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硅谷钢铁侠的火星殖民计划

硅谷钢铁侠的火星殖民计划

民间太空探索领头羊 SpaceX 的创始人兼 CEO、CTO;从零做起但已经用全电动汽车撬动汽车乃至自动驾驶市场的 Tesla 董事长兼 CEO;打算在每个家庭屋顶装上太阳能电池板,改变整个能源生态的 SolarCity?董事长;这些名头同属于一个人——Elon Musk,也就是俗称的“硅谷钢铁侠”。

作为新创企业、乃至整个科技界中的一朵“奇葩”,Elon Musk 一直有个“夙愿”:殖民火星。这同时也是他被很多人视作“吹牛大王”的一个重要原因。

昨天凌晨,Elon Musk 亲临正在墨西哥城举行的第 67 届国际宇航大会 (International Astronautical Congress,IAC),并且在会上详尽地分享了题为“让人类成为星际公民”的火星计划展示演讲。

客观说,这是一个很可能彻底改变人类未来生存方式的计划。无论你是否喜欢 Elon Musk,无论你是否了解宇航技术,你都应该看看。

“星际运输系统”:打造全新人类通往火星之路

腾讯视频

殖民火星最重要依旧是人类航天载具的运载能力。”因为人类自身太脆弱,而目前其他星球也没有适合人类直接生存的空间,人类想要摆脱地球生存的唯一办法是——通过运输把地球环境带到外星,逐步地适应和改造外星条件。

“星际运输系统(ITS,Interplanetary Transport System)”

在此次演讲中 Elon Musk了?公布了全新“星际运输系统(ITS,Interplanetary Transport System)”。其主要分为两部分:推进器(非官方名称 BFR,Big Fucking Rocket),运输飞船(非官方名称 MCT,Mars Colonial Transporter)。

看似简单,但是瞄准火星殖民甚至是人类星际探索 ITS 其实与传统宇宙探索方式非常不同,首先我们需要先来看下这两个部件。

BFR 火箭

BFR 火箭

与之前进行的数次火星探测不同,火星殖民对于运载能力提出了更高的要求。而BFR 火箭的确对的起“好 TM 一个大火箭”这个名字。

  • 长 77.5 米;

  • 直径 12 米;

  • 空重 275 吨;

  • 燃料容量 6700 吨;

  • 推进器 42 个;

  • 海面/真空推进力 128/138 百万牛顿(MN);

  • 使用寿命 1000 次。

相比之下,目前 SpaceX 使用的 Falcon 9 火箭直径不过 3.7m,即便是火箭史上最大尺寸的土星 5 号,直径也仅为 10.1m。因为更大的直径,BFR 火箭也将获得更多燃料存储空间。

“星际运输系统”与执行人类登月计划的土星 5 号对比

当然尺寸、重量的增加也带来了另外一个问题,对于推进力的要求进一步提高。于是乎,Musk 往 BFR 底部塞进了 42 台发动机(没听错,就是 42 台)。让人不禁想起前苏联计划中的登月载具 N1 火箭。

BFR 火箭底部的火箭发动机布局

这 42 台发动机还将以 21、14、7 组成同心的两个圆环和一个圆。并且中心 7 台发动机与两个圆环之间保持有一定的距离,可以通过调整自身的角度实现矢量推力(就是可以歪着喷,给火箭一个改变姿态的动力)。

根据 Elon Musk 在现场演示的视频,BFR 火箭还将具有快速加注燃料的能力。这与目前 Falcon 9 火箭“回收-较长时间检查-再发射”的顺序有所不同。

MCT 飞船

“星际运输系统”执行全过程

相比只是大了“一点”的 BFR 火箭,MCT 飞船上面“创新”元素相比则要多许多。传统载人宇宙飞船都自带返回舱,而 MCT 飞船则打算直接实现“整体”多次往返于地球和火星之间的目标。

从某种意义上说,MCT 飞船与已经踏入博物馆乃至已经废弃的航天飞机很相似,因为他们都要经历“起飞-宇宙飞行-降落”的过程。只不过航天飞机只需要循环一次,而 MCT 飞船需要循环两次才能回到原来的位置。

另外需要注意的一点是,并非每艘 MCT 飞船目标都是火星,ITS 计划中其实有很多 MCT 飞船只是负责“近距离补给”的作用:像一开头视频中演示的那样,在真正前往火星的 MCT 飞船发射之后,另外发送一艘补给的 MCT 飞船,这样一来第一艘 MCT 飞船就无需携带所有物资上天,间接增强了前往火星的运载能力。

MCT 飞船

虽然“大”虽然不是,但我们依旧可以找到亮点:

  • 长 49.5 米;

  • 直径最大 17 米;

  • 火星客货运输/补给飞船自重:150/90 吨;

  • 火星客货运输/补给飞船推进物质量:1950/2500 吨;

  • 火星客货运输/补给飞船进入月球轨道的运载能力:300/380 吨;

  • 单次中途补给前往火星的运载能力:450 吨。

因为还要依靠自身力量返回,所以 MCT 飞船的外形设计也非常重要。其两端有一个非常小的“翅膀”结构,他们的作用与航天飞机用来实现大气层内飞行的大翅膀有所不同,主要是在 MCT 飞船下落之时提供稳定姿态的能力。一旦宇宙飞船在降落的过程中进入不可控制的旋转和翻滚,最终的结果很可能都是坠毁。

在现场 Elon Musk 也展示了 MCT 飞船实际情况下可能的下落方式:在地球和火星上分别以 12.5、8.5 公里每小时的速度,以及与星球表面大概 30 度的斜角“拍下去”,根据场地中的下坠模拟和计算机计算模拟,最高温度会出现在飞船的头部一侧。

MCT 飞船进入星球大气层时受热状态

在穿越宇宙和星球大气层的分界之后,MCT 飞船会在气流的阻力下略微减速,并且在合适的时机调整自身姿态将火箭发动机对准下落方向,利用火箭的推力来进行减速,最终停到星球表面。

至于回程则相对简单一些,因为火星表面仅有地球 40% 的引力,MCT 飞船能够在再次补充自身燃料和物资之后自行起飞,进入返回地球的轨道。并且最终使用和在火星降落相似的程序,回到地球表面。

好不容易看完了?BFR 火箭和 MCT 飞船,但是我们还需要再来看看 ITS 系统中非常重要的另外一点。

Raptor(猛禽)火箭发动机

前两天测试的 Raptor 火箭发动机

作为 BFR 火箭和 MCT 火箭的主动力,Raptor 火箭发动机同样值得关注。

相比 SpaceX 之前使用的 Merlin 系列火箭发动机,Raptor 能力将有大幅提升,海平面推力从前者的 914 千牛上升到 3500 千牛。两者的尺寸虽然没有准确数字,但是应该相近或小幅度提升。

Raptor 火箭发动机

Elon Musk 在大会现场也透露了性能大幅提升的奥秘——Raptor 燃烧室的压力高达 300 bar(约等于 300 万帕,也就是一平方米的面积上均匀承受 300 万公斤的压力)。这个数值几乎三倍于上一代的 Merlin 引擎,使得 Raptor 能够以更快的速度抛出燃料的最终产物,从而获得更大的推进力(反向动量)。

不同火箭之间的运输能力对比

最终的结果是,BFR 在设计上拥有了将近 4 倍于土星 5 号的运载能力。

除了更强力之外,它还有一个特点是采用了液态甲烷液氧火箭燃料(LOX/Liquid methane)。在它之前,民用航天领域常见的液态火箭燃料组合包括“煤油/液氧”和“液氢/液氧”两种,这两种的制作相对容易,但受限于使用地球上的资源。而液态甲烷 + 液氧则可以根据特定的化学反应利用火星现有的资源进行再生,从而让火箭能够“空着手”飞往火星,而无需把宝贵的运载能力浪费在存储回程 。

为什么要造 ITS 系统?

看到这里肯定有人要问了,ITS 很大、很棒、很酷,但是为什么要全新制造这样一套系统呢?这实际上是 Elon Musk 现场一开头解释的问题,而回答实际只有一个核心:如何让大批人类前往火星成为可能。

Elon Musk 的目标也很简单——让每人前往火星的成本降到 20 万美元。这样一来,才能让“想要去火星”的人具备前往火星的“条件”。

想要达到这一个目标,必须依赖航天技术的进步,并且在相关设备系统设计之初就纳入考虑。Elon Musk 也在现场列举了其中比较关键的数个技术要点:

  1. 设备的重复利用率要继续提高;

  2. 能够在地球轨道实现二次补给;

  3. 在火星表面生产推进燃料;

  4. 使用恰当的推进燃料。

这几点已经在上文中设备的设计中有所体现。比如设备的重复利用,推进器、补给用 MCT 飞船、火星客货运 MCT 飞船都会重复利用,而且 Elon Musk 还在现场给出了一个很夸张的目标数字:

推进器要能循环使用 1000 次;补给 MCT 飞船要能够循环使用 100 次;客货运的 MCT 飞船要求相对严格一点,只使用 12 次。

火星上制备火箭燃料的化学反应方程

轨道的二次补给能力相对难理解一点。因为火箭发射时候需要抵消地球引力并且与空气阻力斗争,这一个阶段实际上是人类太空探索最浪费能源的一个环节。而火箭相对小一些,虽然单次载荷小,但是在燃料的浪费上也相应的会少一些。

但如果使用太小的火箭进行多次发射,无疑会增加太空物资对接的次数和难度。最终的解决方案是首先确定前往火星的 MCT 飞船的大小,再为其提供在地球轨道上二次补给的能力。Elon Muck 还表示,如果不这样做那么同样能力的火箭将需要具备一次性使用的三级设计,并且大小会增加到 5-10 倍。

最后需要解释的是在火星制造燃料的意义,如果需要在离开地球(地球轨道)之初就携带从火星返回的燃料,那么将多消耗这些燃料自身重量 5 倍以上的额外燃料。最终必须压缩 MCT 飞船前往火星的负载能力。

最终,一系列“小问题”解决方案结合而成的 ITS 系统,具备了大质量、低成本的将物质带到太空的能力。而这也可以视为 SpaceX 终于帮助人类迈出了地球引力的泥潭,提供了探索火星、乃至更远星球的能力。

钢铁侠的时间表

SpaceX 接下来的时间表

从 Elon Musk 在现场展示的“星际运输系统”看,这是一个完整的、可行的架构,而 SpaceX 所需要做的则是沿着这个架构和思路进行技术研发并且进行实验。Elon Musk 在现场也给出了一份详细的时间表:

  • 推进系统:2019 年初完成;

  • 火箭及飞船结构:2019 年初完工;

  • 飞船测试:2018 年中至 2020 年进行;

  • 火箭测试:2019 年中至 2021 年初进行;

  • 轨道测试:2020 年开始,到 2022 年末结束;

  • 前往火星:2022 年火星发射窗口出现即开始。

于此同时,现有的 Falcon 系列也将继续开发:

  • Falcon Heavy 火箭:2017 年中完工;

  • Dragon 载人仓应用:从现在到 2018 年进行;

  • Red Dragon 火星登录计划:从 2018 年开始进行。

这种分系统同步进行研发的时间表其实在 NASA 以及 JPL(喷气实验室)中都有采用。也正是因为 Elon Musk 已经将整个 ITS 系统的架构定了下来,所以才能够制定这样一份精确到周的时间表。

另外值得注意的一点是,火星探索之所以不想月球那样能够在几个月甚至一两年内多次进行,也与从地球出发前往火星的“发射窗口期”有关。虽然在太阳系中地球和火星实际是“相邻”的关系,但是在飞船飞行的过程中实际火星也在运动,最终的路径必须考虑到这些状况。

在接下来的 6 年里,我们很有可能会继续看到 SpaceX 做各种各样的测试、试飞,但是在 2022 年乃至更远的火星发射窗口到来之前,我们也能先指望一下稍小通过 Falcon 火箭前往火星的?Red Dargon 计划。

终得所愿的 Musk 真的能改变人类的轨迹么?

题图来自 Chuansong

看完了 Elon Musk?的整个计划,的确让人心潮澎拜,甚至有一种火星就在我们面前的感觉。客观的说,ITS 系统也的确是一个多方面考虑,理论上可行的设计,但它仍需要解决一系列问题点:

  • 如何对 42 个火箭发动机进行协同控制?

  • 如何实现在火星表面生产所需燃料?

  • 如何在保证坚固度的同时,实现火箭和飞船的轻量化?

  • 如何让飞船不惧进入星球大气层时摩擦产生的热量?

它们很多都在理论和试验中被解决,但是在应用到全新的“星际运输系统”中时,它们必将做出一些改变,而这些改变全部都需要通过实际的试飞和实验来验证。甚至我们可以预言,在未来 SpaceX 真正做到“火星殖民”那一步之前,必将遭受几次“大失败”。

但航天探索本身不正是这么一回事么?——“发挥人类最高的智慧,用不计成本的方式制造出来,尽可能的保证人类能够无损的在太空中遨游。”

即便最终 SpaceX 甚至 NASA 没能将“星际运输系统”实现,这次尝试中所创造和应用的相关技术仍将为人类未来探索太空增加筹码。从这个角度看,事实上两天前 Elon Musk 已经改变了人类的发展轨迹。

无论人类是否最终能否在火星上升级出“第二个地球”,只要人类能够在第二个星球上长期生存,不管人数多少,那终究是颗“种子”。人类种群的希望才能延续下去。

价值中国网编 2016-11-01
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