“太空旅行”並非想象中美好，機載燃料是最大障礙
出品| 晗冰
天體物理學家馬丁·里斯(Martin Rees)認為，所謂逃離地球，進行“太空旅行”是一種危險的錯覺，人們應當改變談論未來火星殖民地的方式。
上世紀50年代，我最喜歡讀的是名為《鷹》的漫畫，特別是其中名叫《丹·戴爾歷險記:未來的飛行員》的章節漫畫，書中精彩的插圖描繪了軌道城市、噴氣揹包和外星入侵者。當太空飛行成為現實，美國國家航空航天局的宇航員們所穿的宇航服、以及火箭發射、對接等對我來説很熟悉。
我們這一代人熱切地追隨着航天英雄們的壯舉:尤里·加加林(Yuri Gagarin)的第一次軌道飛行、阿列克謝·列昂諾夫(Alexey Leonov)的第一次太空行走，當然還有登月。我記得第一個進入軌道的美國人約翰·格倫(John Glenn)曾造訪了我的家鄉。格倫後來成為美國參議員，77歲時加入了STS-95航天飛機機組，成為了有史以來最年長的宇航員。
蘇聯的第一顆人造衞星“斯普特尼克1號”(Sputnik 1)是第一個進入軌道的人造物體，這與1969年美國人在月球表面完成歷史性的“一小步”之間只相隔了12年。我每次看月亮都會想起尼爾·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）和巴茲·奧爾德林（Buzz Aldrin）。當我們意識到他們是如何依賴原始計算和未經測試的設備完成登月時，他們的功績似乎更加英勇。實際上，時任美國總統尼克松演講稿撰寫人的威廉·薩菲爾(William Safire)曾起草了一份演講稿，如果宇航員在月球上墜毀或被困在那裏，尼克松就會發表這份演講稿。他們知道，如果遇到那種情況，宇航員並沒有希望被拯救。但他們也知道，宇航員的犧牲會成就人類的探索願望。
半個世紀後的今天，阿波羅計劃仍然是人類太空探險的高峯。上世紀60年代，美國國家航空航天局拿到了美國聯邦4%以上的預算，目前的數字是0.6%。
在接下來的幾十年裏，又有數百人冒險進入太空。但從某種意義上説，他們只不過是在低軌道上繞着地球轉了一圈。國際空間站(ISS)可能是有史以來建造的最昂貴人造物。加上為其提供服務的航天飛機(儘管它們現在已經退役了)，它的成本高達12位數。國際空間站的科技回報不容忽視，但它的成本效益比無人駕駛航天器要低。這些航行也不像美國和俄羅斯曾經進行的太空探險那樣鼓舞人心。國際空間站只在出現問題時才會引人關注:例如，廁所出了故障或當宇航員在表演“特技”。
太空技術在過去的四十年裏迅速發展起來。我們通常依靠軌道衞星進行通信、導航、環境監測、監控以及天氣預報。這些服務主要使用航天器，雖然是無人駕駛的，但價格昂貴，工藝複雜。而相對便宜的小型衞星市場正在不斷擴大，一些私人公司正打算滿足這一需求。
總部位於舊金山的PlanetLab公司開發併發射了一羣鞋盒大小的航天器，其任務是重複成像並覆蓋全球，儘管分辨率不是特別高(3-5米)，但其宣稱每天都能對世界上的每棵樹進行觀察。該系統中的88顆衞星在2017年作為單枚印度火箭的有效載荷發射升空。
為了獲得更清晰的分辨率，需要一顆更大、光學設備更精密的衞星，這些小型立方體衞星的數據仍有商業市場，可以用來監測農作物、建築工地、漁船等，它們對如何應對災害也很有幫助。現在甚至可以部署更小的晶片薄衞星，這種航天器利用了消費微電子領域鉅額投資所產生的技術。
太空望遠鏡有效推動了天文學的發展。在遠離地球大氣層模糊和吸收效應的太空軌道上，太空望遠鏡向地球發回了關於宇宙的清晰圖像。它們用紅外線、紫外線、X射線和伽瑪射線波段探測天空，這些波段不能穿透大氣層，因此無法從地面直接觀測到。太空望遠鏡已經發現了黑洞和其他外星生物的證據，並以很高的精度探測到了“宇宙誕生的餘輝”——瀰漫在所有空間中的微波輻射，這些微波的性質為宇宙誕生之初的線索。
對公眾更具吸引力的是宇宙飛船的新發現，目前人類航天器已經到過太陽系的所有行星。美國國家航空航天局的“新視野號”從冥王星發回了令人驚歎的照片，其距離地球要比月球遠一萬倍。歐洲航天局的“羅塞塔號”將機器人送上了一顆彗星。這些航天器花費長達5年的時間進行設計和建造，然後又花了近10年的時間到達遙遠的目標。卡西尼號探測器花了13年的時間去研究土星和它的衞星，從它的發射到2017年底最後一次進入土星，已經過去了20多年。不難想象，這些任務的後續行動會有多麼複雜。
本世紀，整個太陽系的行星、衞星和小行星將由微型機器人太空探測器組成的艦隊進行探測，它們之間可以相互作用。巨大的機器人制造商將能夠在太空中建造太陽能收集器和其他人造物。哈勃望遠鏡項目的繼任者們在零重力下組裝超大太空望遠鏡，這將進一步擴大我們對系外行星、恆星、星系和更廣闊宇宙的瞭解，再下一步將是太空開採和製造。
機器學習正在飛速發展，傳感器技術也是如此。相比之下，載人和無人飛行任務的成本差距仍然很大。隨着機器人和微型化設備的不斷進步，載人航天的實際應用將變得越來越小。
如果“阿波羅精神”(Apollo spirit)得到復興，並且人類有了更加豐富的想法，那麼永久性的月球基地將是下一步的發展方向。它的建造可以通過機器人來完成：從地球上運送補給，從月球上採礦。到時候可以考慮沙克爾頓環形山，它位於月球南極，直徑21公里，邊緣高4公里。由於隕石坑的位置，它的邊緣總是在陽光下，因此避開了幾乎所有月球表面的極端温度。此外，在隕石坑永久黑暗的內部可能有很多冰，這對於維持一個月球“殖民地”是至關重要的。
在月球面向地球的那一半建造基地的實際意義巨大。但有一個例外:天文學家希望在月球另一側設置巨大的太空望遠鏡，因為這樣它就可以免受地球人造輻射的影響，這將給那些尋求探測非常微弱宇宙輻射的射電天文學家提供很大的幫助。
自從阿波羅號(Apollo)發射以來，美國國家航空航天局的載人航天計劃一直受到制約，他們需要規避風險。航天飛機在135次發射中有兩次失敗，宇航員或測試飛行員願意接受這種不到百分之二的風險。每一次失敗都在美國造成了全國性的創傷，隨後讓載人航天計劃出現中斷，同時付出代價高昂的努力(效果非常有限)以進一步降低風險。
現在生活在地球上的一些人希望能夠在有生之年踏上火星。這是一種冒險，也是人類邁向其他星系的第一步。但想要實現這一目標，並非易事。
我認為載人航天的未來掌握在冒險家手中。由伊隆·馬斯克(特斯拉電動汽車CEO)領導的SpaceX，或者由亞馬遜創始人傑夫 貝佐斯(Jeff Bezos)資助的藍色起源很快將向付費用户提供軌道飛行服務。這些企業將硅谷文化帶入了一個長期由美國國家航空航天局和一些航空航天集團主導的領域，驗證了回收和再利用火箭的可能性，預示了真正的成本節約。他們創新和改進火箭技術的速度遠遠快於美國國家航空航天局和歐洲航天局的速度，最新的獵鷹火箭能夠將50噸重的有效載荷送入軌道。
是時候摒棄太空冒險應該是國家(甚至是國際)項目的思維定勢了。對空間的開發需要一些公共監管，但推動力可能來自私人或企業。
前不久，伊隆·馬斯克(Elon Musk)宣佈，日本億萬富翁前澤友作(Yusaku Maezawa)為他和6位朋友購買了第一次“太空旅行機票”，預計2023年發射升空。企業家、前宇航員丹尼斯·蒂託(Denis Tito)提出，如果有了新的重型發射器，就可以把人送到火星再返回，而無需着陸，這需要隔離大約500天的時間。理想的“太空旅行”人員是一對感情穩定的中年夫婦，因為他們的年齡比較成熟，不容易為旅途中積累的高劑量輻射而煩惱。
現在應當避免使用“太空旅行”一詞，它會讓人們覺得這樣的冒險是普通的，風險也很低。
在地球軌道上的空間飛行和冒險前往太空深處更遠的那些人來説，最重要的障礙來自化學燃料的內在效率低下，發射裝置能夠攜帶的重量遠遠超出有效載荷的燃料要求。只要我們仍然依賴化學燃料，星際旅行仍將是一個挑戰。但核能可以帶來變革，通過允許更高的航向速度，它將大大縮短到火星或小行星的中轉時間(不僅減少宇航員的無聊感，也減少了他們暴露在破壞性宇宙輻射下的時間)。
如果燃料無需被運送到太空中，將會取得更大的效率。例如,技術上可以通過太空升降機（一條長30000公里的碳纖維繩索）將太空船送入軌道。這條繩索垂直向上延伸超出地球靜止軌道的高度，因此會被離心力拉緊。另一種方案設想在地球上產生強大的激光束，推動附着在航天器上的“光帆”。這對於輕型太空探測器來説是可行的，原則上可以將其加速到光速的幾分之一。
更高效的機載燃料可以將載人航天飛行從高精度控制轉變為幾乎不需要技術的操作。如果像目前的“太空旅行”一樣，人們必須事先詳細規劃整個旅程，並且中途沒有改變計劃的機會，那麼駕駛太空飛船將是一項艱鉅的任務。如果有充足的燃料進行中途補充(以及隨意減速和加速)，那麼星際旅行將是一項低技能的任務，甚至比駕駛汽車或輪船更簡單。
到2100年，像菲利克斯 鮑姆加特納(Felix Baumgartner)(奧地利跳傘運動員，2012年其通過高空氣球自由落體首次突破音障)那樣的冒險家可能已經在火星或小行星上建立了獨立於地球的“基地”。但千萬別指望會有大規模的移民。在我們的太陽系中，任何一個地方的環境都要比南極洲或珠穆朗瑪峯惡劣。對於厭惡風險的普通人來説，沒有“行星B”。
但我們應該為勇敢的太空冒險家喝彩，因為他們將在引領後人類的未來，在歷史發展中發揮關鍵作用。