重型猎鹰将如何改变外太阳系空间探索？

重型猎鹰火箭首飞升空。图片来源：John Kraus

　　（艾麦乐 编译）2018年2月，SpaceX的重型猎鹰首飞成功，成为现役火箭中推力最大的一款。仅次于它的，是联合发射同盟的德尔塔Ⅳ重型火箭。而重型猎鹰能够发射到近地轨道的载荷重量，是德尔塔Ⅳ重型火箭的2倍以上。
　　下面列出的几款现役火箭的运载数据，或许能够让你对重型猎鹰的能力有一个大致了解：
　　低地球轨道最大载荷质量：

• 重型猎鹰（SpaceX）：63800千克
  
• 德尔塔Ⅳ重型（联合发射同盟）：28790千克
  
• 长征五号（中国）：25000千克
  
• 猎鹰9号全推力版（SpaceX）：22800千克
  

　　重型猎鹰更高的运载能力，给太空探索带来了许多全新的可能性——而这些可能性，在阿波罗计划终结以来的很长一段时间里，根本是不可能完成的任务。重型猎鹰火箭的首要目标或许是前往月球或者火星，但对于科学家来说，更激动的是这款火箭在更广泛的空间探索领域所蕴含的潜力。

首飞前竖立在发射塔架上的重型猎鹰火箭。图片来源：SpaceX

冥王星轨道器和阋神星飞掠任务
　　2015年，NASA的新视野号探测器让我们第一次看见了冥王星及其卫星卡戎（Charon）的超清晰影像。在那之前，还从来没有任何探测器去过冥王星。
　　新视野号发回的数据表明，冥王星是一颗地质活跃的星球，有着由氮冰构成的巨大平原，有着雾霭重重的多层大气，还有着高达3000米的山峰。甚至还有证据表明，冥王星的地表之下可能潜藏着大片液态水的海洋。

新视野号发回的冥王星细节照片，可以看到由冰构成的山峰。图片来源：NASA

　　可惜，新视野号只是一次飞掠任务，带给我们的问题远比答案更多。它不是一个轨道探测器，不能从冥王星周边持续不断地给我们发送回报丰厚的科学数据。为什么不能派一个探测器去环绕冥王星展开探测呢？原因很多，其中之一便是火箭运力有限。
　　新视野号重达478千克，由联合发射同盟的阿特拉斯V型火箭发射升空——这款火箭只能将不到1000千克的载荷发送到冥王星。因此，新视野号无法携带足够多的燃料在抵达冥王星时用来减速，也就不可能被冥王星俘获入轨，只能像现在这样从冥王星身旁高速掠过。重型猎鹰火箭突破了这一限制。

新视野号探测器由阿特拉斯V型火箭发射升空。图片来源：维基百科

　　重型猎鹰能够将重达3500千克的航天器送到冥王星。就算我们假设，不对新视野号探测器本身作太大的改动，它也有足够的空间能够携带额外的燃料，用于抵达冥王星后的俘获入轨。
　　利用重型猎鹰发射哪怕一个稍加改进的新视野号轨道器，也将给我们带来更高分辨率的影像，能够多次近距离掠过冥王星的多颗卫星，并且监测这颗矮行星的长期变化，甚至带来全新的认识。
　　重型猎鹰还能发射探测器飞掠下一颗矮行星——阋神星（Eris），它到太阳的距离是冥王星的两倍。
环绕冰质巨行星——天王星和海王星
　　我们发射过环绕木星和土星这两颗气态巨行星的轨道探测器，而对于天王星和海王星这两颗冰质巨行星，却只发射过飞掠探测器。这个事实实在让人有一些灰心。对于这两颗冰质巨行星，还有太多的事情有待我们去了解。
　　天王星诡异的倾角和翻转的磁场，只是围绕在这颗行星周边诸多谜团中的一部分。
　　海王星也有诸多谜团，比如不完整的光环结构和令人惊讶的超强风暴。还有它最大的卫星——海卫一（Triton），正从它的冰火山喷射着含冰物质。

海王星上出现过令人惊讶的超级风暴。这张照片是旅行者2号在1989年拍摄的，这是迄今唯一一次近距离飞掠这颗行星。图片来源：维基百科

　　就像冥王星一样，重型猎鹰有能力发射轨道器前往天王星和海王星，对太阳系最外围的这两颗行星展开周密的研究。与冥王星相比，它们距离太阳还要更近一些，这意味着这些轨道器能够用相同的代价携带更高性能的设备。
　　研究天王星和海王星这样的冰质巨行星，意义不仅止于了解它们以及它们在太阳系里的角色。看看迄今我们发现的太阳系外行星的类型，你就会留意到，银河系里最常见的行星类型正是所谓的“迷你海王星”这一类。因此，更好地了解天王星和海王星，是我们了解银河系里最主要行星如何形成及演化的关键。而重型猎鹰让我们刚好能够做到这一点。

这张图显示了截至2016年5月10日，已知太阳系外行星按不同大小的统计数据。比天王星和海王星略小一些的所谓“迷你海王星”，是其中数量最多的一类行星。图片来源：维基百科

更轻更快
　　让我们有能力往天王星、海王星和冥王星发射轨道探测器，并不是重型猎鹰的出现所带来的唯一好处。重型猎鹰不只能够发射更重的载荷，还能把更轻的载荷（比如大多数行星轨道器）发射到非常非常快的速度。如此一来，抵达太阳系外围那些行星所需的时间，就有可能缩短到5-8年，而非使用其他现有火箭所要花费的10-14年。
探索木星和土星的卫星
　　木星和土星相对较近，意味着重型猎鹰能够发射更重的载荷前往这些目的地。好消息是，现在已经有两项木星卫星探测任务，计划在2020年代搭载其他火箭发射升空。
　　欧洲空间局的冰质木卫探测器（JUICE）将在2022年发射，它的首要目标是环绕并研究木星最大的卫星——木卫三（Ganymede），这是太阳系里唯一拥有磁场的卫星。NASA的欧罗巴快帆（Europa Clipper）则将证实木卫二（Europa）地表下可能存在的海洋，并评估海洋中存在生命的可能性。

NASA的欧罗巴快帆探测器，预计2022年发射。图片来源：NASA

　　重型猎鹰的运载能力可以用来提高这些任务的科学价值。重型猎鹰不只能够发射更加先进的轨道器，由于运载能力足够强大，它还能够搭载相当重的着陆探测器前往木卫二和木卫三。
　　发射一枚轨道器前往土卫二，这种可能性也相当诱人。土卫二上有喷泉在持续喷射，人们认为它的内部也有一大片液态水的海洋。因此，它被列为是外太阳系存在生命的头号备选之一，属于必须要被探索的星球。
更便宜，可复用
　　相对它的运载能力而言，重型猎鹰算是相当便宜了，这也是SpaceX公司最大的卖点。一次性使用、完全不回收的重型猎鹰，一次发射报价1.5亿美元。作为对比，联合发射同盟的德尔塔Ⅳ重型火箭只有不到一半的运载能力，发射报价却高达3.5亿美元。事实上，重型猎鹰还可以回收利用（如果发射较轻载荷的话），发射报价还可以大幅降低。可复用的重型猎鹰，发射报价是9000万美元。

重型猎鹰的两枚助推火箭，发射后垂直着陆在发射场附近的1号和2号着陆区。图片来源：SpaceX

　　正如美国行星学会指出的那样，猎鹰9号目前已经获得认证，只能发射预算相对较低的科学任务。不管是一次性使用还是允许回收复用，重型猎鹰火箭都能大幅度降低发射费用，并且缩短探测器抵达目的地所需的时间，将使得前往外太阳系的探测任务数量倍增。
结论
　　重型猎鹰火箭划算的发射费用，外加更快速抵达外太阳系的能力，将显著地改变我们在太空探索领域的行事方式。科学探索会成为大赢家！
　　很兴奋能够看到重型火箭重回航天市场。对于我们这些太空nerd来说，这真是个令人激动的时刻。
编译来源
medium，How SpaceX’s Falcon Heavy could enable fantastic Science in the outer solar system