航天飞机可以进行深空探索吗？ 第1页

这是一个常见而有趣的话题，还让我想到亮瞎眼印度奇葩科幻电影——《炸星记》

首先我们先定义一下什么是深空？国际电信联盟深空通信频段是200万千米外，我国航天的深空定义似乎是超过地球静止轨道（海拔近3.6万千米）外就是深空，所以38万千米外的月球也算深空。而我个人觉得深空根据环境可以分为非深空、准深空、真深空。

非深空指海拔100千米（冯·卡门线）以上到海拔1000千米以下，这区域虽然在地球稠密大气层外属于太空，但是高层稀薄大气带来的空气阻力会明显的影响航天器运行导致减速和降低轨道，如果不加以定期助推维持修正最终回坠毁，同时高层大气中的氧分子被紫外线裂解成为化学性质非常活泼腐蚀性强的原子氧，常年累月会损害航天器材料。由于轨道低，航天器热控制也必须重视地球反射、散发吸收太阳辐照能量。因为基本在地球磁场保护下，海拔1000千米以下太阳、银河宇宙射线高能粒子辐射相对微弱，辐射防护要求相对低。

准深空的范围则是海拔1000千米至海拔1,500,000千米。因为海拔1000千米以上地球高层大气影响微乎其微，不用维持轨道也能漂个成百上千年不用担心掉回来，原子氧腐蚀麻烦自然也没存在感了。同时1000千米也算是地球磁场捕获高能粒子辐射形成的范·艾伦辐射带的明显下限（虽然从640千米就有影响）。范·艾伦辐射带里充斥着在磁场里打转的各种高能带电粒子，例如电子、质子、alpha粒子、其他离子等，是危险的电离辐射会损害人体健康也会降低半导体材料包括电子设备和光伏发电等的寿命，对辐射防护要求高。可以把地球磁场看作是口罩，而范·艾伦辐射带当成口罩吸附积累了的病毒、雾霾颗粒等有害污染物质的外层。穿过范·艾伦辐射带后基本是在地球磁场有效保护范围外了，辐射强度比范·艾伦辐射带低很多但比近地轨道高得多，相对接近行星际空间（当然地球磁场影响还是有一点的）。

那为什么不直接把海拔1000以上当作深空？因为还要考虑地球引力主导范围（希尔球），半径150万千米。在这个范围内的物体可以围绕地球公转成为地球的卫星。如果超出150万千米高，那就是太阳引力主导无法绕着地球转只能在日心轨道直接绕着太阳公转，是真正的行星际空间了。可以说人造地球卫星成为人造小行星，是非常明显的边界范围。也许可以这么理解，海拔1000千米以下好比12海里的领海，而海拔150万千米的希尔球边界好比专属经济区或者防空识别区，150万千米外则是没归属、国际共享的公海。

接下来是航天飞机本身的能力。公众可能很少知道航天飞机抛弃推进剂外储箱（大橙罐）进入轨道后三台烧氢氧的主发动机（RS-25）就趴窝了。轨道机动实际上是依靠主发动机两侧烧肼和四氧化二氮的小型轨道机动发动机（AJ-10）来进行的，推力和比冲（喷气速度）都低不少。航天飞机轨道机动系统最多大约能产生300米/秒的速度增量，除了用于入轨最后一步和完成任务减速脱轨操作外最多让轻载的航天飞机达到海拔1000千米左右，显然算不上深空。

不过这不重要，因为航天飞机本身是作为天地往返的太空运输系统设计的，把载荷拉到近地轨道然后返回就行。更高的地方通过给载荷安装额外的助推火箭（各种上面级）或者用原计划的太空拖船（可以理解为重复使用、有捕获收放装置的高性能大型上面级）接棒。就像你打车到火车站换乘高铁一样。航天飞机成功的发射过3个深空探测器，分别是麦哲伦号金星探测器、伽利略号木星探测器、尤利西斯号太阳探测器（借助木星变轨）。

航天飞机自身的设计也不考虑飞的远、长期航行，首先机翼和防热瓦、起落架、大推力发动机等在深空飞行中都是无用的死重。如果在深空中直接返回地球进入大气层，由于速度比近地轨道返回快的多，很可能过热超出设计时工作情况限制导致机毁人亡解体（类似哥伦比亚号事故）。

航天飞机自己用燃料电池而不是太阳能供电顺便供水，在没附加组件的情况燃料电池携带了125.03千克液氢、106.38千克液氧。所以正常任务续航为一星期左右，后来航天飞机执行有的任务时在货舱里安装了额外的储罐模组叫轨道器任务延长装置，让任务续航提高到了16天左右。如果航天飞机燃料电池燃料和氧化剂耗尽，那航天飞机会停电停水。因为航天飞机宇航员的饮用水来自过滤后的燃料电池反应产物（众所周知氢氧反应生成水），并且航天飞机上也没国际空间站上那种能把尿都回收循环的净水处理系统。其他物资的储存同样也要考虑。

航天飞机的废物处理系统（卫生间）也是一个问题，航天飞机厕所的排泄物是直接储存在马桶里而不像空间站那样打包拿走。最多可储存210人/天的干燥排泄物和卫生纸，也就是说如果成员7人的话航天飞机厕所最多用30天就满了只能用备用的废物袋排泄（回到阿波罗时代）。

生活空间也是问题，NASA认为长时间深空航行时人均空间不应低于30立方米，否则容易出现心理问题等健康损害。航天飞机最大增压容积大约75立方米，7人分摊下来也就人均10立方米出头，太狭小了。前面提到的辐射防护更不用说了。

不过公众自然不懂那么多还是经常一再追问NASA航天飞机能不能去月球或者更远的地方？NASA也按耐不住了，于是研究后发表了一篇关于航天飞机绕月可行性分析的报告来教育年轻人。研究设想用主发动机抱着隔热增强（确保低温推进剂不至于在任务期间挥发没了）后的大橙罐下直接出发（而不是用可怜的OMS轨道机动系统发动机），当然这也增重。同时也考虑由于航天飞机热防护系统的限制无法像阿波罗飞船那样直接冲进地球大气层降落，因此多出的额外减速步骤和相应的速度增量需求。最终算出的步骤和消耗的速度增量见下表。

上表可见如果要让航天飞机轨道器从近地轨道前往低月球轨道并且安全返回总共需要7,840米/秒的速度增量，几乎和第一宇宙速度差不多了。为此靠航天飞机入轨时橙罐残留的那点氢氧和货舱里装氢氧罐是远远不够的。只能通过在轨补给低温推进剂来解决（就像马斯克PPT里starship去火星一样）。

考虑到航天飞机轨道器带贴额外多层隔热材料的大橙罐增重、低温推进剂挥发损耗等情况，NASA算出发射入轨后需要往那个大奶瓶里额外补加超过712吨液氢液氧才能够去低月球轨道并且安全返回。航天飞机近地轨道载荷在25-27吨左右，就算不考虑容器和补给设备质量那需要发射27班次航天飞机补充，考虑到推进剂的挥发、航天飞机自身续航、航天飞机的准备时间，那完全是不可能的（除非额外多建发射台和航天飞机处理设施）。

就是用当时拟议的航天飞机超重型货运版——载荷60-70多吨的航天飞机-C系统，也需要发射十多次。补充完毕后准备去月球的航天飞机连同大橙罐总质量超过846吨！！！如此兴师动众却只能把3.2吨载荷送到低月球轨道并且返回，简直是智商检测器！！！有这功夫人力物力都完全能把人送上火星并且返回了。注意下表右侧用核电推进和太阳能电推进的连拉人加拉货（包括着陆器、上升器）总发射质量770-780吨，反而更轻。

航天飞机连去月球（还不着陆）都那么折腾（理论可行，但兴师动众性价比低到侮辱智商的地步），更别提更远的地方了。

因为同样的原因，我个人不看好SpaceX Starship直飞火星搞定期航运，效率低（死重多、需要多次在轨补给、没用比冲更高的电推进或者核热、光热推进）、不舒适（完全可以接更多舱包括柔性充气太空舱享受大空间）、不安全（缺乏辐射防护保护、直接高速冲进火星大气层）,我尊重、佩服马斯克带领的SpaceX做出的巨大贡献但不会无脑粉盲目拥护。