NASA计划2024年登陆小行星 为人类登火星做准备

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。