行星科学家的想象:以一种我们从未想过的方式到达外太阳系。
太空探索技术公司星舰前往土星系统的想象
那是2009年6月5438+10月，何德满在美国国家航空航天局(美国国家航空航天局)艾姆斯研究中心的科学控制中心跟踪了这次撞击。作为一名33岁的行星科学家，这是她为美国国家航空航天局执行的第一个重大任务，主要负责协调地面望远镜观测撞击。
美国国家航空航天局试图通过月球陨石坑观测和传感卫星(LCROSS)任务“触摸月球上的冰”。20世纪60年代和70年代初，阿波罗飞船登陆月球，随后发现的是一个灰色贫瘠的世界。但后来，科学家们开始相信月球两极的陨石坑边缘下有一些水冰，这是数十亿年来彗星撞击的残留物。半人马座火箭的任务目标是撞击其中一个陨石坑，验证科学家的猜测是否正确。
在仔细研究了撞击数据后，美国国家航空航天局宣布，在半人马座火箭撞击造成的物质羽流中，以及月球岩石被撞击时喷射出的物质中，确实发现了水。
对于詹妮弗·何德满来说，这是她职业生涯中的关键时刻之一。这次经历加强了她对行星科学的兴趣，尤其是追踪其他行星上的水。她说:“这项任务的结果具有如此深远的影响，这令人惊讶。”。
月球上水冰的发现开启了一个新时代。行星科学家发现，冰和水在太阳系中几乎无处不在:在木卫二和土卫二上，在火星表面，甚至在更遥远的行星上，如冥王星或海王星最大卫星海卫一的内部，都有水冰。
这些发现带来了各种想象的前景。哪里有水，或者曾经有水，哪里就可能有生命。因此，科学家们不仅在火星长期干涸的湖床中寻找化石，还开始在木卫二、土卫二等行星的广阔海洋中寻找生命体。对于人类的太空探索来说，水的广泛存在也提供了巨大的机遇:有水的地方就有火箭燃料的成分——液氢和液氧。
在很大程度上，这些发现也影响了美国国家航空航天局科学和载人航天计划的重点。在该机构每年约30亿美元的行星科学预算中，越来越多的资金用于支持可能在其他星球上找到生命证据的任务。在过去的四年里，美国国家航空航天局一直在制定一个计划，再次将宇航员送上月球，并在那里提取水，为将来将人类送上火星做准备。
对于科学家来说，问题总是比答案多，可用的资金往往不足以满足他们想要执行的任务。太阳系中水的普遍存在进一步引起了行星科学家的兴趣，他们希望将探索机器人送到太阳系更远的地方，以确定各种行星上冰沉积物和地下海洋的特征。随着我们对太阳系的了解越来越多，它的奥秘也越来越多，远远超出了我们的想象。所以，特别沮丧的是，我们目前还不能飞到那些神秘的星球上，真正解开这些谜团。
火星北部的科罗廖夫陨石坑直径约82公里。这张照片是由欧洲航天局的火星快车探测卫星拍摄的。
那么，如果我们能做到呢？
一些行星科学家已经开始同意，例如太空探索技术公司的新火箭“Starship”具有前所未有的运载能力和不同寻常的低成本潜力，这可能将太阳系探索带入一个新时代。想象一下，我们可以向欧罗巴发射着陆器，探索其巨大而温暖的地下海洋。在最近的美国国家航空航天局计划会议上，行星科学家考虑了这项任务的可能性。他们发射了一艘耗资数十亿美元的复杂飞船前往木卫二进行进一步的科学研究。在最好的条件下，这种航天器的大小和质量只能与一个迷你冰箱相媲美。
相比之下，如果有像星际飞船这样更强大的太空飞行器，人类或许可以向木卫二发射更多的科研有效载荷，相当于一个没有家具的单层房屋，并以我们从未想过的方式到达外太阳系，这将为探索这些世界提供一种革命性的新途径。
星际飞船的起源
太空探索技术公司的工程师们已经为星际飞船的研发努力了大约五年，在过去的12个月里已经完成了几次初始飞行测试。虽然还有很多技术工作要做，但该公司目前正在研发的超重型火箭有很多优点，包括可重复使用和低成本，有可能将重达100吨的火箭送到太阳系大多数天体的表面。
太空探索技术公司的创始人埃隆·马斯克(Elon musk)将这艘星舰视为将人类送上火星并最终在那里定居的关键火箭。然而，在行星科学家看来，这种太空飞行器在科学、探索和国防方面还有无数其他用途。
高度可靠的星际飞船可能需要几年时间才能问世，但从2022年初开始，太空探索技术公司可能会进行一系列轨道测试飞行。现在，美国国家航空航天局的载人航天计划对星际飞船如此有信心，以至于它被用作其Artemis月球计划的着陆系统。如果星际飞船最终失败，美国国家航空航天局可能无法重返月球。
2021年8月，星舰的飞船部分吊装在超重型助推器上方。
“星际飞船可以为火星和其他星球的任务提供前所未有的有效载荷，”詹妮弗·何德满说。“行星科学家需要思考的问题是，如何利用这种非凡的能力。如果我们想抓住这些机会，并在无人试飞中获得有效载荷，我们需要现在就行动起来。”
2018年，太空探索技术公司第一次接触到行星科学，通过举办一系列“火星研讨会”解决了一些基础问题，如火星上可能的着陆点、火星表面人类安全生活和工作相关的知识空白等。
公司还邀请了火星研究领域的名人，有几十人参与其中。一些研究人员接受了太空探索技术公司的观点，但其他人则持怀疑态度。随着时间的流逝，随着太空探索技术公司建造并测试原型机，甚至一些怀疑论者也开始相信这艘星舰的潜力。
“随着星舰逐渐成为现实，人们的观念开始发生变化，”参加火星研讨会的行星科学家和火星专家塔尼亚·哈里森(tania Harrison)说。“美国国家航空航天局选择使用星舰执行登月任务，是其可靠性的巨大提升。”
新白皮书
今年早些时候，许多参加研讨会的研究人员开始意识到，在利用星舰执行科学任务的过程中，美国国家航空航天局的参与迫在眉睫。因此，他们写了一份题为“通过太空探索技术公司星舰任务加速火星和月球科学”的白皮书，詹妮弗·何德满是第一作者。
来自学术界、工业界和太空探索技术公司的20多名火星研究人员(包括tania Harrison)在白皮书上签名。他们大声呼吁美国国家航空航天局的领导层，希望后者能为星舰科学载荷的开发提供资金。
这些科学家和工程师写道:“美国国家航空航天局必须制定一个与星舰发展道路一致的资助计划，包括快速发展时间表。与传统的行星科学任务相比，星舰具有相对较高的风险承受能力，如果成功，最终将带来很高的潜在科学价值。”
多年来，美国国家航空航天局行星探索的首要任务是从火星带回岩石样本，然后在地球上的高科技实验室进行详细研究。最后，该机构提出了与欧洲航天局(欧空局)合作的基线计划，并开始为火星样本的返回任务寻求一些资金。如果一切顺利，美国国家航空航天局希望在2031之前从火星带回几公斤的岩石样本。
因为星舰不仅可以在其他星球着陆，还可以从其他星球起飞，完全有能力改变火星样品的返回任务。据估计，星舰可能带回两吨重的岩石样本，而不仅仅是两公斤。
这种可能性让行星科学家非常兴奋，而且不仅仅是年轻一代。美国布朗大学的詹姆斯·海德在20世纪60年代帮助美国国家航空航天局选择了阿波罗登月计划的登月地点，并参与了登月宇航员的培训。之后，他开始了行星科学的杰出生涯。
海德热情地在白皮书上签名，并表示他赞赏太空探索技术公司的远见，并愿意为实现这一目标而努力。他还看到了在加利福尼亚州霍桑市太空探索技术公司总部推动阿波罗计划的年轻精神、活力和决心。“站在太空探索技术公司工厂的地板上，我体验了最接近阿波罗计划的感觉，”海德说。
美国国家航空航天局将如何行动？
美国国家航空航天局的坚忍号探测器在火星上自拍了一张照片。
目前，建立一个美国国家航空航天局项目来支持星舰的科学载荷似乎有点牵强。美国国家航空航天局通常倾向于将项目交给多个投标人，而不是为特定的飞机创建特定的项目。此外，即使美国国家航空航天局领导层决定创建一个星舰科学有效载荷的具体项目，美国国会(甚至白宫)是否会同意也是值得怀疑的。国会议员喜欢为他们的选区和州提供工作，美国国家航空航天局的传统承包商满足了这一需求。相比之下，太空探索技术公司非常注重削减成本和提高效率。它的工作在几个州进行，雇用的承包商相对较少。
此前，美国国家航空航天局对阿尔特弥斯的“人类登陆系统”进行了竞标，最终选择了太空探索技术公司的星舰作为唯一选择。美国国会对此提出了强烈反对。然而，对于飞往月球、火星以及更远地方的科学有效载荷计划，如果只能选择太空探索技术公司，美国国会将爆发更激烈的反对。
以火星样本返回任务为例。美国国家航空航天局计划与太空领域的重要盟友欧洲航天局合作，为美国国家航空航天局发射一个样品回收漫游车(在欧洲开发)和一个由诺斯罗普·格鲁曼公司制造的运载火箭。这一任务的发射时间不早于2026年，可能会搭乘联合发射联盟(ULA，洛克希德·马丁航天系统公司和波音国防航天安全公司的合资公司)的新型运载火箭Vulcan。然后，欧洲制造的返回轨道器将携带同样由欧洲开发的阿丽亚娜6号火箭，并将少量样本带回地球。
但也有相关人士提出，还有其他选择。有人建议，美国国家航空航天局应当建立一个“商业火星有效载荷服务”项目，分配向火星运送科学有效载荷的合同。
向CLPS学习项目
商业火星有效载荷服务项目将借鉴美国国家航空航天局的商业月球有效载荷服务(CLPS)项目，其主要目的是为私人公司提供资金，建造能够将美国国家航空航天局有效载荷运送到月球表面的航天器，如月球着陆器/飞行器、月球车和运载火箭。到目前为止，美国国家航空航天局已经为不同的投标人提供了6份合同，到2028年的总预算为26亿美元。
“火星探测计划分析小组”(MEPAG)的科学家也提出了类似的想法。他们认为，“类似于CLPS、聚焦火星的项目，可以促进未来火星探测技术和科学载荷的发展”。
在商业火星项目中，美国国家航空航天局可能会为其研究中心和其他学术团体提供资金。科学家将负责开发前往火星的科学有效载荷，并让它们支持星舰的使用。这可能会减轻美国国家航空航天局的一些政治压力。
美国国家航空航天局科学任务的总经理Thomas Zubqin也支持CLPS项目，并愿意承担一定程度的失败风险。他说，美国国家航空航天局应该考虑在未来几年内让所有大型火箭上线，并充分利用它们的能力。
未来可能的任务
在建造更多行星航天器的过程中，科学家们也会遇到其他障碍，因为他们越来越少考虑质量限制。世界上只有相对较少的人知道如何制造这样的航天器，培养更多的人需要时间。另一方面，航天器接受真空和振动测试的地面设施也非常有限；然后就是成本问题——科研探测器发射最贵的不是火箭，而是探测器。
一名美国国家航空航天局高级官员认为，由于这项任务是由星际飞船执行的，科学任务委员会的预算不应突然增加一倍。相反，星舰最终会降低飞船发射的成本，尤其是如果有能力频繁发射的话。
未来，太空探索技术公司可能会每两年提供一次飞往木星的定期“拼车”航班。不同大小的多个探测器可能携带同一艘星舰，并以其动力和推进力到达木星系统。一旦到达那里，每个航天器都可以飞到自己的轨道或目的地，并依靠星舰作为通信中继将信号发送回地球。这将为每次航天器发射节省大量的质量空间和推进剂。
太空探索技术公司可能在2024年向火星发射第一艘星际飞船；这可能只是一次试飞，以证明这个巨大的飞行器能够执行进入火星轨道的任务。在美国国家航空航天局的时间表上，没有任何科学探索任务能赶上这次首次飞行，但下一个火星窗口将在2026年底打开，这对太空探索技术公司和美国国家航空航天局来说似乎是一个更合理的时间。
对于美国国家航空航天局来说，在此期间将科学载荷放在飞往火星的星际飞船上是很有可能的。美国国家航空航天局喷气推进实验室可以用一套完全不同的科学仪器制造一个“坚忍”号火星车的复制品。美国国家航空航天局还可能发射两个火星勘测轨道飞行器的复制品，以取代火星上老化的通信基础设施。工程师们还可以扩大火星氧气原位资源利用实验(莫邪)的规模，从火星大气中生产更多的氧气。此外，美国国家航空航天局可以发送一个更大的钻头，深入火星的地下，看看里面是否真的更温暖、更潮湿。
一位美国国家航空航天局的消息人士说:“我们也很高兴为星舰装满像匠心号这样的飞船。”今年早些时候，Wit无人直升机锲而不舍地降落在火星上，成为第一架“在另一个星球上进行动力控制飞行”的飞机。
埃隆·马斯克自己也意识到了与科学界合作、提高星舰可行性的重要性。不久前，马斯克在美国国家科学院与科学家进行了一个多小时的交谈，表达了他对星舰、行星科学等更深刻话题的看法。
“星际飞船被设计成更广阔的太阳系的通用运输设备，”马斯克说。“你可以带一个100吨的物体到木卫二表面。这远远超过一枚小型火箭的运载能力。所以，我认为这非常令人兴奋。显然，我们还有很多要证明。但从建筑的角度来看，星舰几乎可以将任何质量运送到太阳系的任何固体表面。”