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        “硅谷鋼鐵俠” 答疑 15 問:科幻的火星殖民計劃如何實現?

        愛范兒 2020-11-15 13:34:27
        不到一個月前,Elon Musk 在國際宇航大會 (IAC)上發表了一篇演講,主題為 “讓人類成為星際公民”。這也是因為他自己一直有個夙愿:殖民火星。
        題圖來自 Chuansong
        在演講中他也詳細地講述了火星計劃——“星際運輸系統” 的詳細內容:比現有火箭大整整一圈、有著 42 個火箭發動機、還能循環使用 1000 次的 BFR 火箭;能夠自行降落起飛、單次中途補給就能往火星運輸 450 噸負載的 MCT 飛船;采用全新燃料的星際發動機等等。
        除了系統組件之外,Elon Musk 也整體性對整套系統關鍵要點、規劃時間表等數個內容進行了詳細說明。
        圖片來自 Reddit
        昨天(美國時間前天下午 3 點),Elon Musk 親自登錄了著名社交新聞網站 Reddit ?AMA(Ask me anything)頁面,就 “如何成為星際公民” 回答了網友的一系列問題。網友也相當踴躍,在頁面中一共留下了 5301 條留言(包括 Elon Musk 自己的留言)。
        以下是 Elon Musk 作出的答復以及對應問題(一共 15 條):
        國際宇航大會 (IAC)上公布的時間表
        1、火星燃料補充需要什么樣的設備和程序?初期的無人測試飛行中他們是否會具備 “自主運行” 的能力?是否有計劃往 “星際運輸系統” 中加入第三個變體,預留一個大的載荷艙,從而允許運輸更多貨物?
        Elon Musk:我們遠沒有到詳細說明計劃的時間點,但我們現在的計劃是:
        1、進行 Dragon(龍飛船)偵測任務,初步確定如何在火星上安全著陸,然后尋找獲取水,以便實現在火星表面制作液態甲烷液氧火箭燃料(LOX/Liquid methane);
        2、發射 “金心(Heart of Gold)” 飛船,只搭載火箭燃料工廠所需要的裝備;
        3、進行第一次有人任務,同時攜帶必須的裝備,完成最基礎基地和燃料工廠的建設;
        4、嘗試在每 26 個月一次的火星發射窗口期加倍發射的飛船數量,直到火星表面能夠自我維持。
        2、作為一個重要的后續問題,同時也考慮到 “星際運輸系統” 飛船結構件的重復利用,火星永久居住設施會采用什么樣的結構?
        Elon Musk:一開始我們會使用碳纖維骨架在火星地表建造網格拱頂,同時還會加入很多礦道和隧道。通過后者我們能夠在增壓環境中進行工業作業,并且將玻璃拱頂留給綠色植物。
        今年 9 月底 SpaceX 測試的 Raptor 火箭發動機,圖片來自 馬斯克 Twitter
        3、請問 “星際運輸系統” 中最為關鍵也是最為需要的技術是什么?
        Elon Musk:我們開發了一種全新的金屬合金,它在高溫富氧的火箭發動機中仍然具有良好抗氧化性。也讓主燃燒室達到了 300 巴(1 bar 巴 = 100000 Pa 帕 = 100?kPa 千帕的高壓,在那種環境中,任何東西都會燒起來。但我們的 Raptor 引擎在測試運行中并沒有顯示出侵蝕現象,并且還有優化的余地
        目前的最大問題是如何密封碳纖維儲存罐,因為其保存著低溫狀態下的燃料,吸收熱量之后就會增加內部壓力。同時氧氣罐也要做好預防措施,因為要對純氧進行加壓,必須在罐體外部應用惰性氣體層。希望能夠通過噴涂某種材料達到這一目的。如果實在沒辦法,我們就用幾層 “殷瓦鋼(含鎳元素量 36% 的特殊鋼,膨脹系數極小,在 LNG 運輸船艙中同樣有應用)” 在里面焊接在一起。
        4、你認為你們目前已經搞定了什么技術?
        Elon Musk:我無法確認現在已經完全搞定了哪一個技術,或許是啟動引擎(SpaceX 在 9 月底進行了新 Raptor 引擎的點火測試)……
        MCT 飛船
        5、目前 “星際運輸系統” 內部的可居住區域怎么布局,我們什么時候可以看到效果圖?
        Elon Musk:我覺得我們需要一個新名字,ITS 這個名字不太行。對于火箭和飛船,我也叫他們 BFR(big fxxking rocket)和 BFS(big fxxking ship),從結果來看還不錯,但是……
        當我們建立起實際的模型之后,我們應該就會發布居住區的更多細節,可能還需要 1-2 年。
        6、作為一個附加問題,“星際運輸系統” 中宇航員數量不同的情況(比如 1 個人對比 100 個人)下,配置究竟有多大不同?
        Elon Musk:可能只是和貨物共享加壓空間。早期任務還是主要聚焦在貨物之上。第一個有人任務應該會含有 12 名船員,他們的目標是建立和解決燃料工廠,以及火星基地的第一代能源系統。
        7、可以透露下 Raptor 發動機在海平面高度的真空推力,以及比沖數據么?“星際運輸系統” 火箭可以懸停,它是否會利用這種能力去保證降落成功?“星際運輸系統” 的推進器在發射 / 著陸期間可以承受的最大加速度是多少?
        Elon Musk:發動機比沖大致為 360s、推力為 290 噸;高加速度的降落更有效率。除非遇到問題或者意外的風力情況,否則不會有任何懸停。 慢慢著陸的火箭會浪費了大量燃料;我們希望最終的結果能夠達到 20g(20 倍地球表面重力加速度)。
        “星際運輸系統” 執行全過程
        8、如果我沒記錯(網友原話),演示文檔中提到飛船返回的時實際加速度會達到 4-5g,這種速度下的飛船不會燃燒并且在空中解體么?
        Elon Musk:飛船的加速度一般會被限制在 5g 左右,但也具有 2-3 倍于前面這個數字極限的能力,當然前提是不會空中解體。推進器則更厲害一點,一般都能夠抵御 20g 以上的加速度,只考慮不解體的話,加速度能夠放寬到 30-40g。
        9、我很熟悉火星 “控制進場、下降和著陸系統(Entry, descent and landing system, EDL,應用在 ExoMars 探測衛星之上)”。在之前宇航大會上,你曾介紹了新強力推進器 Raptor,它能很好的控制火箭的垂直狀態。相對于量身定做的火星環境,“星際運輸系統” 在地球環境中的表現如何?原來火箭上的格柵尾翼也沒有了,你們將用什么手段來控制火箭的姿態?
        Elon Musk:其實飛船擁有特殊的襟翼,能夠做出俯仰和滾轉,同時我們也將嘗試利用推進器來控制火箭的姿態。
        10、“星際運輸系統” 演示中最令人震驚的事情之一是 SpaceX 準備用碳纖維制作那么大的宇宙飛船??煞窠榻B更多設計、建造和具體測試的更多信息么?
        Elon Musk:沒錯,對于那些真正理解它意義的人來說,的確是個大新聞。飛船的艙體實際上比已經展示的開發中艙體還要長一點,但是直徑完全相同。
        他們都是用世界上最新、最大碳纖維預浸料建造的。在理論上,它能夠保存低溫狀態下的火箭燃料,同時還能在沒有密封環的情況下保持密閉。從早期測試結果來看,達到預期目標是可以實現的。在接下來的幾周里,它將在駁船上承受 2/3 爆炸壓力測試。
        圖片來自 RTBFR?
        11、可以透露下最終版的 Falcon 9(V1.3)火箭有什么不同?除了火箭的推力從 ?17 萬磅推力上升到 19 萬之外,還有什么?Gwynne 前兩周曾經提到目前的 Falcon 9 火箭重復使用次數只有 1-2 次,而 V1.3 則可以提升到 10 次。你可以跟我們說下究竟什么因素在限制 Falcon 9 火箭的重復利用么?
        Elon Musk:“星際運輸系統” 的 BFR 火箭肯定比 Falcon 好不少,因為它的質量和密度都更低,最終的結果是它不會像 Falcon 那么熱和快。所以 Falcon 應該作為 BFR 火箭的補充。
        最終版的 Falcon 9 火箭經過了很多細微的改進,這些改進都很重要,但是更高的推力和降落腳架是重中之重。
        實際上,我認為 Falcon 9 ?火箭可以幾乎無限期使用,只要定期維護和仔細檢查。Falcon 系列的最終版本會是 Block 5,性能最強并且最易于重復利用,所以用它來替換早期型號肯定是有意義的。Block 5 將在未來 3 個月左右開工生產,并且在未來 6-8 個月進行初次試飛,所以也不會有什么超越 Block 3 和 Block 4 的地面測試,除了實現幾次重復飛行。
        12、“星際運輸系統” 中有兩個神秘的球形艙體,在編輯的圖片中被標記為綠色。請問他們是用來存儲燃料么?還是說他們儲存加熱之后的氣體火箭燃料,并且作為燃料自動加壓系統的一部分?或者是他們用來防止軌道推進劑再次液化?
        Elon Musk:這些是保存著陸燃料的艙體,他們是分開的,為了能更好的絕緣同時避免蒸發。同時也能減輕震動,避免整個燃料主容器受推進器反作用力向上移動。
        13、為什么推進器只有一個燃料倉?
        Elon Musk:推進器中的氧氣轉化管道同時也是頭部的液氧存儲位置。
        BFR 火箭底部的火箭發動機布局
        14、“星際運輸系統” 的 BFR 火箭有 42 個發動機,所以這會用一個 “虛擬噴嘴” 或 “虛擬空氣動力標槍的效果”,這樣一來他們可以使用較短的噴嘴,同時內部發動機方向仍然是軸向的?!@個猜測有什么道理么?
        Elon Musk:一定要選擇 42,有重要的科學和科幻小說(科幻小說《銀河系漫游指南》中生命、宇宙以及任何事情的終極答案)原因!
        密集的噴嘴排布只是為了最大發揮火箭發動機的推理,但如果能有一個虛擬噴嘴作用,它會更酷。
        15、根據在宇航大會上的展示,“星際運輸系統” 在攜帶 150 噸載荷時,返回地球時的速度大約為 7.5 公里 / 秒。如果載荷進一步減少,它的飛行速度將會超過 9 公里 / 秒。
        可否理解為因為 “星際運輸系統” 因為利用一個前所未有的速度在火星和地球之間飛行,哪怕載荷不是關鍵性物資,也能夠在發射窗口之外發射(目前的火星探索有周期性發射窗口,大致間隔為 26 個月)?是否能運輸一些緊急物資:醫療器械、專家、或者其它關鍵性替代品,那些優先但是不重的物資。
        Elon Musk:是的。
        假如 “硅谷鋼鐵俠” 在吹牛,這也是一個高質量的牛
        圖來自 Businessinsider
        看完這些回答,你也許會不禁感嘆:Elon Musk 這說的都是啥?為什么我聽不懂。
        這 15 條回復中不僅含有大量航空學上的術語,同時還有很多非常具體的方案內容,這也與當時 Elon Musk 在宇航大會進行展示上詳盡飛船設計結構圖所對應。如果,注意是如果,這次回答的真是 Elon Musk 本人,其對整個 “星際運輸系統” 的了解完全堪比設計者。
        而這一點也可以從 Business Insider 今年 7 月底收集的一份馬斯克推薦書單中體現,因為其中不僅有《銀河系漫游指南》的著名科幻小說,同時還有兩本專門關于火箭方面的書:
        • 《結構:為何不倒》(Structures: Or Why Things Don’t Fall Down)

        • 《點火?。阂后w火箭推進劑的非正式史》(Ignition!: An informal history of liquid rocket propellants)

        毫無疑問,Elon Musk 的火星殖民之路上還有非常多的障礙,包括 “星際運輸系統” 本身需要解決的一系列技術問題,他最終能否成功仍然是一個未知之數。
        但至少,他吹的 “?!?還算合乎科學原理,即便他無法實現也將成為人類宇宙探索的下一個目標。
        ? ?
        “硅谷鋼鐵俠”的火星殖民計劃近乎是科幻級別的,你怎么看?長按下圖二維碼,關注愛范兒(微信號:ifanr),回復“火星人”,加入群聊一起討論。


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