如何规划航天任务

2017年10月，罗布·韦里克(Rob Weryk)在犹他州普罗沃市万豪酒店(Marriott)的酒店房间里发现了一个星际物体。韦里克是夏威夷大学的天文学家和博士后研究员，他来镇上参加美国天文学会行星科学部的第四十九次会议。一天早上，在出发去参加一天的演讲之前，他打开笔记本电脑，浏览了他从毛伊岛哈利卡拉天文台(Haleakala Observatory)上的一台名为Pan-的望远镜下载的数据，该望远镜位于毛伊岛的哈利卡拉天文台(Haleakala Observatory)。这架全景望远镜凝视着广阔的夜空，寻找随着时间的推移而发生的变化。特殊的软件会标记任何移动的内容以供审查。

韦里克注意到，在10月19日，探测到了一些新的东西。从视觉上看，它是无法解释的-图像中的一个点，或者可能是噪音。尽管如此，一旦发现了移动，就有可能回到过去，在预先发现或“预先发现”的数据中定位它。韦里克利用这些先前的观测重建了该物体的飞行路线。它的行为很奇怪：与太阳系中的其他一切不同，从尘埃到木星，它似乎没有受到太阳的引力束缚。当他调查时，一幅令人惊叹的画面浮出水面。长周期彗星与我们的太阳系几乎没有联系，它们可能会以每秒一到两公里的速度移动。这个物体以二十六度的速度飞行。

他让欧洲的一位同事来看一下。他还联系了位于夏威夷大岛的加拿大-法国-夏威夷望远镜的天文学家，他们将该天体的坐标添加到了望远镜第二天晚上应该看到的目标名单中。他写信给其他望远镜的个别主管，解释为什么该天体值得观察。一个团队和一个共识出现了，世界各地的学者用他们的望远镜研究现在几乎可以肯定是第一个观察到的进入我们太阳系的星际物体。他们把它命名为“Oumuamua”，这是一个夏威夷语单词，意思是“童子军”。

两年后，在加利福尼亚州帕萨迪纳的喷气推进实验室，一位名叫兰迪·韦森(Randii Wessen)的航天工程师站在一个名为Left Field的房间里，面前是一块墙壁大小的白板。面对他的是18名研究人员--行星科学家、天体物理学家、工程师--大多数都是二十几岁的年轻人，都是研究生或博士后。61岁时，韦森秃顶，留着胡子，身材苗条，他在旅行者号和卡西尼号太空探测器上工作。他现在是J.P.L.所谓的A-Team的首席研究架构师，A-Team是一个负责实验室创新铸造厂早期太空任务概念规划的小组。(这个团队的名字既是以任务架构的纪律命名的，也是以20世纪80年代关于一支出色的行善雇佣兵团队的电视节目命名的。)。太阳系中数十万个已识别的物体中没有两个是完全相同的；每个物体都必须根据自己的特点进行探测。因此，成功的任务出现在事实证明的和幻想的交汇之处。探索木星的火山卫星木卫一的最好方式可能是轨道器，但也可能是熔岩船。通常，这些疯狂的、可能奏效的解决方案开始于韦森的白板。

这些年轻的研究人员在那里是该机构一年一度的行星科学夏季研讨会的一部分，该研讨会是一个旨在教导不同领域的科学家如何合作计划前往其他世界的任务的项目。在抵达帕萨迪纳之前，他们已经参加了11次每周一次的电话会议，由任务发展的各个方面的专家讲授。在斯莱克和电话中，他们就不同的假设探索目标进行了辩论。最终，他们决定拦截和检查一个类似于奥穆阿美亚的星际物体--这是一项不同于以往任何尝试的任务。在帕萨迪纳，在研讨会的最后一次会议期间，他们希望设计一种能够确定这样一个物体来自哪里，以及它是否包含生命的基本组成部分的航天器。然后，他们将把他们的任务计划和航天器设计提交给一个由负责拆解它的太空探索老兵组成的审查小组。

“所以你真的要试着找出这个东西是从哪个系统来的？”韦森问这群人。在黑板上，他写下了问题：“该天体来自哪个恒星或恒星形成区域？”他戏剧性地凝视着他所写的东西。“我甚至不知道你会怎么做，”他说。

布朗大学行星科学博士生杰西·塔纳斯(Jesse Tarnas)说：“通过三种不同的同位素测量、轨迹信息和金属丰度。”“我认为潜在地限制它可能来自的核心集群是可行的。”

“40亿年前？”韦森问道。“你认为从那时起它就是直线发展的吗？”

这些设计在一个看起来像高中计算机科学教室的地方汇聚在一起。白板安装在拥挤的一排排计算机工作站的上方；每个监视器顶部的一个小标志表示特定的任务元素-“命令和数据系统”、“热能”、“机械”、“电力”、“成本”、“电信”、“推进”等。在房间的前面，一个小牌子勾勒出伊丽莎白·库布勒-罗斯的五个悲痛阶段。凯斯解释说，设计航天器子系统还涉及否认、愤怒、讨价还价、沮丧和接受。权衡是痛苦的。携带太多科学仪器，你会耗尽电力；增加太多热保护，你会限制发射能力；收集太多数据，你将无法存储或返回地球。金钱也是有限度的：野心必须与节俭相权衡。“你不会想当扁平松鼠的，”凯斯说。“那就是那只不能做决定的松鼠。”必须深思熟虑、果断而连贯地进行权衡。

在帕萨迪纳市中心万豪酒店(Marriott Courtyard)的一间会议室里，研讨会参与者面临着这些复杂的问题。在与韦森和A团队进行了两天的会议后，哈佛大学行星科学博士生、该任务的负责人金伯利·摩尔(Kimberly Moore)开始问自己，是否有可能与星际物体会合。当时是10点45分，摩尔和其他研究人员聚集在连体桌子周围，桌上散落着电涌保护器、啤酒瓶和咖啡杯，他们坐在笔记本电脑前，拿出关于长周期彗星的论文，这些彗星每隔几个世纪就会摆动到地球附近。几乎可以肯定的是，这样的彗星会比星际物体或I.S.O更慢，更容易预测。追逐其中一颗会更好吗？是否真的有可能充分回答I.S.O.是否含有有机化合物的问题？

摩尔说：“我不清楚我们是否能提出星际物体的任务，并以我们现在拥有的技术地位获得有价值的科学。”“尽管I.S.O.是华而不实的，但我不想继续执行一个半生不熟、提议软弱的任务。”

也许证明截获I.S.O是不可信的本身就很有价值。“零结果仍然很重要，”卷发大气化学家亚历山大·塞伦(Alexander Thelen)指出。“这样人们就不需要重新发明轮子了。”

从失败中获得成功是太空探索的一种传统。1989年，就在伽利略太空探测器离开地球开始木星之旅后，其一侧的高增益天线未能完全打开其16英尺的直径。没有它，任何数据都无法发回。J.P.L.的工程师们找到了使用咖啡罐大小的低增益天线的方法；在接下来的13年里，伽利略发现了木卫三--已知的唯一颗拥有磁场的卫星--证实了欧罗巴内部存在咸水海洋，并目睹了一颗名为休梅克-列维9号(Shoemaker-Levy 9)的彗星坠入木星大气层。

“哦，见鬼，”桌子下面有人说。一瓶水被打翻了，正在倒进摩尔笔记本电脑的键盘里。摩尔把它捡起来，倾斜了一下，水从旁边流了出来。她转向西南研究所(Southwest Research Institute)的研究人员克里斯蒂·莱拉(Kristie Llera)，询问她关于智利的大型天气观测望远镜(Large SYNOTIONAL Survey Telescope)的情况，以及它如何才能实现他们正在努力起飞的任务。

到了早上，团队已经决定坚持星际物体计划。即使是机器人任务也是人类企业；研究人员想要做一些令人兴奋的事情，之前没有人拦截过I.S.O。他们在9点左右到达X团队设计中心。摩尔和将领导设计阶段的地球物理学家塞缪尔·库维尔(Samuel Courville)坐在房间前面的一张桌子旁；其他研究人员坐在他们指定的工作站上，每个人旁边都有一名Team X工程师。

摩尔站起来，用PowerPoint带领团队完成了这项任务，他们称之为通向星星的桥梁。他们的目标是拦截一个快速移动的星际物体，并对其进行探测。通过这样做，他们希望确定生命的基石是否分散在不同的恒星系统中，其他系统是否在化学上与我们的相似，以及它们是否以与我们相同的方式形成。在探测到星际访客后，他们会迅速评估它，然后在六个月内发射，在小行星带和太阳之间的某个地方进行接触。然后，他们的航天器将发射一个“撞击器”-一种特殊设计的投射物-任务是撞击物体，并将其微小的碎片炸向太空。(经过长时间的讨论，团队成员才就计划的这一方面达成一致。)。航天器会将仪器对准喷射物，研究其成分，寻找生命所必需的成分。C

X团队的首席工程师阿尔弗雷德·纳什(Alfred Nash)戴着眼镜，留着马蹄形胡子，在一旁看着。他开始带领团队讨论技术困难。“为什么会有比平均更高的可能性不起作用呢？”他问。

“目标位置，”查尔斯·布德尼(Charles Budney)回答说，他是一名实验航天器工程师，也是研讨会的两名长期教官之一。“对我们来说，在没有--的情况下机动就位已经够难的了。”

“对不起，”纳什说，打断了他的话。“我刚刚有了一个惊人的想法。为什么我们不像他们在空军做的那样，用激光喷漆，利用瞄准技术呢？“。2005年，同样由J.P.L.设计的一项名为深度撞击(Deep Impact)的任务曾使用这样的系统向一颗小行星发射了类似的撞击器。

“但是深度撞击天体要大十倍，慢十倍，”摩尔说。

纳什点了点头，不慌不忙。“我们有355分钟的优质上场时间，”他说。“我知道你们都能胜任这项任务。”

在项目设计中心，决策从房间前面向外流动。首席调查员--在本例中是摩尔，由库维尔担任项目管理和“捕获领导”--做出的选择首先到达“成本”站，然后到达代表航天器所有其他部件的站。随着时间的推移，所有的电台都会互动。推进与动力对话，热能与仪器谈判，引导与成本对话。成本团队通过安排与其他加油站之间的交易来找到所需的资金。房间里闷热难耐，空调坏了。随着成本和质量的波动，设计中心获得了交易大厅的嘈杂、紧张的氛围。

在隔壁的房间里，行星科学研究生诺亚·哈蒙德(Noah Hammond)和X团队工程师斯蒂芬·克拉奇(Stephen Krach)站在一起。他们一直在研究宇宙飞船的计算机模型，遇到了一个棘手的问题。由于一块喷射物可能会摧毁他们的探测器，研究小组决定以他们所说的“弯管”模式操作它：不是存储数据并一次性返回，而是在会合后，信息在进入地球时被流式传输回地球。要实现这一点，航天器的天线需要一直固定在地球上。同时，仪器必须面向物体，太阳能电池板必须面向太阳。因此，天线需要能够向任何方向旋转，在一个轴上旋转360个自由度，并在万向节上增加机动性。

这个复杂的设计已经变得很难在电脑屏幕上可视化和操纵，所以哈蒙德和克拉奇退到了隔壁房间的乐高积木储藏室。哈蒙德把手伸进一个透明的塑料垃圾箱，捡起砖块，开始把它们拼凑在一起。慢慢地，他用蓝色、红色、白色和黄色的积木建造了天线、吊杆组件和方形主体，以及它的太阳能电池板、助推器和相机。为

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