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重型獵鷹將如何改變外太陽系空間探索?
Jatan Mehta 發表于  2小時前

重型獵鷹火箭首飛升空。圖片來源:John Kraus

艾麥樂 編譯)2018年2月,SpaceX的重型獵鷹首飛成功,成為現役火箭中推力最大的一款。僅次于它的,是聯合發射同盟的德爾塔Ⅳ重型火箭。而重型獵鷹能夠發射到近地軌道的載荷重量,是德爾塔Ⅳ重型火箭的2倍以上。

下面列出的幾款現役火箭的運載數據,或許能夠讓你對重型獵鷹的能力有一個大致了解:

低地球軌道最大載荷質量:

  1. 重型獵鷹(SpaceX):63800千克
  2. 德爾塔Ⅳ重型(聯合發射同盟):28790千克
  3. 長征五號(中國):25000千克
  4. 獵鷹9號全推力版(SpaceX):22800千克

重型獵鷹更高的運載能力,給太空探索帶來了許多全新的可能性——而這些可能性,在阿波羅計劃終結以來的很長一段時間里,根本是不可能完成的任務。重型獵鷹火箭的首要目標或許是前往月球或者火星,但對于科學家來說,更激動的是這款火箭在更廣泛的空間探索領域所蘊含的潛力。

首飛前豎立在發射塔架上的重型獵鷹火箭。圖片來源:SpaceX

冥王星軌道器和鬩神星飛掠任務

2015年,NASA的新視野號探測器讓我們第一次看見了冥王星及其衛星卡戎(Charon)的超清晰影像。在那之前,還從來沒有任何探測器去過冥王星。

新視野號發回的數據表明,冥王星是一顆地質活躍的星球,有著由氮冰構成的巨大平原,有著霧靄重重的多層大氣,還有著高達3000米的山峰。甚至還有證據表明,冥王星的地表之下可能潛藏著大片液態水的海洋。

新視野號發回的冥王星細節照片,可以看到由冰構成的山峰。圖片來源:NASA

可惜,新視野號只是一次飛掠任務,帶給我們的問題遠比答案更多。它不是一個軌道探測器,不能從冥王星周邊持續不斷地給我們發送回報豐厚的科學數據。為什么不能派一個探測器去環繞冥王星展開探測呢?原因很多,其中之一便是火箭運力有限。

新視野號重達478千克,由聯合發射同盟的阿特拉斯V型火箭發射升空——這款火箭只能將不到1000千克的載荷發送到冥王星。因此,新視野號無法攜帶足夠多的燃料在抵達冥王星時用來減速,也就不可能被冥王星俘獲入軌,只能像現在這樣從冥王星身旁高速掠過。重型獵鷹火箭突破了這一限制。

新視野號探測器由阿特拉斯V型火箭發射升空。圖片來源:維基百科

重型獵鷹能夠將重達3500千克的航天器送到冥王星。就算我們假設,不對新視野號探測器本身作太大的改動,它也有足夠的空間能夠攜帶額外的燃料,用于抵達冥王星后的俘獲入軌。

利用重型獵鷹發射哪怕一個稍加改進的新視野號軌道器,也將給我們帶來更高分辨率的影像,能夠多次近距離掠過冥王星的多顆衛星,并且監測這顆矮行星的長期變化,甚至帶來全新的認識。

重型獵鷹還能發射探測器飛掠下一顆矮行星——鬩神星(Eris),它到太陽的距離是冥王星的兩倍。

環繞冰質巨行星——天王星和海王星

我們發射過環繞木星和土星這兩顆氣態巨行星的軌道探測器,而對于天王星和海王星這兩顆冰質巨行星,卻只發射過飛掠探測器。這個事實實在讓人有一些灰心。對于這兩顆冰質巨行星,還有太多的事情有待我們去了解。

天王星詭異的傾角和翻轉的磁場,只是圍繞在這顆行星周邊諸多謎團中的一部分。

海王星也有諸多謎團,比如不完整的光環結構和令人驚訝的超強風暴。還有它最大的衛星——海衛一(Triton),正從它的冰火山噴射著含冰物質。

海王星上出現過令人驚訝的超級風暴。這張照片是旅行者2號在1989年拍攝的,這是迄今唯一一次近距離飛掠這顆行星。圖片來源:維基百科

就像冥王星一樣,重型獵鷹有能力發射軌道器前往天王星和海王星,對太陽系最外圍的這兩顆行星展開周密的研究。與冥王星相比,它們距離太陽還要更近一些,這意味著這些軌道器能夠用相同的代價攜帶更高性能的設備。

研究天王星和海王星這樣的冰質巨行星,意義不僅止于了解它們以及它們在太陽系里的角色。看看迄今我們發現的太陽系外行星的類型,你就會留意到,銀河系里最常見的行星類型正是所謂的“迷你海王星”這一類。因此,更好地了解天王星和海王星,是我們了解銀河系里最主要行星如何形成及演化的關鍵。而重型獵鷹讓我們剛好能夠做到這一點。

這張圖顯示了截至2016年5月10日,已知太陽系外行星按不同大小的統計數據。比天王星和海王星略小一些的所謂“迷你海王星”,是其中數量最多的一類行星。圖片來源:維基百科

更輕更快

讓我們有能力往天王星、海王星和冥王星發射軌道探測器,并不是重型獵鷹的出現所帶來的唯一好處。重型獵鷹不只能夠發射更重的載荷,還能把更輕的載荷(比如大多數行星軌道器)發射到非常非??斓乃俣?。如此一來,抵達太陽系外圍那些行星所需的時間,就有可能縮短到5-8年,而非使用其他現有火箭所要花費的10-14年。

探索木星和土星的衛星

木星和土星相對較近,意味著重型獵鷹能夠發射更重的載荷前往這些目的地。好消息是,現在已經有兩項木星衛星探測任務,計劃在2020年代搭載其他火箭發射升空。

歐洲空間局的冰質木衛探測器(JUICE)將在2022年發射,它的首要目標是環繞并研究木星最大的衛星——木衛三(Ganymede),這是太陽系里唯一擁有磁場的衛星。NASA的歐羅巴快帆(Europa Clipper)則將證實木衛二(Europa)地表下可能存在的海洋,并評估海洋中存在生命的可能性。

NASA的歐羅巴快帆探測器,預計2022年發射。圖片來源:NASA

重型獵鷹的運載能力可以用來提高這些任務的科學價值。重型獵鷹不只能夠發射更加先進的軌道器,由于運載能力足夠強大,它還能夠搭載相當重的著陸探測器前往木衛二和木衛三。

發射一枚軌道器前往土衛二,這種可能性也相當誘人。土衛二上有噴泉在持續噴射,人們認為它的內部也有一大片液態水的海洋。因此,它被列為是外太陽系存在生命的頭號備選之一,屬于必須要被探索的星球。

更便宜,可復用

相對它的運載能力而言,重型獵鷹算是相當便宜了,這也是SpaceX公司最大的賣點。一次性使用、完全不回收的重型獵鷹,一次發射報價1.5億美元。作為對比,聯合發射同盟的德爾塔Ⅳ重型火箭只有不到一半的運載能力,發射報價卻高達3.5億美元。事實上,重型獵鷹還可以回收利用(如果發射較輕載荷的話),發射報價還可以大幅降低??蓮陀玫闹匦瞳C鷹,發射報價是9000萬美元。

重型獵鷹的兩枚助推火箭,發射后垂直著陸在發射場附近的1號和2號著陸區。圖片來源:SpaceX

正如美國行星學會指出的那樣,獵鷹9號目前已經獲得認證,只能發射預算相對較低的科學任務。不管是一次性使用還是允許回收復用,重型獵鷹火箭都能大幅度降低發射費用,并且縮短探測器抵達目的地所需的時間,將使得前往外太陽系的探測任務數量倍增。

結論

重型獵鷹火箭劃算的發射費用,外加更快速抵達外太陽系的能力,將顯著地改變我們在太空探索領域的行事方式??茖W探索會成為大贏家!

很興奮能夠看到重型火箭重回航天市場。對于我們這些太空nerd來說,這真是個令人激動的時刻。(編輯:Steed

編譯來源

medium,How SpaceX’s Falcon Heavy could enable fantastic Science in the outer solar system
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