图片由欧洲航天局提供
巨型火箭 夜幕降临，欧洲最新、最强大的阿丽亚娜5型火箭正在法属圭亚那航天中心（位于南美洲北部海岸）准备发射。这枚火箭有两个固体燃料助推器和一个主燃料箱，装载着173吨液氧和液氢。这些燃料被送入新的Vulcain 2发动机——这台发动机可能会将欧洲宇航员送往火星。
身高六英尺二英寸的安德烈·库伊珀斯在鸡尾酒会上不一定能在他的荷兰同胞中脱颖而出，但作为一名宇航员，他是一位巨人。他也是荷兰当地的英雄人物。库伊珀斯是13名欧洲宇航员之一，他们自豪地与美国和俄罗斯的同事在国际空间站上合作。在他最近的一次任务中，他在空间站上度过了九天，并完成了近二十项科学、工程和教育实验。
然而，库伊珀斯往返空间站的旅程却远非英雄壮举。他不得不乘坐狭窄的苏联设计的联盟号飞船，膝盖几乎碰到胸口。他并不那么介意狭窄的空间，而是更担心飞船的导航系统有时会出故障。当下降时发生这种情况时，飞船会进入自动螺旋模式，这会给里面塞着的三名宇航员带来高达8个G的重力。即使是联盟号正常的4个G下降也足以让经验丰富的试飞员感到不适。库伊珀斯在训练期间在军用喷气机上经历过8个G的重力，他记得在做两件事时特别困难：保持清醒和呼吸。
对库伊珀斯和欧洲航天局内许多有抱负的探险家来说，这种灵感与屈辱的奇特混合表明，该机构是时候设定更高的目标了。欧洲航天局的年度预算不到40亿美元，仅为NASA的四分之一，但它已在无人航天任务领域树立了强大地位。阿丽亚娜4型火箭是有史以来最可靠的火箭之一；其继任者阿丽亚娜5型则是最强大的火箭之一。去年1月，欧空局的“惠更斯”号探测器成功降落在土星被甲烷笼罩的卫星土卫六表面。该机构的“Smart-1”号探测器目前正在对月球进行勘测，并配备了一台开创性的离子推进发动机。欧洲人目前还没有类似航天飞机或阿波罗号的载人飞船来搭载阿丽亚娜5型火箭。但这一切也即将到来。
随着欧空局工程师开始建造一艘用于往返空间站运送大型货物的巨型货运飞船，他们也在研究如何将其改造以搭载宇航员，并使其成为欧洲第一艘载人飞船。欧洲人还在与俄罗斯谈判，以合作开发目前正在研制中的“快船”号空天飞机。该飞船旨在将六名宇航员送入近地轨道。欧空局理事会最近批准了“极光”计划，这是一系列日益大胆的探险计划，包括一次机器人火星样本返回任务、一次载人月球之旅，以及2033年的一次载人火星之旅。“欧洲人非常自豪能看到我们的宇航员在太空中，”欧空局载人航天、微重力与探索主管丹尼尔·萨科特说。“空间探索是重中之重。”
欧洲太空计划中许多新的“能干”态度都与象征意义有关。数十年来，欧洲各国一直在努力建立一个连贯的政治联盟，使其在世界舞台上拥有与美国匹敌的影响力。欧盟内部各不相同且历史悠久的国家近年来在经济上取得了成功，但迄今未能找到政治上的共同点，去年春天欧洲宪法被否决就证明了这一点。政治家们试图让所有欧洲人——从英国银行家到波兰农民——都将自己视为一个民族。这项努力可能会因一个共同的、鼓舞人心的目标而得到巨大推动，比如将人类送上火星，乘坐带有欧洲标志的宇宙飞船。
火星对欧洲航天局而言并非不可能的梦想。空中客车和阿丽亚娜已将欧洲确立为航空航天业的重要参与者。与此同时，欧洲人的主要竞争对手也面临着自己的诸多困境。美国宇航局的预算严重不足，无法支持载人火星任务，而俄罗斯则一直在努力应对比太空探索更紧迫的问题。尽管中国在载人航天方面取得了欧洲尚未达到的成就，但其整体计划在技术上仍远不及欧洲航天局。
欧洲宏伟计划的主要障碍是资金。成员国之间的争吵已经使欧洲航天局的预算捉襟见肘，迫使其创建双重用途项目，例如一个空间站货运模块，最终可能兼作欧洲宇航员的乘员轨道飞行器。名为“极光”的计划旨在将欧洲航天局送往火星，但从现在到2010年只有10亿美元的预算。为了实现其复杂而艰巨的目标，欧洲要么必须增加投资，要么与其他航天国家合作，这些国家可能包括俄罗斯、中国、日本、加拿大、印度，当然还有美国。
欧洲摆脱对美国宇航局和俄罗斯航天局依赖的战略可以追溯到至少四十年前，即早期导致第一枚阿丽亚娜火箭研发的工程努力。当时法国航天部的一位下级官员萨科特回忆起1970年代詹姆斯·弗莱彻的访问，
进入太空的渡船（目前仅限货运）
费里特·库亚斯
这两张图片展示了欧洲新的太空货运飞船“儒勒·凡尔纳”号正在荷兰诺德维克欧洲空间研究和技术中心进行测试。它将经受极端冷热、振动、辐射和真空的考验，以确保设计的坚固性。其中一张图片（上图）展示了该飞船的航空电子模块。
费里特·库亚斯
与此同时，货运飞船的按比例模型正在进行振动测试（上图），以模拟火箭发射的影响。“儒勒·凡尔纳”号将搭载在阿丽亚娜火箭上，向国际空间站运送补给，从而使欧洲人摆脱对美国宇航局航天飞机和俄罗斯“进步”号补给飞船的依赖。经过一些重大修改，这种基本设计可以整合一个乘员舱，将宇航员送入地球轨道、月球及更远的地方。
时任美国宇航局局长：“他来到巴黎，问法国为什么要发展自己的运载火箭。他说，‘我们有航天飞机。这对全世界来说还不够吗？’”1986年，“挑战者”号航天飞机发射73秒后爆炸，机上人员全部遇难。当美国宇航局几乎停滞不前时，法国在新成立的欧洲航天局旗帜下，继续推进了成功的阿丽亚娜二代火箭。
如今，美国宇航局再次陷入低谷，而欧洲仍缺乏发射自己载人飞船的能力。萨科特和其他欧洲航天局官员几乎无法掩饰他们的沮丧——不仅是对美国宇航局，也是对自己未能更快地建造自己的宇航员运载工具感到不满。到目前为止，欧洲宇航员曾希望在他们的名为“哥伦布”号的空间实验室中安顿下来，在那里他们将熔化和凝固导电金属，研究微重力对单细胞生物的影响，调查人类平衡障碍，并进行数十项其他实验。2003年2月，“哥伦比亚”号航天飞机在重返大气层时解体，“哥伦布”号当时正在肯尼迪航天中心等待准备。它现在仍然在那里，被包裹着。尽管欧洲拥有强大的阿丽亚娜5型火箭，但它需要航天飞机庞大的货舱才能将重达20,000磅的“哥伦布”号模块送入轨道。美国宇航局航天飞机主燃料箱持续剥落泡沫的问题已经推迟了去年8月“发现”号飞行的后续任务。“哥伦布”号甚至还没有确定目标发射日期。
乔治·W·布什总统在2004年1月15日的演讲中提升了太空领域的竞争赌注。他援引刘易斯和克拉克的精神，宣布了一项将人类送回月球的计划，并表示：“探索和理解的渴望是我们性格的一部分。”随后，他以“合作与友谊的精神”呼吁“其他国家与我们一同踏上这段旅程”。一些欧洲人认为他的话预示着美国在太空领域寻求霸权的新尝试，如果不是对那些毫不掩饰建立月球殖民地愿望的中国人的一记耳光的话。但这一声明却出奇地呼应了“极光”计划背后的情感。“极光”计划首份规划文件的执行摘要指出：“探索的渴望是欧洲人民的基本遗产。”
即将到来的竞争预示着，让一向温文尔雅的萨科特也露出了雄性本能。他说，欧洲不再将国际空间站研究的商业副产品视为其将人类送入太空的主要动力。相反，“对领土的探索”变得比对知识的探索更重要：“对领土的探索是动物和人类的基本需求。进入太空是一个技术问题，当技术存在时，它就会被使用。所以我说，让我们去争取拥有领土。仅此而已。这就是激励乔治·W·布什的动力。我不想被排除在外。”
在布什提出这个话题之前，欧洲的立场是，他们对一项长期、以科学为基础的火星任务更感兴趣，而不是重返月球。现在，欧洲航天局正在转变思路，试图利用现有技术开发一种载人飞船，该飞船也将对月球任务有用，并且恰好可以搭载在阿丽亚娜5型火箭顶部。关键技术已经开发得很成熟：自动运输飞行器，一种货运飞船，旨在取代俄罗斯古老的无人补给飞船“进步号”，成为向空间站运送水、食物和设备的主要工具。“儒勒·凡尔纳”号是欧洲预计建造的六艘运输飞行器中的第一艘。它正在荷兰海滨度假小镇诺德维克的欧洲空间研究和技术中心进行测试，预计明年将进行首次飞行。
“儒勒·凡尔纳”号看起来并不起眼——一艘矮胖的圆柱形飞船，形似一个笨重的通信卫星。其中心是一个足够大的货舱，可以储存七吨多的物资，从氧气和水到备用电池和食物。尽管其作用平平，但该飞船的尺寸将是阿丽亚娜火箭发射过的任何飞船的两倍。它还将整合欧洲以前从未拥有过的技术。
部分是由于美国宇航局不愿分享任何可能具有军事用途的硬件，欧洲航天局转而向俄罗斯购买对接机制，使飞行器能够与空间站对接。欧洲人也被俄罗斯在自主对接方面的工作所吸引。欧洲航天局的工程师通过增加一个制导系统改进了俄罗斯的设计，该系统允许飞行器在没有任何人工干预的情况下进行对接。对接最大的问题之一是了解飞船相对于空间站的精确方向；如果A形插片要插入B形插槽，则插片和插槽不能歪斜。旧的“进步号”有一个机载雷达系统，可以告知飞船距离空间站的距离和接近角度，但它不提供有关空间站方向的信息。“儒勒·凡尔纳”号有一个更先进的系统，围绕着一个带有图像识别软件的摄像头，该摄像头锁定在空间站上呈金字塔形排列的五个反光标记上。根据这些反光板的图案，“儒勒·凡尔纳”号的计算机可以判断它是否从正确的方向接近空间站，或者是否需要机动并再次尝试。
尽管“儒勒·凡尔纳”号距离成为载人航天舱（或工程术语中的“乘员转运飞行器”）尚远，但欧洲航天局官员们相信他们能够且应该将其改造为载人航天舱。“自动转运飞行器是用于货运的，而不是宇航员，但它可以进行改造，”萨科特说。“依赖一种技术——航天飞机——是不安全的。”他表示，欧洲的载人航天舱不会取代航天飞机。但它可能有助于将乘员运送到近地轨道，甚至月球。该飞船的货舱足够大，可以轻松搭载三名宇航员，并且可以在短距离内运送多达六人。即使是目前的纯货运版本，货舱也是加压和隔热的。
在本月的欧洲部长会议上，萨科特可能会提议扩大自动运输飞船以搭载乘员。然而，部长们将如何回应尚不清楚。目前还没有关于改造将花费多少的官方估计，但它不会便宜。载人飞船安全问题的潜在后果远大于无人货运飞船。
试验室
图片由费里特·库亚斯拍摄
欧洲空间研究与技术中心80,000立方英尺的“大型空间模拟器”是世界上最先进的航天器测试舱之一。它模拟真空以及太空中阳光和辐射的影响。由此产生的数据帮助欧洲航天局完善了其最近成功的机器人任务，包括泰坦上的“惠更斯”着陆器和“火星快车”。.
飞船。前试飞工程师兼宇航员，目前在运输飞船团队工作的让-弗朗索瓦·克莱沃伊说：“我们必须考虑任何一种故障，然后设想，如果同时发生两种故障，我们仍必须能够挽救飞船。”最大的安全限制是儒勒·凡尔纳号没有再入能力。它只是被设计成燃烧殆尽。（受控着陆似乎没有意义，因为飞船在返回途中将装满空间站垃圾。）欧洲航天局可以在飞船上添加一个小型再入舱，但这会占用空间并将有效载荷限制为三名宇航员。
在寻求资金的过程中，欧空局官员正在讨论如何动用原定用于空间站的资金。他们可以为此举辩护，因为美国宇航局作为其对空间站合作伙伴的最初义务的一部分，本应建造一艘紧急逃生飞船，将宇航员带回地球。美国宇航局提出了一个名为X38的概念——一个带有升力体设计（形状像一个肥大的机翼）的逃生舱，旨在通过可操纵降落伞着陆——但事实证明，该设计过于昂贵。2001年，肖恩·奥基夫局长在执掌美国宇航局时取消了它。欧空局官员可以提议与美国人合作，创建一艘新的逃生飞船来替代被取消的X38。美国宇航局随后可能会使用该飞船的一个版本将宇航员带回月球。
如果这个策略失败，或者欧洲航天局只是想对冲风险，那么欧洲可能会与俄罗斯合作开发“快船号”，这是一种部分可重复使用的飞行器，看起来像一艘更矮、更小的航天飞机。与欧洲提议的乘员转运飞行器一样，“快船号”将搭载在火箭顶部（而不是像航天飞机那样绑在火箭旁），可以将宇航员运送到国际空间站、月球及更远的地方。原则上，它将取代俄罗斯的无人“进步号”飞船和载人“联盟号”飞船——后者曾让安德烈·库伊珀斯感到如此不适。预计在12月的会议上，欧洲航天局将申请6000万美元以开始“快船号”的开发工作。最终项目总成本将达到3亿美元，与美国宇航局每年用于航天飞机项目的近50亿美元相比，简直是九牛一毛。俄罗斯航天官员表示，“快船号”可能在2011年开始飞行。
将宇航员送出地球轨道并登陆月球或火星，只是一个强大的载人航天计划的一个组成部分。对于前往火星的漫长旅程，机器人探测器至关重要，它们既可以作为侦察兵寻找合适的着陆点，也可以作为货运飞船运送补给和设备。欧洲在开发一种创新、高效的无人任务推进技术方面走在了前沿。
去年，当欧空局的“智能-1”号抵达月球并开始拍摄地表图像时，这项技术进行了一次试运行。这颗月球轨道器的发射在美国几乎没有引起新闻关注。在欧洲也几乎没有引起新闻关注，大概是因为向35年前阿波罗宇航员访问过的目的地发送一个小型探测器似乎不再是件大事。但“智能-1”号的意义在于它是如何到达那里的。
“Smart-1”号最初的发射方式很常规，它搭载在从法属圭亚那发射的阿丽亚娜5型火箭顶部。一旦它到达转移轨道，在地球上方22,000英里处达到峰值，飞船展开了一对小型太阳能电池板，它的发动机开始发出微弱的蓝色光芒，将“Smart-1”号轻轻地抬升到越来越高的地球轨道。经过17个月的持续加速，探测器到达了一个非常高的轨道，克服了地球引力并被月球引力捕获。然后，它开始用红外摄像机窥探月球陨石坑，寻找冰的迹象，并用雷达和光学摄像机测量地形。与此同时，发动机继续点火，将“Smart-1”号送入一系列越来越紧密的轨道。一家英国小报的头条恰如其分地宣称：“欧洲首次月球之旅将使用《星际迷航》式的离子动力。”
Smart-1号的成功很大程度上归功于物理学家何塞·安东尼奥·冈萨雷斯·德尔·阿莫，他过去16年一直在诺德维克实验室开发离子推进技术。冈萨雷斯是一位面容稚嫩、头发浓密蓬乱的棕发男子，他拿起一个探测器发动机的版本，演示这项技术的简单性。它只不过是一个扁平的圆柱形腔室，一侧有一个圆形金属格栅。发动机通过加速氙离子（被剥去一个或多个电子、带正电荷的原子）通过带负电荷的格栅，并以每小时4,000英里的速度将它们喷出飞船后部来产生推力。
离子推进是欧洲太空计划的福音：廉价、可靠且效率极高。离子排气比化学火箭的排气速度快得多，因此离子发动机每磅燃料能产生10倍的推力。这大大减少了飞船需要携带的推进剂数量、燃料箱的尺寸以及总重量。“智能-1”号的整个航程仅需要165磅氙气，以及飞船46英尺宽的太阳能电池板产生的电力。
效率的代价是加速性能不佳。“智能-1”号发动机产生的推力仅为0.07牛顿，大约相当于你用手克服一张明信片重量所需的力量。这就是“智能-1”号飞往月球需要17个月的原因。一艘离子动力飞船需要大约五年时间才能单程飞往火星，而化学火箭飞船只需七个月。宇航员可能通过化学推力前往火星，而货物可以提前通过离子动力发送。“我多年前就做过计算，”冈萨雷斯说着，从书架上拿下一个笔记本。“通过离子推进，你可以将火星之旅的有效载荷翻倍。实际上，火星太近了——你没有足够的时间加速。但离子推进对水星和外行星会很有效。”美国宇航局曾在其实验性“深空1号”探测器上尝试过离子发动机，但从未跟进。欧洲人似乎更致力于这项技术：欧洲航天局即将推出的无人水星探测器“贝皮科伦坡”也将使用离子发动机。
火星，而化学火箭驱动的飞船需要七个月。宇航员可以乘坐化学推进飞船前往火星，而货物可以提前通过离子推进运送。“我多年前就做了计算，”冈萨雷斯说着，从书架上拿下一个笔记本。“有了离子推进，你可以将火星之旅的有效载荷翻倍。实际上，火星太近了——你没有足够的时间加速。但离子推进对于水星和外行星会很有效。”美国宇航局曾在其实验性“深空1号”探测器上尝试过离子发动机，但从未跟进。欧洲人似乎更致力于这项技术：欧洲航天局即将推出的无人水星探测器“贝皮科伦坡”也将使用离子发动机。
冈萨雷斯面临的挑战是扩大离子推进规模，使其能够为人类规模的火星任务提供补给。要在五年内将11吨货物运到那里，所需的推力大约是向月球发射“智能-1”号的150倍。提供必要的电力将需要一个巨大的太阳能电池阵列，大约10,000平方英尺。一个更简洁的解决方案是核电源，它更紧凑，并能提供稳定的电流，无论其与太阳的距离如何。然而，一提到这种可能性，冈萨雷斯的兴奋感便消退了，仿佛他咬到了一颗酸果。在欧洲，核选项是不可接受的。“拥有一个核反应堆会很好，”冈萨雷斯说。“但我们不得不放弃。”
欧洲的“极光”载人航天计划可能带着梦想的眩晕感，但解决其双重挑战——建造一艘将乘员送入深空的飞船和设计能够抵达有趣目的地的发动机——正将其推向世俗的钱袋子现实。在其向欧空局董事会的提案中，“极光”计划委员会弱弱地警告说，“现阶段的成本估算只是猜测。”这个数字很可能达到数百亿欧元，远超欧洲适度的太空预算。尽管如此，去年7月，欧洲航天局中经济规模最大的德国同意参与该计划，这让“极光”计划获得了显著提振。
与此同时，欧洲正积极争取中国，中国两年前将首位宇航员杨利伟送入太空，那是一次惊险刺激的飞行，让人想起早期的水星任务。尽管中国的技术比较陈旧，但该国正在快速现代化，并可以利用其飞速的经济增长来支持月球殖民计划。“你会震惊于中国在载人航天项目上投入了多少资金，”欧洲航天局载人任务项目整合主管曼努埃尔·瓦尔斯·托伊米尔说。他正在牵头谈判建立伙伴关系。欧洲航天局还在培养与俄罗斯和日本的关系，并可能充当两国资源整合的中间人——由于历史原因，两国拒绝直接相互合作。
太空旅行的真正资金仍在NASA手中，其航天飞机仍然是唯一能够舒适地将安德烈·库伊珀斯等宇航员送入轨道的巨型飞行器。欧洲航天局先进任务概念和技术办公室主任迈克尔·麦凯认为，让人类重返月球并登上火星最可行的方式是通过国际合作。但合作并不意味着欧洲航天局会接受次要伙伴的角色。“我们对NASA的声明感到非常鼓舞，”麦凯说，“但NASA在履行承诺方面一直存在困难。这应该是一种平等的伙伴关系，双方相互尊重。”至少在欧洲航天局找到独立旅行的资金之前是这样。
欧洲通往火星的踏脚石
欧洲航天局的“极光”计划概述了一系列逐步推进的任务，以拓展该机构的能力。初步时间表设想在2024年进行载人登月任务，2026年向火星发射无人测试飞船，2030年向火星运送货运飞船。欧洲宇航员最终将于2033年登陆火星。该计划假设材料或推进技术没有重大突破。
航天器
>将欧洲人送往火星的飞船将在低地球轨道上耗时二到六年组装完成，需要29次火箭发射，运送1700吨的材料和设备。目前的设计概念有三个组成部分
>由四个阶段组成的推进模块，每个阶段配备四个Vulcain 2型火箭发动机（目前正准备升级欧空局的阿丽亚娜5型火箭），用于将航天器从近地轨道推进到火星。
>一个圆柱形的转运居住舱，长65英尺，直径20英尺，用于在往返火星的旅途中容纳乘员。设施包括乘员舱、锻炼和工作站、厨房、社交区以及任务结束时返回地球大气层的舱室。四个17英尺乘50英尺的太阳能电池板提供电力。
>一个火星考察飞行器，长40英尺，宽20英尺，用于往返于行星。它有三个部分。一个配备充气隔热罩、降落伞和推进系统的下降模块将宇航员及其硬件运送到地表。一个地表居住模块在宇航员在地表时为他们提供住所。一个火星上升飞行器——一个两级火箭和乘员舱——将宇航员送回转运居住模块，然后该模块脱离火星轨道并返回地球。
任务
>发射暂定于2033年4月8日进行，届时地球和火星距离最近。新的发射窗口每26个月开放一次，但任何延迟都意味着前往火星的行程更长，这将增加所需的燃料量，并使宇航员在途中暴露于更多辐射之下。航天器将搭载六名宇航员；三名将登陆地表，而三名将留在火星轨道。
>理想的任务时间表如下：从地球到火星200天，在火星轨道和地表停留571天，从火星返回地球207天，总时长略超过2年半。
>即使飞船有3.5英寸的防护罩，男性宇航员也会暴露在足以将患癌风险增加高达20%的辐射之下；对于女性来说，风险甚至更高。在离心机中进行锻炼和治疗有助于避免零重力下发生的慢性骨质流失。
>一旦宇航员到达火星，他们离开着陆器的行程将被限制在六小时内。他们将始终结伴而行，一人留在着陆器内。行程将被限制在从着陆器步行约半英里或驾驶月球车三英里范围内。
成本
>欧洲航天局尚未为火星任务设定价格，但认识到任务的艰巨性。“欧洲决心前往火星，但我们无法独自完成。我们需要作为国际努力的一部分前往火星，”极光计划对外和机构关系主管皮耶罗·梅西纳说。有趣的是，欧洲航天局时间表的最后阶段与美国宇航局正在形成的相应计划非常相似。除非发现超低成本能源，否则在人类踏上另一颗行星之前，两个计划的合并很可能是必要的。—扎克·佐里奇
了解更多
欧洲航天局已发布了一系列关于其极光计划的在线资源。请访问 www.esa.int/SPECIALS/Aurora。
欧空局还提供了其载人火星任务初步计划的访问权限。请访问 ftp://ftp.estec.esa.nl/pub/aurora/Human_Missions_to_Mars。
《想象空间：成就、预测、可能性，1950-2050》。罗杰·D·劳尼厄斯和霍华德·E·麦柯迪。纪事图书，2001年。
有关SMART-1的最新信息，请访问 www.esa.int/SPECIALS/SMART-1。
美国宇航局下一代离子推进技术正在格伦研究中心开发：www.grc.nasa.gov/WWW/RT2002/5000/5430patterson.html。
《太空：摄影中的太空探索史》一书回顾了过去50年俄罗斯和美国的太空探索，文字由安德鲁·蔡金撰写，Firefly Books Limited出版，2004年。
