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“发现号”之后的发现

2005-09-01 13:02 作者:吴戈 2005年第31期
“发现号”这次飞行给人的感觉是跌跌撞撞。庆幸之余,“廉颇老矣”成了眼下对它最时髦的评价

美国东部时间8月9日8点12分,经历了13天21小时32分48秒的悬念,“发现号”平安返航,女机长柯林斯对记者说的第一句话是:“能够回到地球上实在是太奇妙了。”美国东部时间8月12日7点43分,“火星侦察轨道器”开始了飞往火星的7个月行程。

不平坦的退隐

“发现号”这次飞行给人的感觉是跌跌撞撞。庆幸之余,“廉颇老矣”成了眼下对它最时髦的评价。因故障推迟发射和因天气推迟返回本来是正常现象,在特殊心情下却显得分外沉重,最不可原谅的是——外挂燃料箱泡沫绝热材料脱落的碎片尺寸并未如预期那样明显减小。未能根本排除“哥伦比亚号”悲剧重演的可能,不光使航天飞机的后续飞行被迫暂停,也使NASA两年多时间投资30多亿美元的改进遭到严重置疑。

然而,此时把航天飞机当作一个历史名词甚至笑料,显然有失公平。

航天飞机面临的最大批评是成本过高。24年来约1450亿美元的总投入到底高不高,取决于两个前提:第一,美国是否可以负担?NASA的效率的确还远不能令人满意,但美国并未负担不起,哪怕这笔钱相当于一个中等国家的国民生产总值。只是在航天飞机接近换代,登陆月球和火星的宏大计划出台之时,反而要用不菲的资金来保证航天飞机的安全和维护,很难令议员们满意。

第二,投资是否值得?航天飞机的高成本与冷战背景下追求高端的设计思想不无关系,其运载能力和轨道设计都有美国空军和中央情报局需要的影响,但它完成的发射任务和获得的科研成果超过了任何航天运载工具,30吨的近地轨道运载能力成为很多大型民用卫星、空间探测器和“国际空间站”得以问世的前提。航天飞机在太空释放、维修和回收航天器的能力,打破了航天发射一锤定音的局限,带来的在轨活动灵活性是未来太空活动的基石之一。另外,航天飞机在侦察、发射、在轨活动、反导等军事领域取得的成果和开辟的可能性,正是美国当前太空军事优势的支柱之一,对美国综合国力和战略地位的贡献是无法用成本计算的。

航天飞机的确未能实现预期的廉价、高效、安全的天地往返能力。作为人类第一次尝试可重复使用技术的航天器,这种经济性的失败主要缘于兼具运载火箭、卫星、飞船甚至小型空间站等多项功能带来的技术难度,但并不能由此否定可重复使用的发展方向。它未能比运载火箭便宜,并不说明现有运载火箭的成本就足以满足大规模航天活动的需要。不管是为大型空间站,还是月球基地甚至火星基地服务,可重复使用都是低成本航天活动的必由之路。看上去廉价的“联盟号”飞船要达到航天飞机的运载能力,酝酿中的CEV(乘员探索飞行器)要实现可重复使用,也同样会面临成本和难度的瓶颈。因此,航天飞机被批评为“空驶的载重卡车”,只是因为人类的太空活动并未如当初预期的那样宏大和繁忙,而这与运载手段的成本未能突破又有鸡和蛋的关系。

在技术复杂性上亦然,如果说过于复杂的航天飞机不够可靠,成熟的载人飞船要完成多样化的在轨活动,功能设计和可靠性同样面临考验。其实在发射和在轨运行方面,航天飞机与飞船区别不明显,不同的是备受指责的水平着陆模式,但这使航天飞机返回时的过载健康人就能承受,大大扩展了可以进入太空的人员范围,对未来的太空科研和开发至关重要。同时,这种大气层内高超音速气动飞行能力所具有的全球打击潜力几乎无法防御,已经成为军事领域下一步争夺的重点方向之一。

对航天飞机位居第二的批评是“不够安全”。用NASA前航天安全咨询委员小组主席理查德·布隆博格的话说:“航天飞行总是与一定程度的风险相联的,完全消除风险的目标根本无法实现。”“发现号”躲过大碎片有些侥幸,但NASA也并非铤而走险。在类似的致命碎片再次出现的情况下,NASA通过数字摄像机、太空行走和翻转机动等措施,对航天飞机表面进行了详细检查,地面专家据此做出了可以安全返回的判断,甚至还发现了机腹防热瓦填隙片突起和舷窗下防热毯轻微撕裂两个意料之外的隐患,对前者通过计划之外的首次航天飞机下部太空行走加以修复,对后者经过风洞模拟试验,判断不需要修复。在“哥伦比亚号”事故中,对碎片撞坏机翼前缘的后果判断错误正是不幸的一个原因。“发现号”成功的防热瓦模拟修复试验也将开创载人航天器自我修复的历史。这种检查、判断和修复能力的逐步形成将是未来太空活动的最大福音之一。

一种航天器5架损失两架,可以称之为惨败,“发现号”如果损失,美国航天势必崩盘。这种局面主要缘于赌注太大,高成本使航天飞机只能造5架,每架乘坐7人,当然损失不起。但是,由于航天飞机可重复使用,与其飞行百余架次,将1300多吨货物和600多人次宇航员送入太空的数字相比,安全性并不算差。最著名的两种载人飞船历史上也都发生过致命事故(1967年的“联盟1号”和“阿波罗4A”,1970年的“阿波罗13号”,1971年的“联盟11号”),只有“阿波罗13号”死里逃生,但由于一次性使用,它们不会造成航天飞机这种架数上的压力。

新面孔,新挑战

航天飞机的颓势,使新一代航天运载工具CEV被寄予厚望。

汲取航天飞机的教训,CEV在功能设计上更加灵活,它并不是一种而是一组模块化的航天器,根据需要可以载人,也可以载货,基本功能是往返于地球轨道,也能飞往月球和火星,返回时采用降落伞。较大的登月货运型CEV加上运载火箭高度达107米,可与登月的“土星5号”运载火箭相当,装有5台航天飞机主发动机和两台固体助推火箭,能将125吨货物送入低地球轨道。载人型CEV加运载火箭高56米,比航天飞机高得多,飞往空间站时可装载3名宇航员和少量货物,可重复使用10次以上,执行登月任务时可乘坐4人,登陆火星时最多可乘坐6人。

CEV仍将沿用航天飞机的主发动机和固体燃料助推器,但布局改为上下串联,NASA主任格里芬说:“只要我们把人员和货物放到燃料箱上方,就不用担心会脱落什么了,即使一直在掉碎片,也不用怕。”这并不是说航天飞机的并联布局就是败笔,大型运载火箭和有效载荷如果全部像甘蔗一样串联起来,过长的结构将非常脆弱,这也是“能源号”、“阿里亚娜5”和“长征3号乙”等大推力运载火箭都采用捆绑式结构的原因。CEV乘员舱的顶端还装有俄罗斯载人飞船常用的逃逸火箭,在发射阶段出现险情时可使宇航员逃生,但对避免返回时才发难的航天飞机碎片隐患没有帮助。

可见,CEV充分借鉴了航天飞机的经验教训,突出经济和安全性,加强了地球轨道外飞行能力,同时对航天飞机的多用途能力有所放弃。目前CEV还处在方案形成阶段,先以近地轨道为重点,对登陆月球和火星将面临的很多固有挑战,它也必须付出更多努力。能否实现经济性上的突破,从50亿美元的初步投资来看,还无法断言。

8月初,NASA第一份详细的月球、火星探索计划被媒体公开。这份计划透露:美国希望在2018年前向月球派出首批4名宇航员,寻找燃料和水等资源,学习在地外世界生存,建立起包括生活区、发电厂和通讯系统在内的常驻考察站,位置可能在月球南极地区,也包括北极地区或1969年“阿波罗11号”登陆的“宁静海”。从2018年起,美国每年将至少进行两次登月。从2020年起,美国将实施载人火星登陆计划。首先用大型运载火箭分4至5次将生活、发电、通讯和一艘返航飞船等设备送到火星上,然后6名宇航员经过历时6个月,距离5632万公里的飞行,登陆火星,整个过程为期500天,任务包括尝试从火星土壤中提取水和氧。

月球的价值

NASA最新的月球和火星探索线路图显然还太过粗略,预计整个计划到2025年将花费2170亿美元,这笔钱显然还需要布什及未来的总统向国会拿出有说服力的计划来。首开先河的“阿波罗”计划只完成了对月球局部地点的初步勘测和基础研究,载人登月的必要性之所以没有遭到多数人的置疑,对美国大国地位、综合国力和社会经济的促进是很重要的原因。

从今天探索任务的复杂性而言,载人重返月球的理由比过去更加充分。在地球上也无法想象用机器人完成探索性的勘测和采矿试验,总体上人类发射的火星探测器有2/3失败,而且往往是一着失灵便无可挽回。

但重返月球的近期、直接价值仍然不多。微重力和真空环境与国际空间站的优势大同小异。如果不提显得过于浪漫的太空移民,以月球作为飞往火星的基地似乎成了终极目标,可是在月球上还没站稳就飞火星,纯属猴子掰玉米。以如此高的成本开采回来还有价值的月球矿产似乎只有它独有的热核发电原料——氦3了,但热核发电并不是人类当前最紧迫的问题。

登月最为深远的意义在于揭开了人类亲身涉足地外天体的帷幕,作为宇宙中已知惟一的智慧文明,这一步是值得付出代价的。但在这个仍以民族国家为主体展开竞争的世界,月球很难因为我们的主观愿望就成为一个科研对象。虽然对它的真正利用仍是远景,但“一席之地”的重要性不光曾在美苏之间分外尖锐,每个有条件的大国都清楚地意识到这一点。1979年开始签字、1984年7月对缔约国生效的《月球协定》规定:月球应专为和平目的而加以利用;在月球上科学研究自由;在月球上的一切外空运载器、装备、设施、站所和装置应对其他缔约国开放;保护月球环境;月球及其自然资源是人类共同继承财产,一俟月球自然资源的开发即将可行时,建立指导此种开发的国际制度。至今,该协定缔约国寥寥可数,主要空间国家均未批准或加入。

倒是已无意重开月球竞赛的俄罗斯来得轻松。8月10日,俄罗斯宇航局和美国太空探险公司在纽约联合公布了“一亿美元游月球”的项目。目前“能源”集团已经制定了月球旅游的商业计划,付款后一年半到两年内,游客就可以乘坐“联盟TMA”飞船从拜科努尔发射场升空。在两周的旅程内,游客将先在国际空间站停留一周,再乘坐飞船前往月球轨道游览,但不会登月,大约一周后直接返回地球。由于飞往月球背面技术复杂,费用更高,游客只能看到月球正面。整个旅程收费一亿美元,其中月球旅游成本9000万美元,飞船船长的费用350万美元。

月球和火星的现实问题

详细勘测

1972年4月登月的查尔斯·杜克说:在月球上不可能迷路,因为从来没有人的活动,车辙也从来不会消失,只要顺着车辙往回开就行了。其实这只适用于第一次登月,车辙的交叉是迟早的事。月球地形大同小异,除了在某些接近“阿波罗”飞船着陆地点的地区,现有的月球地图并不精确,1994年的“克莱门丁”探测器用激光测距完成的地图垂直误差100米,水平误差30公里,月球表面大部分地区还只知道个大概。哥达德航天飞行中心的工程师大卫·史密斯说:“如果你问月球背面一个环形山的具体位置,不确定性可能是数公里。”即使在月球正面,特定地形的位置误差也可能大到一公里。

因此,NASA定于2008年秋发射的月球侦察轨道器(LRO)将载有一台高精度激光高度计(LOLA),在一年的绕月飞行中,高度测量误差将不超过1米,水平位置误差不超过50米,这将使我们对月球地形的了解甚至超过对地球某些边远地区。加上月球表面高分辨率图像,我们将得到最精确的月球地图。它还将测量月球轨道上的空间辐射环境、全月地形、氢的分布、着陆区米级地形特征、极地光照环境和极地阴影区温度分布,这些都是月球开发的前提。

对火星也一样,自1965年首次近距离拍摄,已获得上万张照片,仍只有约2%的火星表面有高分辨率图像。8月12日发射的“火星侦察轨道器”2006年3月到达火星后,将小心地进入上层大气,从平均高度约306公里的低轨道对火星的大气、地表和地下进行25个月的详细研究。它的6种仪器包括行星探测中最大直径的照相机,分辨率提高了6倍。它还能提供火星全球天气图,寻找今后10年内可供更多自动探测器着陆的地点,并为着陆器充当通讯中继站。

虽然一项原定2009年实施的5亿美元的火星任务已取消,但今后4年NASA还将实施两次火星登陆,“凤凰”和“火星科学实验室”将分别于2007和2009年发射,前者将勘测火星北极冰封的平原,后者将用比“勇气号”和“机遇号”更详细的精度研究火星岩石和土壤并首次采样返回。

对付尘土

月球和火星有很多共同点,最麻烦的一个是都覆盖着粉状的尘土,称为风化层。

“阿波罗16号”宇航员约翰·扬说:“月尘是重返月球的头号问题”,阿姆斯特朗爬上登月舱梯子时就差点被靴底的月尘滑倒。月尘影响了能见度,着陆时火箭喷流吹起的尘土有时高达30~50米,“阿波罗11、12、15和16号”飞船都下降到30米仍看不清月面,“阿波罗12号”和“阿波罗15号”的仪器都被它干扰出错。月尘有一半以上的微粒直径不到0.1毫米,沾在设备上很难清理,往往造成月球车电池过热。月尘对宇航服的磨损尤为严重,一些宇航服因关节和手套口受阻而少量漏气,一套宇航服经过三次月面行走就无法再用,“阿波罗17号”的哈里森·施密特连头盔面罩都被剐得视野不清。

在40亿年的岁月中,微陨石接近没有大气的月球时并不会烧毁,而是一直撞向月面,塑造了千疮百孔的风化层,田纳西大学的拉瑞·泰勒说:“它们以每小时160000公里的速度撞下来,产生1000~2000℃的高温,融化一小团月面的石子和沙子,形成粘结物。”这种深灰色的混合物由玄武岩碎片、火山玻璃圆球和被熔岩凝结起来的岩石或矿物微粒组成。

重返月球最时髦的口号是“就地利用资源”(ISRU,也称作“地外生存”),核心是从月壤中提取氢和氧,解决宇航员呼吸和火箭燃料问题,这显然不能到了月球才研究。其实,即使在地球上,研究谷物、沙粒等兼具固体和液体特性的物质的微粒物理学也是近十年才活跃起来。

某些研究只需要几克样品,但房屋和道路建造等试验就不同了,因此月球资源利用的研究首先需要一种奇缺的材料——模拟月壤。“阿波罗”计划的宇航员一共带回377公斤岩石和土壤,存放在休斯敦的约翰逊航天中心,享受着国宝级的森严戒备。90年代初,约翰逊航天中心的大卫·麦凯和得克萨斯大学的詹姆斯·卡特共同研制出称为JSC-1的月壤模拟品,原料采自亚利桑纳州一座采石场的火山灰,密度和化学成分与月壤十分接近。麦凯说:“我们从中提取出了氧气,将它加热到900℃左右,制成了砖,耐压强度与混凝土相同。”

虽然成本每吨超过1000美元,但约翰逊中心一直免费提供JSC-1,25吨存货很快消耗一空。布什2004年底提出重返月球后,对模拟月壤的需求立刻旺盛起来,泰勒估计资源利用研究一共需要约1000吨。

2005年1月,BAE系统公司开始研究仿制月壤,需要的基本原料至少有两到三种,一种类似JSC-1,它模仿月海的玄武岩成分,第二种模拟高原地带富含铝的风化层,第三种代表月球极地永久阴影区内的土壤,它可能含有少量的冰。

拉瑞·泰勒热衷于微波处理月壤的设想,有的月壤富含极细的铁元素颗粒,被微波加热后将和周围的玻璃微粒一起融化成光滑的表面。用自动漫游车带上微波发生器,烧结部分土壤,可以形成平坦的着陆平台或道路,或者将月壤融化后制砖,用于建造圆顶建筑。

月尘对人体生理和健康的影响目前分歧不小。所有“阿波罗”宇航员都闻到过一种刺激性的火药气味,有几位报告眼睛受到刺激,哈里森·施密特在返航途中出现了类似花粉热的症状。短期停留很难受到月尘的持久影响,但今后更长期的停留就可能有感染硅肺病的危险。参加模拟月壤研究的惟一的生物学家,NASA阿姆斯研究中心生命科学部主任拉斯·克希曼希望能在两年内开展毒性研究,他说:“月尘在锋利和磨蚀性上类似矿山粉尘。”

科罗拉多金矿学院的材料学家中川政实正在制造不太光滑的月尘颗粒,4年后他的“月尘工程”将告诉NASA:在月球上工作需要何种轴承、密封件和润滑剂,设计什么样的空气过滤器和阻止尘埃的超薄涂层。眼下,中川等科学家还没有想第二步以后的事,他说:“人们正在谈论月球基地的基础设施,但我不认为现在已经可以讨论这个了。我更希望使宇航员登月后停留两周再安全返回。”

火星尘埃可能不如月尘尖利,但这里有50米/秒以上的季节性沙暴,它能钻进任何缝隙,还使能见度下降到几米以内,火星生存首先要寻找躲避沙暴的居住地。利用火星大气中的碳和氧,以及冻结在土壤内的冰,可以解决饮水、呼吸的氧气和火箭推进剂的需要,但现在对火星风化层的特性还缺乏了解。科罗拉多大学工程教授斯坦·斯图尔正与该校太空建筑中心共同研制可能用于火星的振动挖掘机。上世纪60年代研究用于太空探测的太阳能漫游车时,就计算出要在火星上行驶,最大可行持续压力仅0.2磅/平方英寸,这意味着采矿用的重型火星车要么采用直径4~6米的轮子,要么用巨大的金属履带。

循水战略

在月球长时间停留取决于水,从地球向月球运水的成本高达2000~20000美元/公斤。1961年就有人提出:不断撞击月球的陨星或微陨石有不少含有冰。1996年11月“克莱门丁”探测器在月球南极,1998年3月“月球勘测者”在南北两极都发现有冰的迹象,参加“克莱门丁”计划的科学家保罗·斯普迪斯将月球冰称为“太阳系最宝贵的不动产”。

月球没有大气,重力小,连水蒸气也留不住,来自外界的冰只能留存在两极一些环形山底部阳光永远无法照射的阴影区内。“克莱门丁”探测器在南极附近发现的永久阴影区总面积约6000~15000平方公里,集中在直径2500公里、深12公里的南极-艾特肯盆地,这个盆地底部的一些小环形山内温度从未达到过-130℃以上,1996年11月的一篇文章估计月球极地的冰和甲烷等冻结挥发物共有60000~120000立方米,相当于四个足球场大,一个4.9米深的小湖。“月球勘测者”则发现月球北极和南极分别有4.6%和3%的水,分别分布在10000~50000平方公里和5000~20000平方公里的范围内,集中在两极各约1850平方公里的地区,冰的总量估计为66亿吨。如果是这样,月球基地最理想的位置就是距永久阴影区不远的山区,那里永远被阳光照射,有充足的太阳能,又能得到山脚下的冰。

不过,“克莱门丁”的证据来自对双基地雷达信号的分析,“月球勘测者”采用的是中子谱仪,都还只是间接证据,在没有获得永久阴影区的图像和样品之前,没有绝对的把握。一切还有赖“月球侦察轨道器”,它最重要的任务就是确认冰的存在。哥达德太空飞行中心的LRO项目科学家戈登·清说:“这是一系列任务的开头,此后大约每年发射一个自动探测器,直到不晚于2020年的载人登月。”

即使找到冰,开采也并不简单。NASA正与美国陆军工程兵寒区研究与工程实验室等机构一起研究如何在寒冷的月球极地着陆,并挖掘永久冻土层和提取水,最大的挑战是在含冰的土壤上降落和建造居住地时,热量可能融化冻土,使地面塌陷。夏威夷大学的杰夫·泰勒还提出:“就像把它们带来的彗星一样,这些无定形的冰可能包含了一些二氧化碳等气体,被加热时会爆炸性地释放出来。”

同样,火星上存在水的可能性目前也都来自间接证据,比如“奥德赛”探测器2002年在火星极地测到的氢原子,还有科学家根据立体照片猜想火星地表下有大块浮冰存在。为了得到明确的答案,“火星侦察轨道器”携带的钻地雷达可以探测岩石和冰层以下1/3英里深处,将再次寻找水的直接证据。

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