“太空旅行”并非想象中美好，机载燃料是最大障碍

出品|网易科学人栏目组 晗冰

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天体物理学家马丁·里斯(Martin Rees)认为，所谓逃离地球，进行“太空旅行”是一种危险的错觉，人们应当改变谈论未来火星殖民地的方式。

上世纪50年代，我最喜欢读的是名为《鹰》的漫画，特别是其中名叫《丹·戴尔历险记:未来的飞行员》的章节漫画，书中精彩的插图描绘了轨道城市、喷气背包和外星入侵者。当太空飞行成为现实，美国国家航空航天局的宇航员们所穿的宇航服、以及火箭发射、对接等对我来说很熟悉。

我们这一代人热切地追随着航天英雄们的壮举:尤里·加加林(Yuri Gagarin)的第一次轨道飞行、阿列克谢·列昂诺夫(Alexey Leonov)的第一次太空行走，当然还有登月。我记得第一个进入轨道的美国人约翰·格伦(John Glenn)曾造访了我的家乡。格伦后来成为美国参议员，77岁时加入了STS-95航天飞机机组，成为了有史以来最年长的宇航员。

苏联的第一颗人造卫星“斯普特尼克1号”(Sputnik 1)是第一个进入轨道的人造物体，这与1969年美国人在月球表面完成历史性的“一小步”之间只相隔了12年。我每次看月亮都会想起尼尔·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）和巴兹·奥尔德林（Buzz Aldrin）。当我们意识到他们是如何依赖原始计算和未经测试的设备完成登月时，他们的功绩似乎更加英勇。实际上，时任美国总统尼克松演讲稿撰写人的威廉·萨菲尔(William Safire)曾起草了一份演讲稿，如果宇航员在月球上坠毁或被困在那里，尼克松就会发表这份演讲稿。他们知道，如果遇到那种情况，宇航员并没有希望被拯救。但他们也知道，宇航员的牺牲会成就人类的探索愿望。

半个世纪后的今天，阿波罗计划仍然是人类太空探险的高峰。上世纪60年代，美国国家航空航天局拿到了美国联邦4%以上的预算，目前的数字是0.6%。

在接下来的几十年里，又有数百人冒险进入太空。但从某种意义上说，他们只不过是在低轨道上绕着地球转了一圈。国际空间站(ISS)可能是有史以来建造的最昂贵人造物。加上为其提供服务的航天飞机(尽管它们现在已经退役了)，它的成本高达12位数。国际空间站的科技回报不容忽视，但它的成本效益比无人驾驶航天器要低。这些航行也不像美国和俄罗斯曾经进行的太空探险那样鼓舞人心。国际空间站只在出现问题时才会引人关注:例如，厕所出了故障或当宇航员在表演“特技”。

太空技术在过去的四十年里迅速发展起来。我们通常依靠轨道卫星进行通信、导航、环境监测、监控以及天气预报。这些服务主要使用航天器，虽然是无人驾驶的，但价格昂贵，工艺复杂。而相对便宜的小型卫星市场正在不断扩大，一些私人公司正打算满足这一需求。

总部位于旧金山的PlanetLab公司开发并发射了一群鞋盒大小的航天器，其任务是重复成像并覆盖全球，尽管分辨率不是特别高(3-5米)，但其宣称每天都能对世界上的每棵树进行观察。该系统中的88颗卫星在2017年作为单枚印度火箭的有效载荷发射升空。

为了获得更清晰的分辨率，需要一颗更大、光学设备更精密的卫星，这些小型立方体卫星的数据仍有商业市场，可以用来监测农作物、建筑工地、渔船等，它们对如何应对灾害也很有帮助。现在甚至可以部署更小的晶片薄卫星，这种航天器利用了消费微电子领域巨额投资所产生的技术。

太空望远镜有效推动了天文学的发展。在远离地球大气层模糊和吸收效应的太空轨道上，太空望远镜向地球发回了关于宇宙的清晰图像。它们用红外线、紫外线、X射线和伽玛射线波段探测天空，这些波段不能穿透大气层，因此无法从地面直接观测到。太空望远镜已经发现了黑洞和其他外星生物的证据，并以很高的精度探测到了“宇宙诞生的余辉”——弥漫在所有空间中的微波辐射，这些微波的性质为宇宙诞生之初的线索。

对公众更具吸引力的是宇宙飞船的新发现，目前人类航天器已经到过太阳系的所有行星。美国国家航空航天局的“新视野号”从冥王星发回了令人惊叹的照片，其距离地球要比月球远一万倍。欧洲航天局的“罗塞塔号”将机器人送上了一颗彗星。这些航天器花费长达5年的时间进行设计和建造，然后又花了近10年的时间到达遥远的目标。卡西尼号探测器花了13年的时间去研究土星和它的卫星，从它的发射到2017年底最后一次进入土星，已经过去了20多年。不难想象，这些任务的后续行动会有多么复杂。

本世纪，整个太阳系的行星、卫星和小行星将由微型机器人太空探测器组成的舰队进行探测，它们之间可以相互作用。巨大的机器人制造商将能够在太空中建造太阳能收集器和其他人造物。哈勃望远镜项目的继任者们在零重力下组装超大太空望远镜，这将进一步扩大我们对系外行星、恒星、星系和更广阔宇宙的了解，再下一步将是太空开采和制造。

机器学习正在飞速发展，传感器技术也是如此。相比之下，载人和无人飞行任务的成本差距仍然很大。随着机器人和微型化设备的不断进步，载人航天的实际应用将变得越来越小。

如果“阿波罗精神”(Apollo spirit)得到复兴，并且人类有了更加丰富的想法，那么永久性的月球基地将是下一步的发展方向。它的建造可以通过机器人来完成：从地球上运送补给，从月球上采矿。到时候可以考虑沙克尔顿环形山，它位于月球南极，直径21公里，边缘高4公里。由于陨石坑的位置，它的边缘总是在阳光下，因此避开了几乎所有月球表面的极端温度。此外，在陨石坑永久黑暗的内部可能有很多冰，这对于维持一个月球“殖民地”是至关重要的。

在月球面向地球的那一半建造基地的实际意义巨大。但有一个例外:天文学家希望在月球另一侧设置巨大的太空望远镜，因为这样它就可以免受地球人造辐射的影响，这将给那些寻求探测非常微弱宇宙辐射的射电天文学家提供很大的帮助。

自从阿波罗号(Apollo)发射以来，美国国家航空航天局的载人航天计划一直受到制约，他们需要规避风险。航天飞机在135次发射中有两次失败，宇航员或测试飞行员愿意接受这种不到百分之二的风险。每一次失败都在美国造成了全国性的创伤，随后让载人航天计划出现中断，同时付出代价高昂的努力(效果非常有限)以进一步降低风险。

现在生活在地球上的一些人希望能够在有生之年踏上火星。这是一种冒险，也是人类迈向其他星系的第一步。但想要实现这一目标，并非易事。

我认为载人航天的未来掌握在冒险家手中。由伊隆·马斯克(特斯拉电动汽车CEO)领导的SpaceX，或者由亚马逊创始人杰夫 贝佐斯(Jeff Bezos)资助的蓝色起源很快将向付费用户提供轨道飞行服务。这些企业将硅谷文化带入了一个长期由美国国家航空航天局和一些航空航天集团主导的领域，验证了回收和再利用火箭的可能性，预示了真正的成本节约。他们创新和改进火箭技术的速度远远快于美国国家航空航天局和欧洲航天局的速度，最新的猎鹰火箭能够将50吨重的有效载荷送入轨道。

是时候摒弃太空冒险应该是国家(甚至是国际)项目的思维定势了。对空间的开发需要一些公共监管，但推动力可能来自私人或企业。

前不久，伊隆·马斯克(Elon Musk)宣布，日本亿万富翁前泽友作(Yusaku Maezawa)为他和6位朋友购买了第一次“太空旅行机票”，预计2023年发射升空。企业家、前宇航员丹尼斯·蒂托(Denis Tito)提出，如果有了新的重型发射器，就可以把人送到火星再返回，而无需着陆，这需要隔离大约500天的时间。理想的“太空旅行”人员是一对感情稳定的中年夫妇，因为他们的年龄比较成熟，不容易为旅途中积累的高剂量辐射而烦恼。

现在应当避免使用“太空旅行”一词，它会让人们觉得这样的冒险是普通的，风险也很低。

在地球轨道上的空间飞行和冒险前往太空深处更远的那些人来说，最重要的障碍来自化学燃料的内在效率低下，发射装置能够携带的重量远远超出有效载荷的燃料要求。只要我们仍然依赖化学燃料，星际旅行仍将是一个挑战。但核能可以带来变革，通过允许更高的航向速度，它将大大缩短到火星或小行星的中转时间(不仅减少宇航员的无聊感，也减少了他们暴露在破坏性宇宙辐射下的时间)。

如果燃料无需被运送到太空中，将会取得更大的效率。例如,技术上可以通过太空升降机（一条长30000公里的碳纤维绳索）将太空船送入轨道。这条绳索垂直向上延伸超出地球静止轨道的高度，因此会被离心力拉紧。另一种方案设想在地球上产生强大的激光束，推动附着在航天器上的“光帆”。这对于轻型太空探测器来说是可行的，原则上可以将其加速到光速的几分之一。

更高效的机载燃料可以将载人航天飞行从高精度控制转变为几乎不需要技术的操作。如果像目前的“太空旅行”一样，人们必须事先详细规划整个旅程，并且中途没有改变计划的机会，那么驾驶太空飞船将是一项艰巨的任务。如果有充足的燃料进行中途补充(以及随意减速和加速)，那么星际旅行将是一项低技能的任务，甚至比驾驶汽车或轮船更简单。

到2100年，像菲利克斯 鲍姆加特纳(Felix Baumgartner)(奥地利跳伞运动员，2012年其通过高空气球自由落体首次突破音障)那样的冒险家可能已经在火星或小行星上建立了独立于地球的“基地”。但千万别指望会有大规模的移民。在我们的太阳系中，任何一个地方的环境都要比南极洲或珠穆朗玛峰恶劣。对于厌恶风险的普通人来说，没有“行星B”。

但我们应该为勇敢的太空冒险家喝彩，因为他们将在引领后人类的未来，在历史发展中发挥关键作用。