星舰可以为探索太空提供一种革命性的新方式。

Eric Berger  2021年12月1日发布于 arstechnica.com

Jennifer Heldmann盯着桌子上的电脑屏幕，看着火箭的上一级撞上了月球南极附近的一个陨石坑——以科学的名义，一块2.3吨重的钢铁撞击月球的力量相当于2吨TNT炸药。

那是2009年10月，Heldmann在位于加州埃姆斯的美国国家航空航天局(NASA)科学操作中心内追踪了这次撞击。作为一名33岁的行星科学家，她正在NASA执行她的第一个重大任务，通过协调地面望远镜对撞击进行观察。

美国宇航局试图通过月球陨坑观测和遥感卫星(LCROSS)任务“和冰发生接触”。虽然阿波罗号在20世纪60年代和70年代初着陆时发现了一个灰色、贫瘠的世界，但科学家们后来开始相信，在两极的陨石坑边缘下，有一些冰被困在永远黑暗的地方，这是数十亿年来彗星撞击的残留物。“半人马座”(Centaur)的任务是炸掉其中一个陨石坑，看看科学家们的想法是否正确。

在仔细研究了这些数据后，NASA宣布，它确实在“半人马座”撞击激起的蒸汽中发现了水，以及爆炸喷出的物质。

对Heldmann来说，这是她职业生涯的关键时刻。这段经历坚定了她作为行星科学家跟踪水的兴趣。她说:“这项任务的结果如此深远，真是令人惊讶。”

在月球上发现水冰，标志着一个时代——行星科学家们在整个太阳系都发现了冰和水：无论是在冰封的木卫二和土卫二上，还是在火星表面和地底，甚至可能在更远的地方，比如冥王星或海王星最大的卫星特里同（Triton）的内部。当他们观察地球以外的地方时，科学家发现水几乎无处不在。当科学家们观察地球以外的地方时，发现水几乎无处不在。

这些发现带来了各种诱人的前景。在有水的地方——或者曾经有水的地方——生命就可能发展起来。因此，科学家们不再只是在火星上长期干涸的湖床中寻找化石；他们开始在木卫二、土卫二和其他地方的浩瀚海洋中寻找生命有机体。对于人类的探索，水的广泛存在也提供了一个巨大的机会。哪里有水，哪里就有火箭燃料的组成部分——液氢和液氧。

这些发现在很大程度上影响了NASA科学和载人航天计划的重点。NASA越来越多地利用其每年约30亿美元的行星科学预算来支持可能在其他星球上发现过去甚至现在生命的任务。在过去的四年里，NASA一直在制定一项计划，将宇航员送上月球，可能会尝试在那里提取水，作为将人类送上火星的前置任务。

对科学家来说，问题总是比答案多。他们想要执行的任务总是比可用的资金多得多。水的无处不在只会增加科学家们的期望，让机器人进入太阳系，以确定冰沉积物和地下海洋的特征。正如我们了解到太阳系的秘密比我们想象的要多得多——这使得我们无法飞到那里并解开它们是尤其令人沮丧的。

但如果我们可以呢?

一些行星科学家已经开始认同这样一种观点，即SpaceX的新星舰火箭具有前所未有的提升能力，而且可能具有打破常规的低成本，它可能会让太阳系进入一个探索的新时代。想象一下，向木卫二发射一个着陆器，木卫二上有一个巨大、温暖的次表层海洋。在最近的NASA计划会议上，科学家们考虑发射一艘耗资数十亿美元的复杂航天器，在木卫二上进行科学研究。充其量，他们希望能在火星上着陆一个大小和质量与迷你冰箱相当的科学仪器。

相比之下，有了星舰，NASA可能会把一堆科学有效载荷发射到那些星球的表面，其大小相当于一幢没有家具的单层房子。

“你可以真正利用星舰的结构优势，以我们以前从未想过的方式到达外太阳系，”Heldmann说。“它可能为探索这些世界提供一种革命性的新方式。”

星舰项目的起源

SpaceX的工程师们已经在星舰的研发上认真工作了大约5年，在过去的12个月左右，他们已经完成了几次早期测试飞行。虽然还有很多技术工作要做，但该公司似乎正在研制一种可完全重复利用、低成本、能将多达100吨载荷送到太阳系大多数天体表面的超重型火箭。

SpaceX及其创始人埃隆·马斯克(Elon Musk)将星舰视为将人类送上火星并最终在那里建立自给自足的定居点的关键火箭。但这样的航天器在科学、探索和防御方面还有无数其他用途。

高度可靠的星舰飞船可能还需要几年的时间，但它可能会在2022年初开始一系列的轨道测试飞行。NASA的人类探索项目现在对Starship非常有信心，以至于选择它作为其阿尔特弥斯月球计划的着陆系统。现在，如果星舰失败了，NASA就无法重返月球了

“星舰飞船可以给火星和其他地方带来前所未有的大量的有效载荷，”Heldmann说。“行星科学家需要思考的是我们如何去利用这种能力，因为它是非凡的。如果我们想利用这些机会，在无人测试飞行中运送有效载荷，我们就需要行动起来。”

2018年，SpaceX首次接触行星科学界，举办了一系列“火星讲习班”，解决了一些基本问题，比如火星上可能的着陆点，以及人类在火星表面安全生活和工作之前需要填补的知识空白。

该公司邀请了火星研究界的知名人士，有几十人参与其中。一些人已经接受了SpaceX的愿景，但其他人持怀疑态度。随着时间的推移，随着SpaceX制造和原型机测试，就连一些怀疑论者也开始相信星舰项目真的会实现。

参与会议的行星科学家、火星专家Tanya Harrison说:“随着星舰飞船开始变得更加真实，它改变了人们的想法。”“选择星舰飞船执行月球任务是非常可靠的。”

新白皮书

今年早些时候，许多研讨会参与者开始意识到让NASA参与使用星舰飞船进行科学任务的紧迫性。因此，他们写了一份白皮书（PDF见链接），Heldmann是第一作者，题为《通过SpaceX星舰任务加速火星和月球科学》。

来自学术界、工业界和SpaceX的20多名火星研究人员，也包括Tanya Harrison，在这篇论文上签了字。它向NASA的领导层发出了响亮的呼吁，开始为能够在星舰飞船上飞行的科学有效载荷提供资金。

这些科学家和工程师写道："NASA必须制定一个与星舰开发方法一致的资助计划，包括一个快速的开发时间表，与传统的行星科学任务相比，相对较高的风险承受能力，如果成功，最终将有很高的潜在科学价值。”

星际飞船的关键区别是质量。如今，当一名科学家计划探索另一个世界时，有两大制约因素:成本和质量。星舰可能对成本有一些影响，提供更大的火箭以更少的成本。但最大的变化是，科学家不再需要过度关注质量。他们可以携带更多的仪器，更多的防护设备，更多的东西。Harrison说："这完全改变了游戏规则。”

多年来，NASA的最高行星探索优先级一直是从火星带回岩石样本，在地球上的高科技实验室进行研究。最后，该机构提出了一个基本的计划，与欧洲航天局合作，并开始为火星样本返回任务争取一些资金。如果一切顺利，NASA希望在2031年前从火星带回几公斤岩石。

因为星舰飞船不仅可以在其他星球上着陆，还可以从其他星球起飞，它可以完全改变火星样本返回任务。星舰可能能够返回2吨的岩石，而不是能够处理2公斤的岩石。

这种潜力真的让行星科学家们感到兴奋，而不仅仅是年轻一代。布朗大学的James Head在20世纪60年代帮助NASA选择了阿波罗登月地点，并训练了在那里着陆的宇航员。从那以后，他就开始了杰出的行星科学生涯。

Head热情地签署了白皮书，并表示他很欣赏SpaceX的愿景，并正在努力实现这一目标。在位于加利福尼亚州霍桑的SpaceX总部，海德说，他看到了推动阿波罗计划的那种年轻、活力和决心。

“在SpaceX工厂的地板上，是我感觉最接近阿波罗计划的地方，”Head说。

NASA会这么做吗？

在这个时候，创建一个专门资助NASA星舰飞船上的科学有效载荷的项目似乎有点牵强。NASA通常倾向于将项目授予多个竞标者，而不是为一个特定的飞行器创建一个特定的项目。

而且，即使NASA的领导层决定为科学有效载荷创建一个星舰的特定项目，国会(甚至白宫)是否会同意也值得怀疑。国会议员喜欢在他们的选区和州工作，而NASA的传统承包商提供了这一点。相比之下，SpaceX非常注重削减成本和效率。它在相对较少的州运作，雇佣较少的分包商。

当NASA为人类着陆系统(Human Landing System)举办了一场竞赛，并最终选择了SpaceX的星舰作为唯一选择时，国会提出了激烈的抗议。但是，与国会对选择一个只有SpaceX的科学有效载荷计划去月球、火星等地的愤怒相比，这种反应可能还算温和。

以火星样本返回任务为例。NASA计划与太空领域的重要盟友欧洲航天局合作，发射一辆样本回收漫游者(在欧洲开发)和一辆由诺斯罗普·格鲁曼公司为NASA制造的火箭。这项任务不早于2026年发射，可能会搭乘联合发射联盟（ULA）的火神火箭。然后，欧洲制造的返回轨道器将搭载欧洲阿丽亚娜6号火箭将少量样品带回地球。

这样的任务可能会得到广泛的政治支持，因为它将为多个美国承包商提供资金，并加强与欧洲的关系。相比之下，在星舰飞船上执行只有SpaceX的任务将会惹恼NASA的其他承包商，欧洲航天局，以及支持他们利益的政客。

尽管如此，白皮书的作者认为，尽管面临政治阻力，强调星舰的潜在价值还是很重要的。

“这就是政治现实，你说得对，”Head说。“另一方面，如果我们不指出这一点，它就永远不会发生。”他说，星舰的发展是一个黄金机会，让NASA重新思考半个多世纪以来它是如何进行探索的。错过这一机会将是一种耻辱。

其实还有其他的选择，本文采访的几位人士建议NASA建立一个“商业火星有效载荷服务”计划，借此授予开发和向火星运送科学有效载荷的合同。

借鉴CLPS项目的经验

该项目将模仿NASA的商业月球有效载荷服务(CLPS)项目，该项目向私人公司提供资金，以建造能够将NASA有效载荷带到月球表面的航天器。到目前为止，NASA已经向不同的竞标者授予了六份合同，到2028年的总预算为26亿美元。

有影响力的火星探索计划分析小组的科学家们已经提出了这样的想法，他们认为“以火星为重点的CLPS这样的计划可以开发未来探索的技术，并交付科学有效载荷。”

在一个商业化的火星项目中，NASA可能会为其现场中心和学术团体提供资金来开发有效载荷，然后让科学家负责购买前往火星的交通工具。这可能会缓解NASA的一些政治压力。

NASA的科学任务总负责人Thomas Zurbuchen也支持CLPS项目，并愿意承担一些失败的风险。他说，该机构应该考虑在未来几年上线的所有大型火箭，并充分利用它们的能力。

Zurbuchen在一次采访中说：“在10年的时间尺度上，重型发射的可行性，无论是星舰飞船，SLS，还是其他大型火箭，都是需要考虑的一个非常重要的因素。”

NASA的另一位高级官员与ars网站进行了交谈，为了自由地发言，他被允许匿名。

“我确实认为行星科学界正在关注，”这位官员说。“他们正在关注着，我认为将会有很大的变化。在某种程度上，风险会很低，人们会开始提议一个用星舰搭载的探索级任务。我们刚刚进行了Lucy任务（小行星探测），而“Psyche”任务也在开发中。这两个任务是同时选择的，而且都是去小行星。也许这两个人可以一起由星舰搭载”

我们可做的一切

随着科学家们的思考摆脱了质量问题的束缚，他们将遇到其他障碍，以建立更多的行星航天器。世界上只有相对较少的人知道如何制造这样的航天器，培训更多的人需要时间。在有限数量的地面设施中，航天器可以接受真空和振动测试。然后是成本问题——科学探测器发射最昂贵的部分不是火箭，而是宇宙飞船。

“仅仅因为星舰飞船在飞行，我不认为科学任务理事会的预算会突然翻倍，”NASA官员说。

然而，星舰最终可能会削减这些成本，尤其是在有能力频繁发射的情况下。

考虑到SpaceX可能每两年提供一次飞往木星的定期拼车飞行。几个大大小小的探测器可能由一艘星舰飞船携带，利用它的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它们的轨道或目的地，并依靠星舰飞船进行通信中继返回地球。这将为每个航天器节省提供巨大的质量和推进剂。

SpaceX可能在2024年将其第一艘星舰飞船发射到火星；这可能只是一次测试飞行，以证明这个巨大的飞行器可以执行跨火星飞行，然后进入红色星球的轨道。NASA的日程安排很紧，无法将任何科学探测挤到首次飞行中，但下一个火星窗口将在2026年底开启。对SpaceX和NASA来说，这似乎是一个更合理的目标。

对于NASA来说，如果它想在这段时间内在飞往火星的星舰飞船安放载荷，它有很多事可以做。NASA的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“毅力”号探测车的复制品。NASA可能会发射一对一样的的火星勘测轨道器(Mars Reconnaissance Oribiter)，以替换其在火星上老化的通信基础设施。工程师们可以扩大火星氧资源利用实验(MOXIE)的规模，从火星大气中产生更大量的氧气。NASA也可以发送一个更大的钻头深入地下，看看内部是否真的更温暖和更潮湿。

NASA的消息人士说：“我们也很高兴用创意去填满一艘＂星舰＂。”他指的是今年早些时候登陆火星后仍在火星上飞行的大获成功的直升机。

马斯克自己也意识到与科学界合作以及提升星舰飞船可行性的重要性。上个月的一个晚上，马斯克在著名的美国国家科学院(National Academies)与科学家们进行了一个多小时的交谈https://www.bilibili.com/video/BV1F34y1R7Qt/，就星舰飞船、行星科学和其他更深奥的话题回答了科学家们一个接一个的问题。

马斯克告诉科学家们：“星舰飞船被设计成一个整个太阳系的通用运输机制。”“你可以把100吨重的物体带到木卫二表面。这比你用小型火箭做的要多得多。所以我认为这是非常令人兴奋的。显然，我们还有很多事要证明。但从设计上看，它几乎可以将任意质量输送到太阳系中的任何固体表面。”

这看起来有点奇怪，也有点可爱。这是埃隆·马斯克，世界上最富有的人，在Twitter上如此有争议，在今天的政治讨论中如此有争议，似乎赢得了这个国家一些最聪明的人的支持。科学家们很感激他的时间，并渴望了解更多关于星舰如何有助于他们的研究。

太阳系里可能到处都是冰，但那天晚上，马斯克成功地在地球上融化了一些冰。

文章来源：https://arstechnica.com/science/2021/12/planetary-scientists-are-starting-to-get-stirred-up-by-starships-potential/?utm_brand=arstechnica&utm_source=Twitter&utm_social-type=owned&utm_medium=social

月球陨坑观测和遥感卫星(LCROSS)任务：http://zhuanti.spacechina.com/n561816/n562390/n568131/c567207/content.html

新白皮书：https://surveygizmoresponseuploads.s3.amazonaws.com/fileuploads/623127/5489366/111-381503be1c5764e533d2e1e923e21477_HeldmannJenniferL.pdf