SpaceX能否助NASA“搶時間”趕赴天王星？

一項最新研究指出，SpaceX正在測試中的重型運載火箭“星艦”（Starship），有望在運力、軌道加油以及充當氣剎防護體等方面發揮關鍵作用，從而顯著加快美國宇航局（NASA）規劃中的天王星旗艦探測任務進程。

天王星及另一顆“冰巨星”長期被認為是太陽系內最值得深入研究的目標之一，2022年美國國家科學院發布的十年期行星科學規劃報告已將“天王星軌道器與大氣探測器”（Uranus Orbiter and Probe，UOP）列為旗艦級任務首要優先方向。然而，針對2030年代發射窗口的詳細方案迄今尚未完全敲定，也為新一代發射技術“介入”預留了空間。

目前，人類對天王星的近距離探測仍極為有限，上一次訪問還是近40年前“旅行者2號”的一次飛掠，其間并未進入環繞軌道。天王星與海王星是太陽系中僅有的從未接收過長期駐留航天器的行星，它們在行星形成、內部結構、磁場特性以及衛星系統等方面都蘊藏大量未知。天王星本身側躺著自轉，磁場軸心既傾斜又偏離行星中心，其衛星群中還可能存在被冰殼覆蓋的地下海洋。與此同時，與天王星體量和成分相近的行星，已成為目前系外行星搜尋中最常見的一類目標，對天王星的系統性考察被視為理解類地外行星體系的重要“樣本”。

天王星任務規劃的最大難點是距離帶來的時間和成本壓力。天王星平均距離太陽約為地球的19倍，“旅行者2號”當年飛行超過9年半才抵達，而此前在十年規劃階段的任務估算方案中，即便依托獵鷹重型（Falcon Heavy）并借助多次行星引力助推，飛行時間仍可能超過13年。這意味著探測器在跨越深空過程中，需要長期維持運行與地面支持，經費和關鍵技術團隊在十余年跨度內始終“在線”，對管理和預算都是挑戰。

在此背景下，星艦的出現被認為可能“重塑”任務架構。經過多次試飛和改進，星艦近期取得一次更為成功的測試，若后續進展順利，有望在本十年末具備常規任務發射能力，從而成為UOP候選運載平臺之一。研究團隊在提交IEEE航空航天會議的一篇論文中分析指出，星艦除具備更強運載能力之外，還有兩項特性對天王星任務尤為重要：一是軌道加油能力，二是作為再入和氣剎防熱盾的潛力。星艦系統在設計之初就考慮了軌道補加燃料，使其無需將全部推進劑都從地面一次性送入太空，理論上可更快、更高效地將探測器送往外太陽系深處。

論文進一步探討了由星艦直接參與天王星軌道插入過程的設想。研究人員認為，得益于星艦已針對地球和火星再入環境進行了防熱設計，它在適度改裝后，有機會充當天王星大氣制動的“防護體”。在這種方案中，星艦并不會在完成變軌后與探測器分離，而是與UOP一同飛抵天王星，利用自身熱防護系統充當大型“氣剎”，幫助探測器在穿越天王星高層大氣時有效降低速度并實現停留。模型計算顯示，如果把在軌加油與星艦氣剎結合使用，前往天王星的飛行時間有望從約13年縮短到約6年半，且在飛行途中不再依賴其他行星的引力助推。即便考慮到讓一艘星艦“隨行”所增加的研制與發射成本，相較當前方案，任務總運營成本仍可能因飛行時間減半而明顯下降。

不過，從論文設想走向實際任務仍有諸多不確定性。UOP當前距離正式立項尚有距離，星艦在天王星大氣條件下進行復雜氣剎的技術成熟度也遠未達到工程可行階段。盡管該任務在十年規劃中位列“頭號優先”，但在NASA預算壓力和機構內部動蕩持續存在的背景下，能否如期獲得經費批準仍未知。一旦錯過2030年代的重點發射窗口，下一次相對理想的發射時機將推遲到2040年代中期，屆時從“旅行者2號”飛掠至下一次近距離考察，時間跨度將逼近70年。文章最后呼吁，無論最終是否采用星艦，支持天王星旗艦任務應成為全球行星科學界和相關機構的共識，以免錯失深入認識這一“被忽視的世界”的寶貴機會。