太空:曙光乍现


本文是《经济学人》科技季刊2016年8月份的“太空”专题 SPACE: A sudden light,对于理解 SpaceX 所开创的新太空时代是一个很好的注解,特地收录于此。

原译来自网易科技的“精读”栏目之硅谷在探索太空新边疆,此处尽可能还原原文的排版与表达。


New capabilities, new entrepreneurialism and rekindled dreams are making space exciting again, says Oliver Morton.

曙光乍现

日落后不久,距离美国佛罗里达州卡纳维拉尔角(Cape Canaveral)18公里远的地平线上,突然出现刺眼的光芒,且还在缓缓上升。实际上,那是比20层建筑物更高的机器(重量超过550吨的火箭)正拔地而起。它最初从容不迫地将云层染成青铜色,随着火箭攀升到云端之上,它的速度陡然加快,发动机的轰鸣声、排出气体形成的笔直线条,都显示出其精确轨迹。

发射2分21秒后,火箭来到大西洋上空61空里处,那里依然有良好的视野,第一级发动机关闭。美国太空技术探索公司SpaceX制造的“猎鹰9号”火箭后两级开始分离。第二级中的单引擎开始点火,推动货物以更快速度向东飞去,迅速在视野中消失。分离9分钟后,第二级发动机关闭,此时火箭已经到达地球以上240公里的轨道上,以每秒7.5公里的速度运行。2天后,运载补给和科学设备的货船被送达国际空间站。

Will ye no come back again?

然而壮观的场景还未结束。在海拔100多公里高空分离后不久,第一级火箭依然在持续爬升,并将激活其内部三个发动机以改变方向。它到达轨迹最高点,然后开始落向地球,发动机所在位置朝向地面。降落过半距离后,三个发动机重新点火,以便经过缓冲帮助火箭重新进入地球大气层。

在降至海拔大约10千米空中时,这段火箭的速度依然超过音速,引擎最后一次点火。与发射时不同,回归的火箭上不再载有卫星。明亮的光芒直冲向地平线。在到达地面时,其基座中喷出平缓的火花。4个着陆腿慢慢陷入混凝土垫中。1秒钟后,不断发出的音爆信号标志着其8分钟的旅程结束。

2017年将是人类首次见证卫星被发送到轨道上60周年的年份。1957年10月5日,苏联发射的第一颗人造卫星Sputnik1从哈萨克斯坦飞入夜空。这种敲击“天堂大门”的行为至今依然是令人感到兴奋。尽管随着时间推移,“天堂”的访客越来越多。

在首颗卫星发射升空后15年后,人类又登上月球,从此进入了“一切似乎皆有可能”的时代。尽管赢得了太空竞赛,但是美国人似乎没有看到随之而来利益。美国开发出航天飞机,希望让太空旅行变得更廉价、更可靠,成为常态。从1981年到2011年间,美国航天飞机已经进入太空100多次以实现不同的目标,尽管其间发生了2次悲惨事故。但是前两个目标显然没有实现,进入太空依然充满了危险,且费用依然高昂,只有政府和通信公司因为各自不得已的理由,才继续保持太空探索。

现在,伊隆·马斯克(Elon Musk)于2002年创建的SpaceX正试图提供廉价、可靠、常规性的太空旅行。它也是自从20世纪80年代以来,使用最新设计火箭进入发射行业的首家私人公司。尽管7月份在卡纳维拉尔角为国际空间站运送补给任务已经进行了数百次,但却是SpaceX第二次成功回收第一级火箭。

马斯克始终保持创新步伐。在今年年末或明年年初,他的公司计划发射重型火箭Falcon Heavy,它将使用3个回收的助推器作为动力。与今天的运载火箭相比,Falcon Heavy携带的有效载荷更多。此外,SpaceX也在开发更强大的火箭发动机。到2017年结束前,SpaceX计划将人类游客送上国际空间站,这将是除了波音之外首家实现这个里程碑的私人公司,波音与美国宇航局签署有类似合同。

这个领域的发展前景十分可观,因为SpaceX目前只有一个竞争者,也就是亚马逊老板杰夫·贝索斯(Jeff Bezos)创建的Blue Origin。这家公司拥有亚轨道火箭New Shepard,可以进入太空边缘后返回地面,与SpaceX的“猎鹰9号”的工作原理类似。Blue Origin也计划明年实现载人飞行。许多开发非载人火箭的新公司也正进入火箭发射领域。

然而,这些新火箭并非唯一令人感到兴奋的最新进展。在20世纪80年代和90年代期间,进入太空的高昂费用导致许多制造商缩小用于各种卫星发射的火箭,从而创造出“小型卫星”。自从那以来,卫星发射受到计算和电子技术的推动。这也为从事“旧工作”和竞争新机遇开辟了新的方式。

美国政府的GPS定位系统共由24颗卫星组成,它可能代表了世界上最重要的太空资产,对美国军队和数十亿智能手机用户来说至关重要。美国建造当前规模的GPS系统用了20年时间。可是现在,许多微型卫星公司正考虑在一两年内发射相当于GPS系统几倍规模的系统。这些卫星都将在低地轨道运行,但并非所有的小型航天器都会停留在地球附近。到2017年末,总部位于美国佛罗里达州的私人初创企业Moon Express,计划向月球递送10公斤有效载荷,包括登陆车。届时,这家公司将成为首家登陆月球的商业公司。其他公司也在探索使用小型卫星探测小行星,并进行采矿的可能。

尽管现在还没有任何一种技术能够将这些勃勃雄心紧密联系起来,但硅谷正在对其进行探索。即使现在大多数用于太空探索的资金依然来自政府或老牌电信公司主导的项目,但太空旅行正从政府采购和航空工程巨头转向风险资本支持的初创企业,这些企业希望为更多的客户提供更便宜的服务。

随着这些企业证明自己可以赚钱,它们将发展得越来越快。但在很多情况下,赚钱并非唯一目标。这些企业的创始人都认为,进入太空可以让更多人类受益。马斯克希望在20年内在火星上建立永久居住地。贝索斯希望将来数百万人能在太空中工作。尽管这些愿望还未实现,但马斯克和贝索斯等人的努力可能让太空重新成为充满可能和机遇的领域。

卫星:因为更小,所以更多

Flocks of cheap little satellites could transform the space business.

ROCKETS are the thrilling, spectacular bit of space flight. 但是如果没有实质性的努力,这些机遇和可能都只不过是过眼云烟。除了新的创业意识和超凡的企业方针,还需要对制造卫星的技术进行彻底改进。

在美国加州帕罗奥图市,有一家工厂自从苏联发射Sputnik那年就开始制造卫星,比任何人都更早听说过硅谷。这家公司名为SSL,已经制造了100多颗通信卫星,其中81颗至今依然在正常运行。The dozen or so currently spread through this warren of clean rooms the height of cathedral naves represent more than a year of the company’s order book.

这些卫星结构基本相同:直径1.2米的圆筒被装进正方形盒子中。卫星承担的任务越多,其盒子建造得越高,太阳能电池板越长,天线和反射镜阵列就越大越复杂,也就能为地球上的客户发送更多数据。已经接近完成的Sky Muster II是SSL制造的最大卫星。它将为澳大利亚人口稀疏的地区提供宽带通信服务,竖起来身高9米,拥有复杂的反射镜阵列,可以调整服务。

目前,通信卫星行业主要由Eutelsat、Inmarsat、Intelsat以及SES四大运营商占据主导地位,它们的大多数收入源自那些需要通过卫星发送电视信号的公司。有时候,它们也通过提供传输数据和移动通信服务赚取收入。SSL工程与运营主管保罗·埃斯蒂(Paul Estey)说,这些运营商需要更多类似SSL这样专业的航空公司帮助。

卫星发射行业充满了创新,但也常常会规避损失。SSL最小的通信卫星售价也要达到1亿美元左右,最大的则高达3亿美元。再加上1亿美元的发射费用,其发射的卫星可能需要10年才能产生收益。由于这些卫星被送入危险的太空环境中,需要运行许多年,几乎没有修复的可能,为此任何存在重大风险的新技术都会被谨慎应用。

沿着101公路行驶1小时,你会发现另一家截然不同的工厂 Planet,它最近因为Planet Labs而名声鹊起。这家工厂占据了旧金山南市场区一栋破旧的建筑中,巨大的空间里放满了可用于制造30厘米长卫星的各种桌子和工具,每个小卫星重约5公斤。你会发现,许多零部件来自其他设备,其中最显眼的就是智能手机。制作这种Planet所谓的Dove卫星需要一周时间。在房间的后面,有数十个已经打好包装准备出货的小型卫星。这预示着全新的太空业务模式:外形更小,数量更多。

Dove只是被称为“立方体卫星”家族的一部分。20世纪90年代,美国斯坦福大学和加州州立理工大学圣路易斯奥比斯波分校的研究人员意识到,将小卫星进行某种程度的标准化将让它们更容易发射。为此,科学家们制造出被称为1U的标准立方体盒子,它配有电子和物理接口,可以安装在分配器上,作为“二次有效载荷”发射。这种标准化已经取得成功,到2013年初,已经有100多颗立方体卫星被放飞,设计和建造它们的工具也被大量开发出来。

Planet创始人克里斯·博淑珍(Cdivis Boshuizen)、威尔·马绍尔(Will Marshall)以及罗比·辛格勒(Robbie Schingler)认为,立方体卫星将成为卫星行业的基础。2010年初在美国宇航局阿姆斯研究中心工作时,他们就曾研究加入3U(3个1U端端相连)立方体卫星的最大望远镜到底能做什么。安装在国际空间站这样的低轨道上,并将其指向地球,这种望远镜可以拍摄分别率5米以下的照片,这几乎与许多公司利用更大望远镜和更大卫星拍摄的照片相当。但是3U立方体卫星可以数十甚至数百地部署在太空中。对于某些领域,比如农业监测,这些小卫星将收集到的绝对信息可大幅提高信息准确性。

2014年,首批28颗Dove立方体卫星已经通过国际空间站放飞。此次发射在Planet的总部以煎饼早餐庆祝,自此后每次发射都举行类似庆祝活动。Planet目前运行着63颗立方体卫星,它们的能力受到体型限制,但该公司称其技术复杂性可与任何卫星媲美。他们支持有前途的商业模式。马绍尔说,Planet目前有100多个客户,它们都依赖Dove发回的数据。客户数量将大幅增加。

Planet的成功部分源于成本持续降低和消费电子产品能力提高,特别是智能手机组件。智能手机销量已经达到数十亿部,它们在体积和功耗方面的改进非常明显。但是如果没有不停地改进卫星的意愿,这些东西都没用。截止到今年6月份,Dove已经经历了14次升级。如今,Dove上配有不同的摄像头、新的天线、根据特斯拉电动汽车的锂离子电池组重建了电子和电力系统。Dove卫星现在可以看出四色带,而原来只能分辨三色带。它们在自我定位和指向方面有了很大改进。马绍尔表示,与5年前相比,Dove在性能上提高了100倍。这种迅猛的创新在硅谷十分常见,但在卫星领域却是首次出现。

Fly, my pretties

但要想以这种方式做事,需要冒着与当前大而昂贵的卫星疏远的危险。Planet已经估计到,其部分创新可能会失败。Planet知道,从国际空间站放飞的Dove只有很短的寿命,运行9到18个月后就会重新落入地球大气层烧毁。这种态度加快了Planet的进步,并提高了公司整体韧性。一颗巨大的通信卫星可能与整个公司的命运息息相关。比如首颗广播电视卫星Astra1A于1998年被欧洲首枚Ariane 4火箭送入轨道时,传媒大亨鲁珀特·默多克(Rupert Murdoch)就表示,如果这颗卫星失败,他新建的Sky广播业务将遭到灭顶之灾,其媒体帝国的其他业务也将受到影响。Planet曾遭遇过两次“厄运”,其Dove因发射失败而坠入地球烧毁。

只有公司创始人拥有冒险精神,这家公司才会信奉同样的哲学。这是创办制造廉价小行星的企业获得另一个经验。Planet所需的资本相对较少,很容易从硅谷天使投资人和风投机构筹集到足够资金。而且其卫星重仅几公斤,只需要1000个零部件即可组装,成本仅需数千美元。到目前为止,已经完成三轮融资的Planet获得的投资总额为1.58亿美元,相当于购买SSL一颗卫星的价格。

航空航天分析机构Tauri Group发布数据显示,在2001年到2005年之间,全球太空业务获得的风险投资仅为1.86亿美元。而到2011年到2015年之间,太空行业获得的风投总额已达23亿美元。半数投资者都来自美国加州,大多数资金都被投入到研发小型卫星或发射这些卫星所需的装置中。在涉及到相关技术方面,风投资本家们越来越感到放心。

类似Planet这样的公司,企业愿望基本相似。正如航空航天分析机构Tauri Group报告指出的那样,新一波太空公司能够将自己推销给风投机构,它们的优势基本相同:系统成本降低、新产品用户大幅增加,特别是数据产品。时尚是另一个因素。就像Dove,它正吸引硅谷投资者的兴趣。在过去几年SpaceX取得的成功,已经让太空成为特别吸引人的领域。这些新的资本来源看起来正帮助产生更多更好的卫星。7月份,咨询机构Euroconsult估计,从2016年到2025年之间,大约有3600颗小型卫星将被发射升空,其中2000颗来自风投机构支持的地球观测公司。

而包括资金雄厚的大公司,则希望进一步推动小型卫星革命。今天的大型通信卫星基本上都在地球上空3.6万公里轨道上。这是因为,只有达到这个高度,这些卫星才能24小时覆盖地球。但这也意味着,从地面上观看,这些卫星似乎静止在天空中。而卫星距离地面越近,传输数据的速度越快。在3.6万千米高空,传回地球的无线电信号会延迟1/4秒,许多应用为此出现问题。

而通信卫星通常放弃低地轨道的优势主要有两大原因。轨道越低,你就需要更多卫星确保始终能在地面上看到它们,因为卫星在天空中移动要求接收器能够追踪它们。尽管今天的接收器已经可以通过电子追踪卫星,但这种技术同样有着苛刻的要求。

The more the merrier

OneWeb是Intelsat、维珍集团以及空客联合推出的卫星联网项目,其灵感源自现代天线可以克服大多数通信问题,而且小型卫星也可以解决覆盖问题。OneWeb项目计划向地球上空1200千米轨道发射648颗卫星,为地球上提供无盲点的无缝通信服务。其商业计划则是覆盖发展中国家为重点的地域。对于它来说,任何地方都不再属于偏远地区,其首颗卫星将于明年发射。

这绝非立方体卫星或初创企业能够完成的庞大计划。OneWeb需要数十亿美元资金支持,其原型正在空客公司位于法国图卢兹的工厂中制造。在美国佛罗里达州,OneWeb和空客也在建立工厂,计划在那里每天制造4颗150公斤的卫星,它们都使用高度自动化系统。与当前世界任何卫星系统相比,OneWeb的卫星数量将更多。

尽管在技术上属于雄心勃勃的项目,但OneWeb同时也面临着许多竞争。谷歌正在研究在平流层安置气球,为发展中国家提供互联网接入服务。世界最大社交网络Facebook也在研发联网太阳能无人机。

当前通信卫星行业也正加强关注。在谷歌,OneWeb创始人们曾研发名为O3B的系统,即为没有联网的另外30亿人提供数据服务。但他们离开后,这个系统还在继续推进。当其完成时,它将由20颗运行在地球上空8000千米的卫星组成。今年夏季,四大通信卫星运营商之一的SES谷歌和其他原始合作伙伴手中获得这个项目的完全控制权。与此同时,SpaceX也计划打造自己的低地轨道通信系统,它或许要由4000颗卫星组成。这个项目需要使用的卫星,可能需要当前地球轨道上运行的所有卫星总数之和的3倍。

地球观测:任何地方、每一处地方

Earth-observation satellites are changing the world—yet again

从工程野心、操作的复杂性和资金要求这些层面来看,大型通讯卫星群对地球观测的变革性影响超过了小型卫星。但就改变世界的潜力来看,两者的影响力或许恰恰相反。

卫星在通讯业所占的比例很小,但它们对某些行业至关重要,例如多频道电视。在价值2万亿美元的电信业中,卫星仅占据很小的比重,但依旧举足轻重。O3B、OneWeb等项目的目的是为30亿无法上网的人提供互联网服务,这类项目对这些处在世界经济发展边缘的人而言不失为一大福音。目前能够以各种方式实现连接的智能手机对计算机业和通讯业带来了巨大的变革,卫星也将像智能手机那样,成为另一股变革力量。地球观测正在经历的一切开启着全新的篇章。在过去60年间,太空业让人类对地球的看法发生了四次彻底的改变。

首次改变发生在20世纪60年代早期,间谍卫星可以侦察指挥中心想要监视的任何地方,甚至深入敌方领地。卫星让处在冷战中的国家得以掂量彼此的核力量和其他军事力量,或监视对方对军备控制协议的执行情况。

阿波罗宇航员拍摄的地球照片引发了第二次变化。这些照片让人类首次从太空的角度欣赏自己的家园,我们的地球同死气沉沉的月球和无尽虚无的太空形成了鲜明对比,虽然看起来渺小,但极其美丽和珍贵。这些照片加快了人类推行环保政策的脚步。

第三次变化源自GPS卫星,它们让智能手机、汽车甚至集装箱等现代设备或运输工具能够进行精确的自我定位,人们无论身处何处都能了解自己的位置,这成为导航、Uber打车应用等服务所需的关键技术。

目前我们正在经历第四次变化。卫星等技术的进步从地球身上获得了海量数据,我们可以从中筛选出有用信息,并通过分析和推断来获取有效的结论。

Doves Planet公司的Doves卫星能够以很高的频率提供地球所有区域的图像。该公司的野心有望很快就能实现,即利用太阳同步轨道(图4)在每天的同一时刻拍摄地球的所有地方。旧金山的立方体卫星公司Spire另辟蹊径,它提供的服务并非观测地球表面,而是聆听无线电讯号。通过要求每艘轮船安装持续发出位置信号的发射器,不久以后Spire有望掌握地球上每艘轮船每小时的位置数据。

All-seeing

西雅图初创公司BlackSky的卫星体型比Doves大,它的光学观测仪器因体积更大而能够实现更高的分辨率(大约1米),这意味着BlackSky卫星能够清晰拍摄汽车之类的对象,这在很多领域具有重大意义。这类卫星还可拍摄自身环绕轨道以外的对象,不仅限于轨道正下方的范围。该公司希望通过60枚轨道各不相同的卫星,在90分钟内生成地球北纬55度和南纬55度之间所有区域的俯拍图。该公司还提供不同分辨率和重复访问卫星图的组合服务。

云存储和云处理技术在这场变革中扮演着重要角色。Doves Planet公司投入巨资建设信息传输设施,旨在从12个地面卫星接收站收集原始数据,并把这些数据转化为有用的产品。但它需向云计算公司按需购买存储和处理能力。没有云服务的话,初创公司根本无力处理卫星每天产生的以太字节为单位的海量数据。

新市场同样重要。20世纪90年代在美国创立的地球观测公司都拥有一个专业级的大客户——知名度不高的美国国家地理空间情报局(National Geospatial?Intelligence Agency)。该机构位于维吉尼亚州。这些公司通过向该机构出售高分辨率的卫星图赚了不少钱,但这一局面几乎无法推动这一行业的多样化发展。业界中各个公司最终合并成DigitalGlobe,后来DigitalGlobe蓬勃发展,成为全球领先的高分辨率地球影像服务商。每隔几年它都会发射一颗高性能的高分辨率卫星,今年九月,它将再发射一颗卫星升空。但政府订单仍然超过其销量的半数。

新创立的卫星公司也会向政府出售卫星影像产品,但它们几乎都不依赖政府订单。它们把自身快速发展的希望寄予在一类客户身上。这类客户以往从未使用过卫星数据,但希望通过卫星数据来寻求某些问题的答案。使用这类数据的卫星公司和第三方机构都向机器学习技术投入了巨资,这类技术能够通过分析云存储的海量数据以及识别其中的变量来解决某些实际问题。

上述技术的结合能够让航运公司准确获知所有船只的位置;通过城市扩展、交通或夜间照明状况来跟踪经济发展情况;每日为再保险公司更新与其风险组合产品相关的数据变量;向期货交易者告知整块大陆的作物生长情况,或向农场主告知某块地的作物生长情况;把卫星数据和其他地理参照数据相结合,以制作灾难事件、示威游行、火灾和庆典等的现场俯拍图。

If you think the best way to look for some truth about America is to count the cars on the New Jersey Turnpike, it is easily done. The same applies to any equally obscure metric in any other country. 海量的数据似乎拥有无穷无尽的潜力,这类数据几乎能够实现实时更新,让整个世界以越来越详尽的细节呈现在人类面前,还能学会自发地识别各种各样的物品和现象。

除了各种新颖用途外,一些旧式的预测方法也将得到革新。除了接收地面上的无线电信号外,Spire公司的卫星还能接收美国24枚GPS卫星以及欧洲、俄罗斯和中国部署的卫星的传输信号。由于轨道不同,地球有时候会位于两颗卫星之间,而无线电信号在被地球完全阻隔之前会穿透部分大气层。信号消失在大气层中的检测数据可用来计算两颗卫星之间区域的温度和气压,从而为天气预报提供一种全新的极有价值的原始数据来源。Spire目前拥有12颗卫星,它希望在年底前把卫星数量增至44颗。将来如果Spire拥有的卫星数攀升至1000颗,那么每天它将能够制成10万张大气断面图——数个太字节的宝贵数据。

发射装置:点火

Being cheap is not the be-all and end-all of a launcher

降低太空发射任务的成本并不是最重要的目标。数十年来,降低发射成本似乎是太空旅行取得进展的一大要素。太空爱好者把大幅降低成本视为实现更多太空壮举的关键。这是SpaceX公司吸引业界大量关注的原因之一。该公司最近取得的前沿成就让竞争成本大幅下降,并使自己占领太空发射市场的大块领地。SpaceX对回收火箭的不断尝试有望持续削减发射成本。

小型卫星的兴起说明,这种过分倚重成本的思路太过简单。如果每千克太空设备的性能能够大幅提升,那么哪怕发射成本不发生变动,太空任务的成本也会随之下降。对于小型卫星而言,创新最为重要,有没有什么新型的发射渠道却是次要的。

火箭实验室(Rocket Lab)公司的服务目标就是这个市场。今年晚些时候,该公司的电子(Electron)火箭将从新西兰北岛首次发射升空。电子火箭的研制获得了硅谷的资助,按照设计,它能够把150千克的收费载重发送至太阳同步轨道中,费用不超过500万美元。这一价格同加拿大公司Spaceflight收取的费用一样。Spaceflight 提供的是“搭便车”服务,即让小型卫星作为二次有效载荷(secondary payloads)搭载在火箭上升空。

相较而言,火箭实验室的每千克3.3万美元报价听起来颇为昂贵,因为猎鹰9号火箭把1千克的物资送往低轨道的价格不超过前者的十分之一。但要与SpaceX合作的话,客户需要委托运送大批物资,例如,支付至少6200万美元让猎鹰9号火箭承载20吨的物资。而且预约还需数年时间,早有一列长长的客户队伍在等待。对于一些四处比价寻求价格适宜的“顺风车”服务的小规模公司,它们的任务是在数月内把立方体卫星等对象发射到正确轨道中,火箭实验室或Spaceflight公司的500万美元报价则听起来更具吸引力。

哪怕载荷要求不高,研制面向小型卫星的、单位成本低的火箭是具有挑战性的。火箭实验室公司的CEO彼得·贝克提及了批量生产、新型制造技术、材料以及新理念等几大因素。他不打算为第一级和第二级火箭设计不同的发动机,而是采用尽可能少的设计。无独有偶,SpaceX针对猎鹰9号火箭也采取了同样的省钱之道并验证了这种方法的可行性:相较制造几类设计各不相同的发动机,制造同一种发动机更节约成本。火箭实验室在发动机的生产过程中也利用了3D打印技术,并采用重量更轻的碳复合材料制造燃料箱,这有助于减少发动机的负重。此外,它还开发了一些独有技术,例如,使用电池供能的泵把燃料和氧化剂推送到发动机中。

由SpaceX一些资深老手创立的萤火虫(Firefly)公司正在研制一种微型卫星运载火箭阿尔法(Alpha)。该公司采用了类似的材料,但针对如何把燃料推送至发动机中设计了不同的方法,也在第一级火箭中运用了一种新颖的发动机组设计方案。理查德?布兰森的维珍银河公司也参与了这一市场。该公司最早想开放亚轨道太空之旅,但这一计划由于坠机事故暂时搁浅。现在维珍银河正计划利用发射器1号(LauncherOne)火箭来发射小型卫星,这种火箭由经改装的波音747运送,而且方式很特别——位于波音747的机翼下方。

A crowded space

在初期,SpaceX的焦点也是放在小型火箭上。2007年首次飞天的猎鹰1号同电子火箭差不多大小。但就当时而言猎鹰1号太过前沿,可以说是生不逢时。SpaceX的COO格温?肖特韦尔表示,当时存在对猎鹰1号的需求,但市场并不成熟。但幸运的是,与NASA签订的为国际空间站运送物资的合同让猎鹰9号的研制成为可能。SpaceX 的产品开始涉及大型火箭和太空船后,就毅然告别了小型卫星市场,并把业务拓展到曾经由欧洲卫星发射联盟阿丽亚娜太空中心(Arianespace)主导的大型卫星市场中。这一市场的常见业务是把重达数吨的通讯卫星发往地球同步轨道中。

批量生产发动机和其他创新方法让SpaceX在成本上极具竞争力。但降低成本对SpaceX的帮助终究是有限的。出于国家安全的考虑,俄罗斯、中国、日本、印度和欧洲都在大力发展各自的火箭业。SpaceX是否能够扩大大型火箭市场的整体规模,这个问题并不太重要,但火箭成本通常低于它所运载的卫星成本,降低总成本才是应该考虑的方向。让火箭制造成本减少1000万美元或2000万美元意义不是很大。

因此就小规模发射任务而言,削减成本无法为SpaceX带来多大的商业利润。当前该公司并未计划进军其他新市场。小型卫星星座又不入它的法眼。猎鹰9号一次发射任务就可以媲美火箭实验室在一年内发射50颗卫星的业务。真正规模算大的小型卫星星座当属OneWeb通讯系统,而OneWeb项目已与Arianespace和维珍银河(OneWeb发起人持有这两家公司的股权)签订了发射合同。或许因为如此,SpaceX有意打造总数高达4000颗的通讯卫星星座。如此规模的项目才能让发射成本得到削减的猎鹰9号发挥真正的盈利作用。

机器人的角色:建设与破坏

关键不是你发射了什么,而是你如何来用你发射出去的东西。

在地球上,有价值的资产会得到维护、升级和回收利用;也会得到保护,但偶尔有时候,会受到攻击。这些都不曾在宇宙空间里发生。但所有这些都将成为可能。

卫星会发生故障;最终,所有的卫星都会耗尽燃料。机器人服务飞船(Robotic service spacecraft)能对卫星进行识别、抓取、操纵,使其免受这些问题。军火、火箭及空间站制造商Orbital?ATK的总部在弗吉尼亚州,Orbital ATK研发了一艘工作起来像一台电动代步车的飞船;这艘飞船载有一台备用引擎以供不再能正常运作的老飞船更换使用。Orbital公司希望这些飞船能延长那些已经耗尽燃料但仍在产生经济价值的通信卫星的寿命,因此已和Intelsat签订了合同。

维持动力的另一种方式是补充燃料。美国海军研究实验室,美国宇航局和国防高等研究计划署——五角大楼的先进技术武器——正在开展多项宇宙飞船项目,这些宇宙飞船能为卫星补充燃料,在轨道上使用各类工具和复杂的机械手臂来维修卫星。

还有一个更彻底的办法是用已经在轨道上运行的机器人制造出新的飞船,而不是维修旧飞船。位于华盛顿州的Tethers Unlimited公司在研发“蜘蛛制造仪(SpiderFab)”,“蜘蛛制造仪”结合了机械手臂和3D打印,其所造出的结构比任何与发射器整流罩融合为一体的物体都要大和精致。卫星制造者很熟练于折叠太阳能电池板和天线,从而把许多的飞船塞进这些小空间里。但是复杂的展开步骤,连接点和空间准确对接都可能增加费用和风险,使得部分方法不可行。

类似蜘蛛制造仪的技术结构可以改变通信卫星行业。带有巨大太阳能电池板和引擎的平台能搭载完整的一套通信包,通信包体积会越来越小,发射频率也会越来越高,从而使保持技术的先进性和降低风险。

以上所有可能会对科学产生出乎意料的影响。太空于望远镜而言,是个无比神奇的空间,但是又很难把一个大望远镜发射上太空。计划由美国宇航局和欧洲太空总署于2018年发射的詹姆士﹒韦布空间望远镜所得到的预算为80亿美元,预算之所以这么高的原因之一在于要折叠一块一个网球场这么大的遮阳板,一块6.5米长的抛光镜面到5.4米长的亚利安五号运载火箭整流罩里。庞大的结构体和能让许多小镜片分布在一块大区域里的技术结合后能取代一整块巨大的镜面,建造出更强大的器械。这些器械在观察方面的表现可能优于在陆地上的器械,例如能观察并发现其他行星周围的璀璨的星球。

机器人在太空的另一种用途是行星采矿。一些行星的运行轨道和地球的运行轨道非常相似,这使得宇宙飞船能消耗相对少量的燃料就能进入轨道并在行星上着陆,而不需要耗费从最初位置进入轨道那么多的燃料。像许多科幻小说里的基本桥段一样,在这些飞行的岩石和大山上采矿如今已经进入硅谷初创公司的日程。采矿的最大惊喜不在于收获一块稀有金属(虽然一些稀有金属的确能在行星上找到),而在于收获在太空中显得非常有价值的是水。

宇航员需要水,还有氧气,氧气能通过水生成。宇航员和宇宙飞船都需要燃料:氢气,水能生成符合要求的氢气。一旦轨道上有一定数量的活动发生,特别是涉及到人的行迹,涉及到从行星上获取水源,部分行星上还能找到冰或含水矿物,那么这次从地球出发的旅程就变得更有意义。

当然这些都需要时间,但是Deep Space Industries公司和另一家行星采矿初创公司Planetary Resources最近谈妥了一位不急功近利的投资者:卢森堡政府。卢森堡对太空了解甚少,但确是四大卫星运营商中的两家,Intelsat和SES,的所在地。卢森堡政府十分有能力承担这把投机,同时为有着激进想法的少部分狂热支持者提供一次听讯。这个夏天卢森堡宣布两家公司共同获得2亿欧元用于行星采矿项目。

What goes up must come down

飘在太空中的垃圾越来越多,这是不容人类忽视的。在国际空间站及其下方的低轨道范围内,处理太空垃圾并不难,即,把它们拖到大气层的外围区域。在接下来的几十年里,由于受到大气的阻力,它们的轨道高度会不断下降,最终在大气层中被烧毁。正是由于这一原因,国际空间站需要定期提升高度。但在其他轨道中太空垃圾会不断增多,例如,停止运作的卫星及其碎片,以及为实现火箭加速而被抛离的残留部件。海拔700公里和900公里之间的轨道中太空垃圾最多,不过在这里它们相撞的几率相当低。美国民间组织安全世界基金会(Secure World Foundation)的布莱恩?维顿表示,每个卫星年(satellite-year)发生撞击的概率或许仅为1%。但已有卫星因与太空垃圾相撞而报废。发射升空的卫星越多,相撞概率就越大,进而产生更多的太空垃圾。如果放任不管的话,这个问题只会变得更严峻。维顿说,“这就像气候变化一样,等到太空垃圾真正演化为很严重的问题时,人类采取什么措施都为时过晚了。”

解决方法之一是让卫星在威胁来临时更为“机敏”,并确保地面控制中心更高效地获知卫星的周边状况。美国军队利用雷达和望远镜追踪尺寸约大于10厘米的太空垃圾,并在它们接近正在运行的卫星时发出警报(地面雷达很难探测到太空中尺寸小于10厘米的物体。因此立方体卫星的体积是出于慎重考虑而设计的,如果体积再小一些,就可能无法被地面设备追踪到)。轨道软件商Analytic Graphics即将推出一种能够满足这类需求的服务。该公司使用较为廉价的商业技术来追踪飘在太空中的物体,这在过去只有政府会去做。值得一提的是,Analytic Graphics追踪对象的数量不仅达到美国空军的一半,而且自身的实力也在快速提升。

另一个解决方案是对太空垃圾予以清理,这时候就要动用到遥控设备了。空中客车旗下的小型卫星公司Surrey Satellite Technology为欧洲航天局研制的一艘太空飞船将在2017年展开性能测试。这艘飞船的任务是在太空中利用网状设备来“抓捕”附近已废弃的立方体卫星,把它拖到飞船旁,装上可把它拉到大气层中的装置,这样这类废弃卫星的最终归宿是在大气层中被烧毁。该公司也在探索一种利用锚钩状设备抓取太空垃圾的技术。同年,新加坡初创公司Astroscale计划发射一颗卫星用来更高效地监测太空垃圾。2018年,Astroscale还计划测试一种带粘性贴片的、可把太空垃圾粘附在机身上的卫星。

As it happens, very similar technologies might also be used for removing satellites that some people want in position and others do not. 美国、中国和俄罗斯一直在研发反卫星武器(ASAT)。但一旦启动这类武器,攻击者是哪方一目了然。或许可以让秘密部署的小型卫星靠近目标卫星并将之毁掉,这种神不知鬼不觉的方法让人弄不清楚卫星是遭到破坏还是出了故障。

为了近距离监视本国的以及他国的卫星,美国最近刚刚把一对小型卫星送往地球同步轨道中。8月19日,又一对卫星发射升空。但这种方法存在局限。美国国防部太空政策副助理秘书道格·洛韦罗表示,在太空中,人类更乐于攻击,而不是防守。

Star wars writ small

洛韦罗提出三种可持续提升卫星实力的方式。一是采取积极防卫措施,让潜在敌方发动ASAT袭击的难度变大。二是增强灵活性。商用服务商和美国同盟国在太空中部署的资产超过了以往任何时候。在常规活动中或紧急情况下选用这类商业卫星(而不是专属于军队的太空设备),这会让敌方难以通过反卫星武器发动致命打击,因为太空中拥有太多的潜在袭击对象。

三是在地面上部署备用卫星,若有急需,这些卫星应能够在短时间内发射升空。美国国防部高级研究计划局(DARPA)的另一个太空项目XS-1希望通过商业团队开发可部分重复使用的发射系统,而且这类系统能够在连续10天内每天把重两三吨的设备发往太空轨道中。这类研发有助于降低小型卫星的花费,并保障军队的太空实力。

一些被设计来打击卫星的系统或许也能实现其它用途。这类卫星在大气层以上的部分既定轨道中飞行时或许可用来拦截并摧毁洲际弹道导弹。20世纪80年代,美国的“星球大战”项目提出了所谓的“灵巧导弹(brilliant pebble)”计划——数千颗精确制导的卫星可用来识别并拦截正在升空的洲际弹道导弹。这类系统的可行性引发了热议,直到克林顿政府削减了太空导弹防御开支。

从地缘政治层面来看,导弹防御依旧是个棘手的议题。目前,智能手机的处理能力等同于上世纪80年代的Cray超级电脑,初创公司发射的卫星数以百计,从技术而言“灵巧导弹”计划的可行性比过去提高了许多。在当前的这种局势下,押注太空防御确实具有很大的意义。此外,相较地面设施,通讯、导航、观测以及太空设备提供的区域性或全球性服务明显更具优势。然而,虽然这些技术在美国获得了迄今以来的最大程度的研发,但并不是美国这个国家所独有的。防御型和攻击型的战争能否成为这些技术的“练兵场”,仍是未知数。

载人太空飞行:阿波罗的孤儿

对于征服太空,人类似乎没有迫切的需要,但我们将一如既往。

太空不一定会成为战场,但并不是没有先例。早在两千多年前的《孙子兵法》中,先贤就明白制高点是兵家的必争之地。对于武器设计师来说,空间轨道运行带来的强大动能速度是太空带来的礼物,因此关于太空的争夺是冷战的一种重要方式,而运载火箭则是德国V2导弹的发展,也是洲际弹道导弹的近亲。最初太空的英雄就是战士,代表其国家在太空单独作战。

早期的宇航员并没有真正的技术或业务目的。他们的存在,如同他们的任务,都是象征意义上的。但这种象征意义对于全世界影响深远。在人造卫星上天之前,科幻小说已经将太空旅行作为未来人类超越自我,超越地球所限的一种方式,如果人类不能够亲身参与到太空探索之中,那么这种对未来的期望就毫无意义可言。冷战中超级大国之间的竞争也产生了同样的渴望。如果太空探索是一场竞争,那么必然会有胜利者,这些胜利者必须应该是人而不是机器,是成千上万人为之努力而获得的成绩。他们的成功不仅激励着祖国的同胞,也让全世界仰视。

从某种意义上说,这种万众瞩目激励着人类做到这一点。20世纪60年代,当时的孩童一代亲眼目睹了阿波罗的登月之旅,对未来将要发生什么寄予期望。这种期望在未来的40多年不断加深——渴望、不安、有时生气,又渴望更多。纪录片《阿波罗的孤儿》就讲述了看待太空探索的故事:阿波罗登月之后,航天飞机的失败、通信卫星的发展、星球大战计划、国际空间站以及火星探测计划,种种行动没有一样能够满足他们。对于这种心理,不能简单认为需要更多的宇航员就可以了结。宇航员探索太空的脚步从未停止,因为他们觉得一旦放弃就是自信扫地。对于独行侠来说,他们无法被满足,是因为他们希望宇航员能够尽快能对太空进行更深入的探索。人类的太空计划总是停留在第轨道太空,这完全无法满足这些独行者的愿望。

很多人希望探究太空探索的“下一步是什么”,从而回答自己的问题。许多人参与太空探索的最大东西并不是利润,而是拓展人类的影响范围和由此带来的强烈渴望。他们能够激发自我潜能,能力远大于赚钱和服务人类社会。然而,太空探索的实现依靠的不仅仅是硬件的进步和丰富的想象。当然,世俗技术的进步能够是这些人更加富有,更好地向着自己的目标前进。

伊隆·马斯克(Elon Musk)就是其中的超强一员。他已经用行动证实,他能够以较低的成本推动太空旅行技术的发展,他所开创的技术要远低于举国之力的水平。其太空探索公司SpaceX一直将殖民火星为首要目标,近期其市值已经达到120亿美元。马斯克明确表示,在殖民火星之前,SpaceX不会上市。公司目的并不是将股东利益最大化,而是要创造历史。

马斯克将在九月底举行的国际宇航大会上展示SpaceX殖民火星路线图。这一计划的关键是公司的全新一代火箭引擎Raptor,其推力远远大于SpaceX现有猎鹰9号火箭所采用的Merlin引擎,能够将火星探测宇宙飞船送入预定轨道。而火箭燃料将采用液态甲烷,从而取代Merlin所采用的煤油燃料,能够产生更为强大的推力,也更易于从冰和二氧化碳中提取,二者都可以在火星上找到。因此,采用液态甲烷作燃料,不仅能够让火星探测器抵达火星,也有机会返回地球。

亿万富翁俱乐部

马斯克仅仅是致力于探索太空的亿万富翁中的一员。早在1996年,行星资源开发公司Planetary Resources总裁彼得·戴曼迪斯(Peter Diamandis)就设立了Ansari X奖项,悬赏1000万美元开发能够将人送上100公里外太空的航天设备。2004年,由微软联合创始人保罗·艾伦(Paul Allen)投资的太空探索公司Scaled Composites脱颖而出,其开发的实验飞船SpaceShipOne获此殊荣。此外,艾伦还投资了Scaled Composites,该公司旨在打造世界上最大的飞机,将其作为平台发射卫星和将人类送入太空。

而英国著名商人理查德·布兰森(Richard Branson)创办了维珍银河公司,该公司的业务组要是太空旅游。其研发的SpaceShipTwo太空飞船可以将六位付费客户送入太空体验太空的黑暗环境和零重力,目前已经有约700人为此支付了船票。但是公司业务发展远远慢于预期水平。2014年维珍银河太空船发生事故,一名飞行员丧生。但确定的是,公司的太空船将会很快重返蓝天。此外阿布扎比主权财富基金也对布兰森的维珍银河投资3.8亿美元。

在太空旅游业务方面,布兰森的主要对手的亚马逊首席执行官杰夫·贝索斯(Jeff Bezos)。贝索斯旗下太空探索公司蓝色起源(Blue Origin)所开发的New Shepard 火箭能够将宇宙飞船送至SpaceShipTwo同样的高度。贝索斯的野心还不仅限于此,目前蓝色起源正在研发推力更大的运载火箭引擎,其性能与SpaceX的Raptor引擎类似。贝索斯称是为他人研发这款火箭引擎,但无疑也有自己的太空探索计划。

当其谈论自己的太空探索计划时,表示梦想受到了杰瑞德·K·奥尼尔(Gerard O’Neill)的影响。后者是上世纪70年代普林斯顿大学的教授,构想在未来人类社会所有的重工业将会被转移到近地轨道,充足的阳光为其提供取之不尽的能源,其中一部分阳光通过太阳能动力卫星反射到地面。产业工人将在广阔的外太空定居,生产原材料来自于月球和小行星,而废弃物将被太阳风一扫而空。贝索斯在谈到轨道空间时也有类似的愿景。工业将全部处于轨道空间,而地面将回归原有的绿色生态,所有所需的产品都可以由轨道空间的工业提供。

与SpaceX的火星探测相比,蓝色起源或许更为保守一些。贝索斯要想建立一个真正的亚轨道太空旅游公司,首先需要解决的是大推力、低成本,可重复性使用的运载火箭。只有达到了这一点,才能够使得轨道空间装配成为可能。如果贝索斯愿意在未来几十年内持续风险,有可能会实现这一点。同时,随着太空旅游的普及,可能会吸引更多的投资者加入这个行列。

诸如此类太空探索的尝试也包括国家行为。诸如中国以及俄罗斯都在致力于将人送上月球。而欧洲航天局也有类似的计划,但其缺少载人航天设备。美国将火星看作其下一个目标,但似乎并不急于推进相关研究,而且如果马斯克将目标定在了那里,美国可能会转而开发月球。事实上,月球适于进行各种科学实验,也存在丰富的资源。有人认为或许建立月球基地将成为美国的目标。

事实上,一个月球基地的成本要低于国际空间站。后者的成本开支约在1000亿美元,是人类有史以来建造的最贵设备。正如目前美国航空航天局与SpaceX公司合作进行空间站物资补给以及人员往返一样,未来月球基地的建设与后期维护也有可能承包给蓝色起源、SpaceX、波音以及其他公司,这有助于降低成本。此外,诸如Moon Express等公司也在推进私人月球计划。They see themselves making money providing infrastructure for lunar science and, eventually, settlement.

Stretching the magic

马斯克的行动令人印象深刻。从太阳能的能源革命,到特斯拉的电动汽车,再到SpaceX的太空探索计划,马斯克多次都在试图改变世界,创造历史。但无疑,这使得其精力也过于分散,其中包括资金以及人力等多种资源都被摊薄。事实上,在过去特斯拉和SpaceX都曾处于破产的边缘,都未能如期完成马斯克定下的宏伟目标。即便马斯克能够以更低的成本实现宇宙飞船的火星探测,对于公司55亿发射业务来说依旧是负担重重。

Raptor虽然推力强大,但至少在初期,其也可能是危险的吃人猛兽。相比于将人送至国际空间站,把数以百计的人送往火星是完全不同的任务。火星本身的环境也可能会导致计划失败。这颗星球表面充斥着有毒的高氯酸盐。其重力过低,可能影响女性的足月顺产,也不利于婴儿的成长。相比之下,贝索斯的轨道太空计划看来更为可行。但是贝索斯的计划也面临这诸多问题,必须保证现有制造业在外太空能够有更多收益。在外太空,制造业需要考虑产业工人的生存问题——空气、食物和水源。

随着人类的延续,太空或将成为一个新的南极大陆。受到军事条约的保护,仅仅用于科学研究和旅游。它不会成为一个新地球,但却将是人类王国的美好延伸。总之,成为一个新的南极洲也是一件美妙的事情。这将在先行者的带领下,通过人类富有远见的洞察力、技术敏锐性以及雄厚的资本实现更大的未来。

或许,人类对于太空的探索永远无法达到殖民其他星球或超出地球轨道的目标。但在未来几年甚至于几十年,会有更鼓舞人心的现实发展。无论如何,这个世界将更加互联、通达、可知。

太空芯片

Zac Manchester is making smallsats smaller still

同马斯克类似,扎克·曼彻斯特也想为太空业做出贡献。但又不同于马斯克,他并不拥有价值数十亿美元的太空飞船业务。但作为一名聪明的年轻工程师,他拥有想象力和技能,精通立方体卫星的技术标准,懂得如何展开众筹融资。这些就足够了。

要不是没通过监管审核,今年7月从卡纳维拉尔角升空的猎鹰9号就会携带一颗名为Kicksat的3U立方体卫星。这颗卫星中配备了100块一侧长3.5厘米、重4克的“精灵(sprites)”电路板,每块电路板都带有数个传感器、一台处理器、太阳能电池、一部无线电接收装置以及10厘米长的卷曲连接线。这颗卫星一旦进入太空轨道,每块电路板会自行解开连接线,并脱离卫星进入太空,这样地面的技术人员就拥有了发送信号供他们监测的迷你人造卫星。

曼彻斯特表示,要在卫星上增设传感器或3厘米大小的智能手机摄像头是件容易的事。把所有元件集成在一块硅晶片上所需的投资并不多,售价只需数美分。

充当迷你卫星的“精灵”电路板可用来研究地球的上层大气或者磁场。若获得进一步研发,它们还可在小行星观测任务中发挥辅助作用,数千只“精灵”负责从每个角度对小行星拍摄图像,并在小行星表面安置一些简易传感器。如果把“精灵”电路板粘附在轻型反射镜上,可利用激光把它们向太阳系中的目标天体投放,或许有一天还能飞出太阳系。

曼彻斯特希望将来有一天自己也能体验太空之旅。但他设计的Kicksat卫星会比他更早抵达太空。这种纳米级装备的前景确实让人期待。


via: The Economist