失深入认识这一“被忽视的世界”的宝贵机会。