美国航天这个“首次”意味着什么？
北京时间2023年10月13日22:19（美东时间10:19），美国“灵神星”号小行星探测器，由太空探索公司SpaceX的猎鹰重型火箭发射升空。预计到2029年8月，在旅行36亿公里后，“灵神星”号正式进入灵神星环绕轨道。这是人类首次向一颗富含金属的天体发射探测器。其探测目标——灵神星，是人类发现的第16颗小行星，于1852年被记录，也是目前已知最大的金属富集天体。更小的天体往往难以确认是否富集金属。这颗土豆状的天体，其轨道距离太阳是日地距离的2.5-3.3倍，其最大尺寸约280km。近些年的研究表明，灵神星约30-60%的体积是金属。如果说什么最影响人类探索太空，答案可能是资金。在美苏太空竞赛最火热的上世纪60年代，美国航空航天局（以下简称NASA）的开支占到了美国财政预算的4%以上，而从70年代末至今都在1%以下。冷战时期，美国曾发射了一系列著名的深空探测器（月球以远），包括“旅行者”1/2号、前往木星的“伽利略”号以及冷战遗产、拖到1997年发射、探测土星的“卡西尼”号等。这些深空项目有些共同点：耗资大（几十亿美元）、时间早（大部分在冷战时期成型），属于NASA深空探测的最高级别——旗舰级项目。冷战结束后，持续有新的旗舰级项目申报，但拨款数量迅速塌缩，已发射的只有两次大型火星探测，分别搭载了“好奇”号和“毅力”号两辆重型火星车。中间档被称为“新疆界”级，目前一共有4个项目中标：探索冥王星及更遥远柯伊伯带小行星的“新视野”号；探索木星的“朱诺”号；小行星采样返回的“冥王”号；以及尚未发射，前往太阳系唯一有厚大气层的卫星——土卫六的“蜻蜓”号。这些项目的开发成本通常被约束在10亿美元。“灵神星”号属于最低档的“探索”级，这一级别成立于1992年，各项目成本从几千万到几亿美元不等，相当于一架F-35战斗机的当前价格（0.9亿-1.1亿美元）。2017年，“灵神星”号在最终评比5选2中脱颖而出，成为迄今17个探索级项目中的第14个，当时这两个项目预算5亿美元。受多种因素影响，这两个项目的预算均已接近10亿美元，其中“灵神星”号探测器建造成本6.77亿美元，发射成本1.13亿美元，运维成本预计1.71亿美元。NASA大量的资金用于近地轨道的卫星、空间站等，留给深空探测的只占一小部分，如其2023财年预算为254亿美元，而深空项目开支往往分摊到多年之中。相比之下，我国的深空探测性价比较高：天问一号在公开信息中的成本约4亿-5亿美元；天问二号要以一己之力实现彗星探测、小行星探测、小行星采样返回。这种身兼数职的深空探测方式，同样出现在美国早期的深空探测中，只不过当时人们对大行星更感兴趣，现在主要聚焦于小天体。太阳系的大天体（包括地球）以金属为内核，灵神星也被推测是在撞击后暴露内核的产物。探索以灵神星为代表的金属小行星，很可能增进人们对行星内核、行星形成的认知。科学价值之外，最让大家浮想联翩的，是开采太空资源的前景。灵神星富含金属矿，是未来开发太空资源的重点对象之一。地外天体中存在丰富的资源。例如，月球有丰富的氦-3资源，这是可控核聚变（人造小太阳）的重要原料，地球技术可开采的氦-3可能只有几百千克，而多项对月球的氦-3储量评估，都在万吨量级。太空资源仍然可以沿用与地球的矿产资源类似的储量方式：探明储量、技术可采储量、经济可采储量，后者均为前者的子集。技术上如何开采，以及经济上如何开采，将是人类开采太空资源面临的两大难题。即便太空资源开采尚需时日，航天技术对人类社会的进度是有目共睹的。例如，核磁共振技术，就源自阿波罗登月时期对月球成像的需求。新技术与可靠性，往往是航天器设计中需要权衡的因素。航天器难以维修，因此需要高可靠性，也不应厚此薄彼，忽视新技术的应用。“灵神星”号一改常用的燃料发动机是离子推进发动机，这一技术如今已相对成熟，但曾有段人类航天史上令人称道的故事。2003年，日本的“隼鸟”号小行星探测器发射升空，其剑走偏锋，是第一个长期依赖离子推进发动机的航天器，并且想要实现人类首次小行星采样返回。飞行期间，其四台离子推进发动机有一台完全故障，两台部分故障，并伴随缺电、部分姿态失控、失联等诸多故障。在一定的运气和人们的努力拯救下，基本完成既定任务，被誉为“不死鸟”。“灵神星”号也承担了一项新航天技术的验证：深空光通信，这是人类首次在地月距离之外应用此技术。与以往的无线电传输相比，新技术预计可将星地传输速率提升几十倍。“灵神星”号最终的技术应用和科学探索的成果如何，让我们拭目以待。（作者：光礼夏，航天科普作家）
页面更新：2024-02-07
标签：小行星 天体 储量 美国 探测器 航天 太空 成本 美元 金属 项目 资源
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