王景泉(北京空間科技信息研究所)
□□從2004年美國政府“太空探索新構(gòu)想”的提出到可具體實施的星座計劃的出臺,美國上下不斷對航天飛機(jī)、“國際空間站”(ISS)的使用期限和重返月球、飛往火星戰(zhàn)略目標(biāo)等問題發(fā)表各自的見解。目前,“太空探索新構(gòu)想”和星座計劃進(jìn)退維谷,奧巴馬政府組織高層評審委員會進(jìn)行研究,對諸多問題重新梳理和認(rèn)識,以確認(rèn)載人航天發(fā)展方向,提出解決方案,但該委員會提出的報告并未得出明確的結(jié)論,讓奧巴馬政府左右為難。本文整理了美國大學(xué)和咨詢機(jī)構(gòu)幾種不同的觀點,這些觀點反映出美國載人航天決策的艱難。
目前美國載人航天未來的發(fā)展已處在關(guān)鍵時期。美國一些咨詢機(jī)構(gòu)提出了對未來發(fā)展影響較大的、必須解決的關(guān)鍵問題。
現(xiàn)在是發(fā)展航天飛機(jī)退役后新型空間運(yùn)輸系統(tǒng)的一個好機(jī)會,下一次機(jī)會不知要等多少年。美國自身需要驗證如何保持太空探索領(lǐng)先地位,同時美國也是國際航天事業(yè)的重要合作伙伴。為此,美國必須在其已經(jīng)發(fā)展的領(lǐng)域之外,確定更明確的發(fā)展意圖。美國如果要擁有以前未曾有過的能力,還必須明確從月球以遠(yuǎn)到深空目標(biāo)的探測范圍。一旦實現(xiàn)這些目標(biāo),就能證明美國載人航天的發(fā)展超越了美國航空航天局(NASA)前40年所取得的成就。近地行星或太陽-地球平衡點等探測任務(wù)應(yīng)在發(fā)展重返月球及其支持硬件之前實施,任何新的航天運(yùn)輸系統(tǒng)都應(yīng)具有飛往月球以遠(yuǎn)目標(biāo)的能力。最終的目標(biāo)應(yīng)是在下一個50年的某個時間把人送上火星。
為了實現(xiàn)原定的目標(biāo),NASA需要在很多方面作出犧牲。在工程方面有3個可控制的變量:成本、計劃、性能。如果計劃流程和機(jī)構(gòu)預(yù)算固定,在技術(shù)挑戰(zhàn)使成本不可避免地增加時,繼續(xù)發(fā)展的選擇要么是折中技術(shù)性能,要么是犧牲其他項目的調(diào)用資金。為了實現(xiàn)2020年重返月球的目標(biāo),當(dāng)不能從管理和預(yù)算辦公室獲取需要的資金時,上述兩種辦法NASA都采用過。為了以與可利用預(yù)算相稱的步調(diào)實現(xiàn)目標(biāo),2020年這一重返月球的期限就必須解除。
未來的月球基地設(shè)想圖
美國前總統(tǒng)布什確定2020年重返月球目標(biāo)產(chǎn)生的另一個結(jié)果是,對NASA把月球作為目的地產(chǎn)生了爭議,星座計劃的驅(qū)動因素幾乎全部來自于月球,而很少關(guān)注其他目的地。關(guān)于星座計劃,目前符合規(guī)定要求的設(shè)計就是重返月球,這是高成本適應(yīng)既定目標(biāo)的方案,對于其他探測目標(biāo)有必要重新構(gòu)想。因此,除了實現(xiàn)重返月球的最終期限需要解除外,還要解決將月球作為唯一目標(biāo)的問題。
對于阿波羅計劃來說,成本不是問題?!伴_始研制就有錢”的思維定式延續(xù)到航天飛機(jī)和空間站,也殃及到當(dāng)今重返月球的星座計劃。但從有限成本的角度看,今天的NASA似乎無法在現(xiàn)有投入下確定載人航天的途徑。NASA主要集中于滿足星座計劃的工程要求,而較少關(guān)注于研制和運(yùn)行成本,從而成為計劃向前推進(jìn)的障礙。如果按目前NASA有限的預(yù)算,以及對星座計劃研制成本和2015年以后支持ISS的模糊要求,2020年重返月球的目標(biāo)是無法實現(xiàn)的。事實證明,實現(xiàn)低成本和持續(xù)發(fā)展的最佳途徑是最大限度地利用現(xiàn)有航天運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施。
太空不再是美國和俄羅斯的專有領(lǐng)域,已經(jīng)日益國際化;太空也不再是國家驕傲的唯一標(biāo)志,而成為外交和國際合作的手段。美國不應(yīng)在該領(lǐng)域再因為虛榮心而孤立自己,必須歡迎新的國際合作伙伴,實現(xiàn)互惠互利,構(gòu)建太空探索事業(yè)的聯(lián)合能力。事實上,包括美國在內(nèi)的任何一個國家要想擁有這種探索太空的能力都會感到困難重重,或者說一個國家獨立實施載人深空探索是不可能的。由于需要進(jìn)行多次大型發(fā)射任務(wù),ISS已經(jīng)開創(chuàng)了國際合作、伙伴分擔(dān)的先例。盡管美國和俄羅斯都有過各自獨立的載人航天計劃,但最后真正的工程實施,還是以合作形式實現(xiàn)了ISS計劃。ISS計劃為地球軌道以遠(yuǎn)目標(biāo)的國際合作進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ),可以將ISS國際合作的模式加以延伸,作為工程技術(shù)和新時代國際合作的起點。
從探索委員會首次會議開始,公眾評論家就提出了中肯的質(zhì)詢,這些質(zhì)詢可簡單概括為“NASA只關(guān)注工程和飛行器問題,而沒有說明去干什么,什么時候達(dá)到目的,計劃是什么,是否要到達(dá)月球以遠(yuǎn)的目標(biāo)”。要贏得公眾的支持,應(yīng)該讓公眾了解這些目標(biāo)及其發(fā)展目的。NASA已經(jīng)證明了自身具備能勝任的技術(shù)能力,盡管機(jī)構(gòu)內(nèi)外進(jìn)行了許多研究,已經(jīng)闡述了探索太空的必要性,但還是需要增強(qiáng)公眾的輿論支持力。
2009年11月25日航天飛機(jī)拍攝的ISS
對于任何長期太空探索事業(yè),必然會經(jīng)歷多屆政府的決策,各屆政府也必須確定帶有具體里程碑的投資策略,像阿波羅計劃那樣(盡管更多的是將該計劃作為策略),要使公眾了解計劃的具體情況,獲得公眾支持,步調(diào)一致地奔向目標(biāo)。這一過程之所以必要,不僅僅是由于公眾支持的需要,而且也由于每一屆新政府對于新計劃必要性認(rèn)識的需要。NASA的太空探索計劃將使國家的年輕一代受到鼓舞,對未來充滿希望,是向時代挑戰(zhàn)的美國夢想。國家必須向公眾表明立場,此次探索對美國意義重大,而不僅僅是40年前阿波羅登月計劃的簡單重復(fù)。
NASA載人和機(jī)器人探索事業(yè)已經(jīng)形成了獨立的文化,事實上每一項計劃都和其他計劃有某種關(guān)聯(lián)?,F(xiàn)在,由于載人航天經(jīng)費(fèi)不足,機(jī)器人科學(xué)事業(yè)得到了促進(jìn),高性能的機(jī)器人技術(shù)也對載人航天形成了威脅,導(dǎo)致對載人航天了解不深刻的科學(xué)家的評論抹殺了載人航天的美好前景。載人航天和機(jī)器人技術(shù)對航天機(jī)構(gòu)都異常重要,也難以分離,因此機(jī)器人探索和載人探索應(yīng)該有相同的優(yōu)先級,并能夠有效地相互支持。
美國萊斯大學(xué)的研究報告試圖為NASA提供新的參考性發(fā)展方案,并根據(jù)現(xiàn)有能力和現(xiàn)實預(yù)算提出建議。該報告提出,奧巴馬政府給NASA發(fā)展提供了難得的新機(jī)會,但需要調(diào)整策略。在載人航天領(lǐng)域,最好不要繼續(xù)走嘗試縮小載人航天斷檔期的彎路,也不要在目前的載人航天構(gòu)想上繼續(xù)耗費(fèi)關(guān)鍵資源。在新政府的第一任期內(nèi),NASA要努力對冷戰(zhàn)后的世界發(fā)展作出中肯、清醒的判斷,并重構(gòu)載人航天的目標(biāo)。
2009年1月奧巴馬就職典禮以后,美國進(jìn)入新的改革時代,但目前美國航天計劃面臨許多難題。盡管在ISS大型硬件的組裝方面已經(jīng)取得了巨大的成功,但在航天飛機(jī)運(yùn)行中發(fā)生的悲劇和遇到的難題,使NASA在非常艱難的情況下被迫自我發(fā)展。
目前美國載人航天未來的發(fā)展已處在關(guān)鍵時期。美國一些咨詢機(jī)構(gòu)提出了對未來發(fā)展影響較大的、必須解決的關(guān)鍵問題。
美國新型月球車在2009年總統(tǒng)就職典禮上展示
布什政府集中于“太空探索新構(gòu)想”產(chǎn)生的更嚴(yán)重后果是:2010年以后美國要依賴俄羅斯進(jìn)行載人航天運(yùn)輸,每一次運(yùn)輸都要支付大量資金;不重視科學(xué),特別是削減在ISS上的科學(xué)研究項目,這給國際合作伙伴的參與熱情潑了冷水。另外,星座計劃預(yù)算超支、研制時間推遲,且只能形成有限的能力。特別是,全部聚焦于重返月球的理由沒有很強(qiáng)的說服力,難以形成國家的一致意愿。
航天飛機(jī)飛往空間站
萊斯大學(xué)的研究報告認(rèn)為,在短期內(nèi),NASA的外層空間載人飛行應(yīng)從以月球和火星為目標(biāo)快速轉(zhuǎn)向與能源和環(huán)境有關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域,應(yīng)該更多地強(qiáng)調(diào)對地球和在近地軌道進(jìn)行研究,包括大力拓展和提高地球觀測系統(tǒng)能力。對于地球軌道以遠(yuǎn)的太空探索計劃,NASA應(yīng)和國際合作伙伴進(jìn)行長期研究與規(guī)劃。
地球上能源安全和對環(huán)境的威脅,特別是氣候變化及其對地球生態(tài)、陸地表面、海洋和全球人類生活的影響,將是人類在今后50年乃至更長時間所面臨的最具挑戰(zhàn)性的問題。能否解決好國家安全、外交政策、經(jīng)濟(jì)和社會平等問題將更多地取決于國家對上述挑戰(zhàn)的反應(yīng)能力。NASA擁有三大資源,能對這些挑戰(zhàn)作出更大貢獻(xiàn)。
第一,NASA具有航空和航天運(yùn)行方面的獨特能力,具有觀測地球環(huán)境的極大優(yōu)勢。自20世紀(jì)70年代美國發(fā)射了第一顆“陸地衛(wèi)星”(Landsat)以后,NASA就承擔(dān)了這一領(lǐng)域的關(guān)鍵任務(wù)。遺憾的是,NASA沒有持續(xù)擴(kuò)大這一成果,這是由于一定程度上受限于圍繞全球變暖和氣候變化引起的政治爭論。這一障礙可以通過加強(qiáng)對全球氣候變暖科學(xué)依據(jù)的研究和擴(kuò)大新一屆政府制定的應(yīng)對政策的開放度來消除。
第二,NASA有獨特的手段建立新的模型,管理大規(guī)模工程和計劃。這些獨特的手段包括完成工作所要求的計算機(jī)建模、大規(guī)模計算,以及飛機(jī)、衛(wèi)星和通信等手段。NASA與對氣象和氣候預(yù)報負(fù)有主要責(zé)任的國家海洋與大氣局(NOAA)、美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)和大氣研究國家中心(NCAR)之間加強(qiáng)合作,再通過國家基金會的支持,將是提高未來美國氣象預(yù)報和氣候預(yù)測的關(guān)鍵。但只有NASA具有設(shè)計和發(fā)射地球觀測所需要的衛(wèi)星的科學(xué)、工程和技術(shù)能力。
第三,由于任務(wù)的獨特性,NASA積累了與可選擇的能源系統(tǒng)有關(guān)的廣泛工程經(jīng)驗,如風(fēng)力渦輪機(jī)、太陽電池陣、燃料電池等。NASA也是具有改進(jìn)所有類型飛機(jī)燃料效率經(jīng)驗的主要機(jī)構(gòu),而這些能力又是NASA任務(wù)成功的關(guān)鍵。
基于上述分析,萊斯大學(xué)的研究報告提出如下建議。
這是到目前為止最具挑戰(zhàn)性的建議。進(jìn)行重構(gòu)的一個途徑是將早期聚焦于月球和火星的目標(biāo)轉(zhuǎn)向增強(qiáng)對ISS的支持。支持ISS的理由很充分,繼續(xù)太空和平利用的國際合作,特別是通過ISS進(jìn)行科學(xué)研究,這些都將十分重要。將航天飛機(jī)飛行時間延長到2015年以后,可以減少ISS對俄羅斯航天運(yùn)輸系統(tǒng)的依賴,并能滿足所有ISS用戶往返的要求。
對于星座計劃,建議通過取消戰(zhàn)神-1(Ares-1)火箭來實現(xiàn)計劃重構(gòu),即使Ares-1成功,也無法具備比其他運(yùn)載器更多的優(yōu)勢,主要問題是研制時間太長、資金太緊缺。另外,也建議取消其他與月球表面有關(guān)的工作,包括月球著陸器、月球航天服、漫游車及其他月球表面系統(tǒng)的研制。對NASA來說,載人重返月球所遇到的這些問題關(guān)鍵來自于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的直接挑戰(zhàn),這些活動在未來的適當(dāng)時候可以重新開始。關(guān)于取消載人登火星的問題應(yīng)在國家層面加以描述,必須承認(rèn)火星任務(wù)存在難以置信的挑戰(zhàn)。由于需要漫游車進(jìn)行大面積的探索,專門飛往火星的機(jī)器人任務(wù)至少要等到下一個10年。
“獵戶座”飛船??吭诳臻g站示意圖
“獵戶座”飛船的模擬乘員艙
目前的“獵戶座”(Orion)項目也應(yīng)重構(gòu),縮小這種新載人飛船的尺寸,變?yōu)槌俗?名乘員的具有陸地著陸能力的類似“阿波羅”尺寸大小的飛船,或類似X-38型的升力體飛行器。小尺寸的飛船可利用阿里安-5或德爾他-4火箭發(fā)射,估計能夠在2014年或2015年發(fā)射到ISS。美國應(yīng)該邀請歐洲和日本參加Orion項目,為了保證國際參與是有意義的和有效的,應(yīng)該采納國家研究委員會的報告《美國堡壘之外》中的建議。如果不再投資唯一的Ares-1火箭,2015-2020年在新型商業(yè)地球軌道運(yùn)輸業(yè)務(wù)領(lǐng)域NASA就會處于全面優(yōu)勢地位。
對于重構(gòu)的發(fā)展途徑,提出近期重點從月球轉(zhuǎn)向空間站,轉(zhuǎn)到基于Ares-5重型火箭上。Ares-5發(fā)射能力對任何未來的深空探索都是關(guān)鍵,而遠(yuǎn)期重點則轉(zhuǎn)向深空小行星或彗星攔截能力。對實現(xiàn)Ares-5發(fā)射能力的多種方案進(jìn)行研究,包括液體助推器、液體返回助推器和國際合作方案,還包括NASA運(yùn)載火箭方案指南中所提出的使用現(xiàn)有大多數(shù)航天飛機(jī)的硬件,包括2個固體火箭助推器和外部燃料貯箱。唯一的關(guān)鍵性修改是像“阿波羅”飛船艙底部發(fā)動機(jī)那樣改進(jìn)航天飛機(jī)外部燃料貯箱。Ares-5火箭盡管也使用了航天飛機(jī)部件,但在本質(zhì)上是全新的火箭。飛往小行星的能力將為提供美國飛向月球能力奠定基礎(chǔ),是未來需要的一種能力。載人小行星或彗星攔截等深空任務(wù)的實施能反映出美國在太空的領(lǐng)先地位,也是面對可能的中國登月計劃競爭應(yīng)該開拓的領(lǐng)域。
在太空探索中,推進(jìn)問題是較大的限制因素。從長期看,集中于創(chuàng)新型推進(jìn)研究的大膽計劃是非常必要的。重構(gòu)載人航天計劃需要一個前提,美國重返月球,甚至飛往火星的任何一項未來計劃,都需要獲得國家的頂層優(yōu)先級,這將涉及到許多美國聯(lián)邦機(jī)構(gòu)、大學(xué)和工業(yè)界,而且可能延伸到國際范圍。通過重構(gòu)載人航天計劃,資源利用優(yōu)勢將使NASA集中力量對其他的重大短期或長期國家優(yōu)先級項目作出貢獻(xiàn)。
戰(zhàn)神-5火箭的“地球出發(fā)級”運(yùn)送“獵戶座”飛船和月球著陸器飛往月球
這一建議會使每一個NASA中心有獲得獨特能力和訓(xùn)練員工的機(jī)會。各個NASA中心的研究重點需要重新調(diào)整,并承擔(dān)與專業(yè)技術(shù)特點相一致的責(zé)任。短期投資將涉及到全面了解和最優(yōu)化的大尺寸風(fēng)渦輪發(fā)電機(jī)相關(guān)的空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)技術(shù);全面了解和最優(yōu)化高效率太陽電池陣和小尺寸燃料電池技術(shù)的應(yīng)用;還將全面利用NASA監(jiān)視、建模和預(yù)測長期氣候的能力,以及NASA的儀器、飛機(jī)、衛(wèi)星、計算機(jī)和通信等設(shè)施來實現(xiàn)另一類計劃。這類計劃包括增強(qiáng)ISS監(jiān)視地球的利用和擴(kuò)展目前的地球觀測系統(tǒng),并要求和NOAA、USGS及NCAR緊密合作。另外,為了將地球與其他星球進(jìn)行比較,還將采用機(jī)器人探索。這樣將實現(xiàn)對地球行星科學(xué)更好的了解。所有這些領(lǐng)域的突破,太陽能電池和燃料電池的快速發(fā)展,環(huán)境和行星學(xué)知識的進(jìn)一步了解,都將對未來的行星探測活動十分關(guān)鍵。
作為長期能源發(fā)展,這期間主要任務(wù)是進(jìn)行驗證,利用航天飛機(jī)和ISS進(jìn)行小規(guī)模初期研究,進(jìn)行從軌道到地球的無線電能傳輸試驗。天基太陽能電站系統(tǒng)的全面實施,要求具有比目前可利用的更大規(guī)模和更低成本的設(shè)施發(fā)射能力。在沒有實現(xiàn)發(fā)射成本大幅度降低以前,這種系統(tǒng)是不可行的,然而基于航天飛機(jī)和ISS的近地軌道的驗證,可以使美國了解其中存在的問題和要求的效率。如果初期在中地球軌道能實現(xiàn)小型和更高效率的太陽能電池采集系統(tǒng),就會邁出一大步,有可能提供與大型、更高軌道航天器相同的能力。通過這種小規(guī)模的試驗,并依靠NASA監(jiān)視、建模和大規(guī)模復(fù)合體系統(tǒng)工程能力,還將開始驗證探索行星可能的技術(shù)。
“獵戶座”飛船與“牽牛星”月球著陸器進(jìn)入月球軌道
NASA正在進(jìn)行的、高效的機(jī)器人空間科學(xué)計劃應(yīng)該擴(kuò)展,特別是強(qiáng)調(diào)大學(xué)的研究,并加強(qiáng)國際合作。NASA“太空探索新構(gòu)想”的負(fù)面作用是,使美國在很長的時間內(nèi)沒有能力繼續(xù)運(yùn)行載人航天系統(tǒng),基本上使NASA聚焦于一項單一的任務(wù),失去了各項任務(wù)的平衡,損害了那些曾貢獻(xiàn)于國家、具有領(lǐng)先地位的科學(xué)、工程、研究和技術(shù)任務(wù)。這項建議的目的是使NASA轉(zhuǎn)向于對未來美國人民乃至全人類都有重要貢獻(xiàn)的方向,即轉(zhuǎn)向能源和環(huán)境2個重大領(lǐng)域,特別要重視氣候變化。如果按照這種設(shè)想,NASA不但將繼續(xù)在太空進(jìn)行載人飛行,完成ISS建造,實現(xiàn)對國際合作伙伴的承諾,而且將重新建立起NASA科學(xué)、工程、研究和技術(shù)等多種活動的平衡,為載人太空探索計劃打下基礎(chǔ)。
美國麻省理工大學(xué)的研究人員重新思考了政府投資開展載人航天活動的理由,并依據(jù)這些理由提出了解決目前困境的思路。
麻省理工大學(xué)的研究人員把載人航天的主要目標(biāo)定義為:那些只能通過人類實際到達(dá)才能實現(xiàn)的、所產(chǎn)生的效益超過機(jī)會成本,因而值得冒很大人員生命安全風(fēng)險的目標(biāo),包括探索、民族自豪感、國際威望和領(lǐng)先地位。只有當(dāng)載人航天能顯示人類經(jīng)驗的擴(kuò)展時,才有意義去實現(xiàn)其目標(biāo),并吸引最廣大的民眾。次要目標(biāo)是指,那些能因為人類實際到達(dá)太空而產(chǎn)生效益,但本身并不足以證明所花成本或所冒風(fēng)險的合理性目標(biāo)。這類目標(biāo)包括科學(xué)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、新技術(shù)和教育等。
研究人員認(rèn)為新的美國載人航天政策應(yīng)該根據(jù)這些目標(biāo)來進(jìn)行投資、期望值和可接受的人員生命安全風(fēng)險等的權(quán)衡,國會和白宮應(yīng)該減輕“用太少的資源干太大的任務(wù)”的壓力,因為這種壓力曾導(dǎo)致了災(zāi)難的發(fā)生,并導(dǎo)致了NASA今天的困境。具體建議包括:
NASA應(yīng)該繼續(xù)航天飛機(jī)飛行,直至其完成當(dāng)前任務(wù),然后退役。
美國應(yīng)該制定一項將ISS的使用期延長到2020年(原計劃運(yùn)行到2015年)的大范圍的、有資金支持的計劃,以支持探索的主要目標(biāo)。
新政策應(yīng)在未來探索的月球、火星及其他有希望的目的地的權(quán)衡選擇中發(fā)揮指導(dǎo)性作用。
NASA應(yīng)該在能支持這些探索的新技術(shù)中重新開展基礎(chǔ)性研究。
美國應(yīng)該重申其在載人航天領(lǐng)域國際領(lǐng)導(dǎo)地位的長期既定政策,并繼續(xù)致力于與現(xiàn)有國際伙伴的合作。
美國應(yīng)繼續(xù)保持ISS計劃中的現(xiàn)有國際合作伙伴關(guān)系,包括與俄羅斯的持久性合作關(guān)系,并應(yīng)開始與中國、印度和其他積極發(fā)展航天力量的國家開展合作。
未來載人登火星設(shè)想