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“硅谷钢铁侠”答疑 15 问:科幻的火星殖民计划如何实现?

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不到一个月前,Elon Musk 在国际宇航大会 (IAC)上发表了一篇演讲,主题为“让人类成为星际公民”。这也是因为他自己一直有个夙愿:殖民火星。

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题图来自 Chuansong

在演讲中他也详细地讲述了火星计划——“星际运输系统”的详细内容:比现有火箭大整整一圈、有着 42 个火箭发动机、还能循环使用 1000 次的 BFR 火箭;能够自行降落起飞、单次中途补给就能往火星运输 450 吨负载的 MCT 飞船;采用全新燃料的星际发动机等等。

除了系统组件之外,Elon Musk 也整体性对整套系统关键要点、规划时间表等数个内容进行了详细说明。(想详细了解那次演讲,可以点击查看爱范儿之前文章)

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图片来自 Reddit

昨天(美国时间前天下午 3 点),Elon Musk 亲自登录了著名社交新闻网站 Reddit  AMA(Ask me anything)页面,就“如何成为星际公民”回答了网友的一系列问题。网友也相当踊跃,在页面中一共留下了 5301 条留言(包括 Elon Musk 自己的留言)。

以下是 Elon Musk 作出的答复以及对应问题(一共 15 条):

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国际宇航大会 (IAC)上公布的时间表

1、火星燃料补充需要什么样的设备和程序?初期的无人测试飞行中他们是否会具备“自主运行”的能力?是否有计划往“星际运输系统”中加入第三个变体,预留一个大的载荷舱,从而允许运输更多货物?

Elon Musk:我们远没有到详细说明计划的时间点,但我们现在的计划是:

1、进行 Dragon(龙飞船)侦测任务,初步确定如何在火星上安全着陆,然后寻找获取水,以便实现在火星表面制作液态甲烷液氧火箭燃料(LOX/Liquid methane);
2、发射“金心(Heart of Gold)”飞船,只搭载火箭燃料工厂所需要的装备;
3、进行第一次有人任务,同时携带必须的装备,完成最基础基地和燃料工厂的建设;
4、尝试在每 26 个月一次的火星发射窗口期加倍发射的飞船数量,直到火星表面能够自我维持。

2、作为一个重要的后续问题,同时也考虑到“星际运输系统”飞船结构件的重复利用,火星永久居住设施会采用什么样的结构?

Elon Musk:一开始我们会使用碳纤维骨架在火星地表建造网格拱顶,同时还会加入很多矿道和隧道。通过后者我们能够在增压环境中进行工业作业,并且将玻璃拱顶留给绿色植物。

今年 9 月底 SpaceX 测试的 Raptor 火箭发动机,图片来自 马斯克 Twitter

3、请问“星际运输系统”中最为关键也是最为需要的技术是什么?

Elon Musk:我们开发了一种全新的金属合金,它在高温富氧的火箭发动机中仍然具有良好抗氧化性。也让主燃烧室达到了 300 巴的高压,在那种环境中,任何东西都会烧起来。但我们的 Raptor 引擎在测试运行中并没有显示出侵蚀现象,并且还有优化的余地

目前的最大问题是如何密封碳纤维储存罐,因为其保存着低温状态下的燃料,吸收热量之后就会增加内部压力。同时氧气罐也要做好预防措施,因为要对纯氧进行假牙,必须在罐体外部应用惰性气体层。希望能够通过喷涂某种材料达到这一目的。如果实在没办法,我们就用几层“殷瓦钢(含镍元素量 36% 的特殊钢,膨胀系数极小,在 LNG 运输船舱中同样有应用)”在里面焊接在一起。

4、你认为你们目前已经搞定了什么技术?

Elon Musk:我无法确认现在已经完全搞定了哪一个技术,或许是启动引擎(SpaceX 在 9 月底进行了新 Raptor 引擎的点火测试)……

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MCT 飞船

5、目前“星际运输系统”内部的可居住区域怎么布局,我们什么时候可以看到效果图?

Elon Musk:我觉得我们需要一个新名字,ITS 这个名字不太行。对于火箭和飞船,我也叫他们 BFR(big fxxking rocket)和 BFS(big fxxking ship),从结果来看还不错,但是……

当我们建立起实际的模型之后,我们应该就会发布居住区的更多细节,可能还需要 1-2 年。

6、作为一个附加问题,“星际运输系统”中宇航员数量不同的情况(比如 1 个人对比 100 个人)下,配置究竟有多大不同?

Elon Musk:可能只是和货物共享加压空间。早期任务还是主要聚焦在货物之上。第一个有人任务应该会含有 12 名船员,他们的目标是建立和解决燃料工厂,以及火星基地的第一代能源系统。

7、可以透露下 Raptor 发动机在海平面高度的真空推力,以及比冲数据么?“星际运输系统”火箭可以悬停,它是否会利用这种能力去保证降落成功?“星际运输系统”的推进器在发射/着陆期间可以承受的最大加速度是多少?

Elon Musk:发动机比冲大致为 360s、推力为 290 吨;高加速度的降落更有效率。除非遇到问题或者意外的风力情况,否则不会有任何悬停。 慢慢着陆的火箭会浪费了大量燃料;我们希望最终的结果能够达到 20g(20 倍地球表面重力加速度)。

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“星际运输系统”执行全过程

8、如果我没记),演示文档中提到飞船返回的时实际加速度会达到 4-5g,这种速度下的飞船不会燃烧并且在空中解体么?

Elon Musk:飞船的加速度一般会被限制在 5g 左右,但也具有 2-3 倍于前面这个数字极限能力,当然前提是不会空中解体。推进器则更厉害一点,一般都能够抵御 20g 以上的加速度,只考虑不解体的话,加速度能够放宽到 30-40g。

9、我很熟悉火星“控制进场、下降和着陆系统(Entry, descent and landing system, EDL,应用在 ExoMars 探测卫星之上)”。在之前宇航大会上,你曾介绍了新强力推进器 Raptor,它能很好的控制火箭的垂直状态。相对于量身定做的火星环境,“星际运输系统”在地球环境中的表现如何?原来火箭上的格栅尾翼也没有了,你们将用什么手段来控制火箭的姿态?

Elon Musk:其实飞船拥有特殊的襟翼,能够做出俯仰和滚转,同时我们也将尝试利用推进器来控制火箭的姿态。

10、“星际运输系统”演示中最令人震惊的事情之一是 SpaceX 准备用碳纤维制作那么大的宇宙飞船。可否介绍更多设计、建造和具体测试的更多信息么?

Elon Musk:没错,对于那些真正理解它意义的人来说,的确是个大新闻。飞船的舱体实际上比已经展示的开发中舱体还要长一点,但是直径完全相同。

他们都是用世界上最新、最大碳纤维预浸料建造的。在理论上,它能够保存低温状态下的火箭燃料,同时还能在没有密封环的情况下保持密闭。从早期测试结果来看,达到预期目标是可以实现的。在接下来的几周里,它将在驳船上承受 2/3 爆炸压力测试。

图片来自 RT

11、可以透露下最终版的 Falcon 9(V1.3)火箭有什么不同?除了火箭的推力从  17 万磅推力上升到 19 万之外,还有什么?Gwynne 前两周曾经提到目前的 Falcon 9 火箭重复使用次数只有 1-2 次,而 V1.3 则可以提升到 10 次。你可以跟我们说下究竟什么因素在限制 Falcon 9 火箭的重复利用么?

Elon Musk:“星际运输系统”的 BFR 火箭肯定比 Falcon 好不少,因为它的质量和密度都更低,最终的结果是它不会像 Falcon 那么热和快。所以 Falcon 应该作为 BFR 火箭的补充。

最终版的 Falcon 9 火箭经过了很多细微的改进,这些改进都很重要,但是更高的推力和降落脚架是重中之重。

实际上,我认为 Falcon 9  火箭可以机务无限期使用,只要定期维护和仔细检查。Falcon 系列的最终版本会是 Block 5,性能最强并且最易于重复利用,所以用它来替换早期型号肯定是有意义的。Block 5 将在未来 3 个月左右开工生产,并且在未来 6-8 个月进行初次试飞,所以也不会有什么超越 Block 3 和 Block 4 的地面测试,除了实现几次重复飞行。

12、“星际运输系统”中有两个神秘的球形舱体,在编辑的图片中被标记为绿色。请问他们是用来存储燃料么?还是说他们储存加热之后的气体火箭燃料,并且作为燃料自动加压系统的一部分?或者是他们用来防止轨道推进剂再次液化?

Elon Musk:这些是保存着陆燃料的舱体,他们是分开的,为了能更好的绝缘同时避免蒸发。同时也能减轻震动,避免整个燃料主容器受推进器反作用力向上移动。

13、为什么推进器只有一个燃料仓?

Elon Musk:推进器中的氧气转化管道同时也是头部的液氧存储位置。

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BFR 火箭底部的火箭发动机布局

14、“星际运输系统”的 BFR 火箭有 42 个发动机,所以这会用一个“虚拟喷嘴”或“虚拟空气动力标枪的效果”,这样一来他们可以使用较短的喷嘴,同时内部发动机方向仍然是轴向的。——这个猜测有什么道理么?

Elon Musk:一定要选择 42,有重要的科学和科幻小说(科幻小说《银河系漫游指南》中生命、宇宙以及任何事情的终极答案)原因!

密集的喷嘴排布只是为了最大发挥火箭发动机的推理,但如果能有一个虚拟喷嘴作用,它会更酷。

15、根据在宇航大会上的展示,“星际运输系统”在携带 150 吨载荷时,返回地球时的速度大约为 7.5 公里/秒。如果载荷进一步减少,它的飞行速度将会超过 9 公里/秒。

可否理解为因为“星际运输系统”因为利用一个前所未有的速度在火星和地球之间飞行,哪怕载荷不是关键性物资,也能够在发射窗口之外发射(目前的火星探索有周期性发射窗口,大致间隔为 26 个月)?是否能运输一些紧急物资:医疗器械、专家、或者其它关键性替代品,那些优先但是不重的物资。

Elon Musk:是的。

假如“硅谷钢铁侠”在吹牛,这也是一个高质量的牛

题图来自 Businessinsider

看完这些回答,你也许会不禁感叹:Elon Musk 这说的都是啥?为什么我听不懂。

这 15 条回复中不仅含有大量航空学上的术语,同时还有很多非常具体的方案内容,这也与当时 Elon Musk 在宇航大会进行展示上详尽飞船设计结构图所对应。如果,注意是如果,这次回答的真是 Elon Musk 本人,其对整个“星际运输系统”的了解完全堪比设计者。

而这一点也可以从 Business Insider 今年 7 月底收集的一份马斯克推荐书单中体现,因为其中不仅有《银河系漫游指南》的著名科幻小说,同时还有两本专门关于火箭方面的书:

  • 《结构:为何不倒》(Structures: Or Why Things Don’t Fall Down)
  • 《点火!:液体火箭推进剂的非正式史》(Ignition!: An informal history of liquid rocket propellants)

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毫无疑问,Elon Musk 的火星殖民之路上还有非常多的障碍,包括“星际运输系统”本身需要解决的一系列技术问题,他最终能否成功仍然是一个未知之数。

但至少,他吹的“牛”还算合乎科学原理,即便他无法实现也将成为人类宇宙探索的下一个目标。

关于 Elon Musk 以及其“火星殖民”计划,你有什么看法?欢迎在评论区与我一起讨论。

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