马斯克封王 人类离移民火星还有多远

2018-02-08 16:11

从肯尼迪科技强国,大力推崇高科技领域的发展,到四十五年前,美国航空航天署(NASA)将宇航员发送上月球以来,已经许久没有关于航空航天的重大技术性突破了。原因或许是NASA在九十年代初失去了最可能的敌人——苏联,导致了政府并未对航天航空有着类似冷战时期“星球大战”一般的明确而又坚定的长期规划,自然NASA也缺失了有力的财政拨款。

但人类对太空的想象从未停止,好莱坞电影《星际迷航》系列诠释了普通大众对于遥远未知的宇宙和星际旅行的期待和向往。史考特和乌胡拉手忙脚乱地控制着极为复杂的机械,操纵飞船畅游太空的场景,令观众血脉喷张。

静默最终在近日被打破了。先前SpaceX放出消息,将于美国东部时间下午三点四十五分,在佛罗里达州的肯尼迪航天中心发射世界上“最强火箭”,一时洛阳纸贵,靠近发射中心的酒店房间,均已售罄,最近的停车场也是万人空巷。在万千观众的欢呼声中,猎鹰重型火箭呼啸着,刺穿海滩上空的云霄,消失在人们的视野里。就目前来看,首飞是成功的,且运行状况良好。

那么SpaceX公司所发射的重型猎鹰火箭究竟有什么样的魔力能够吸引如此广泛的粉丝,以至于激起全球性关注呢?

根据SpaceX官方的说法,公司先前一直致力于设计和制造一款可以重复使用的超重型运载火箭。这款火箭从一开始就是按照载人的标准来设计的,其目标是登陆月球或者火星。

实际上,猎鹰重型火箭并不是原创,而是在猎鹰九号运载火箭的基础上,不断改良和演进而来的。

猎鹰重型火箭的前身——猎鹰九号

猎鹰九号推出过三个版本,其中最初的两个版本已经退役,唯有全推力型仍在使用中。猎鹰九号之所以叫这个名字,是因为第一级火箭装有 9 台默林型液氧煤油火箭发动机。SpaceX 作为一家小公司为了精简生产,目前只投产了这一种火箭发动机。全推力型采用的是默林D改进型发动机,发动机的改进使得火箭起飞重量从最初版的318吨提高到了549吨,能将22.8吨的载荷送入低地轨道。令人遗憾的是,若对实用性强但高达35,786公里远的同步地球轨道,其运力会降为8.3吨。

第一级装有这么多台发动机在同级别的火箭中是不常见的,因为发动机数量越多,零配件的数量也就越多,从概率上来说故障可能性就成倍增加。令人意外的是,SpaceX公司做到了鱼肉与熊掌兼得,猎鹰九号在七年间一共发射了43次,其中完成任务的有41次,其成功率要高于美国在半个多世纪中,三千多枚火箭的89%的总成功率。

此外,猎鹰九号本身也有着多项世界纪录,例如:第一枚实现可控陆地和海上垂直着陆回收的火箭,以及第一枚实现第一级重复使用的火箭,此外也是美国首度由私人企业承包国家探索太空的发射工作。猎鹰九号载民营航天领域具有里程碑式的含义,它赢得了与NASA商业补给方面的合同。主要业务范围,是为向国际空间站输送乘员和补给。

猎鹰重型火箭研制之路困难重重

设计中,重型猎鹰火箭由三个猎鹰猎鹰9号助推器并列相接,其高度70米相当于二十层楼,五百万磅的推力,接近于十八架波音747所产生的推力总和。

据SpaceX公司官方的说法,此火箭能够将超过十四万磅的载荷推入预定轨道(大致为63.8吨),其运量是波音综合国防系统集团推出的三角洲四号运载火箭的两倍,而成本却只是后者的三分之一。

然而,理想和现实有着云霄之别。2017年6月的公司新闻发布会上,Musk说:“事实上,猎鹰重型比我们一开始计划的困难的多,我们最开始的想法太幼稚了。”

在过去的几年中,公司曾经不止一次推迟过发射日期,由此可见,其研制过程确实漫长而又焦灼。

首先遇到的瓶颈就是,“蜂窝”式发动机系统会对箭身受力带来极大的不确定性,震动成倍增加是不可避免的(多达27台起飞级发动机,仅次于前苏联4射4爆的N1运载火箭(30台),航天界一直都将火箭起飞级多于20台发动机并联的思路视为忌讳)。实际上,这个问题也是源自于它的前身猎鹰九号。

现今重型猎鹰火箭要将三枚猎鹰九号捆绑发射,换句话说,SpaceX 要保证一枚第一级有 27 台发动机的复杂火箭顺利把载荷送上轨道。值得注意的是,猎鹰九号多作货物运输用,而运送宇航员的要求要比货物严格得多。空载或者是载货的情况下,就算硬着陆也无伤大雅。对于载人航天器而言,虽然目前无论是俄罗斯的“联盟”还是中国的“神舟”号飞船都是主要使用降落伞减速着陆的,但毕竟降落伞只能作预备紧急情况用,发动机精确控制点火反推成了另一项技术难题。毕竟万一失控,真要出了人命,恐怕公司离倒闭就不远了。

最后,一枚猎鹰九号的发射价格是六千万美元,良心的SpaceX公司并没有让三枚猎鹰九号捆绑而成的猎鹰重型火箭价格翻三倍,取而代之的是九千万美金的超低廉价格。为了节约成本,火箭起飞级的两枚助推器都是以往发射任务后回收的猎鹰9火箭一级改装而来,主要是增加了冷分离机构,同时替换了底部的承力结构,也就是说这枚所谓的“首飞箭”其实超过一半都是二手的,通常即使是全新制造的新型火箭发射,其风险都是相当大的。而SpaceX试射的是一款新型的半二手火箭,风险和难度不难想象。

既要保证发射成功,又要尽可能节约成本,所以Musk曾在华盛顿举行的国际空间站研发大会上调侃道:首次发射,不炸已经是一种成功了。

重型猎鹰的领先地位和总的意义

在一篇质疑声中,重型猎鹰火箭首飞的成功来的如此突然。到目前为止,之前料想到的所有可能的事故都没有发生。似乎ULA重型德尔塔4火箭维持了14年之久的“人类现役运载火箭之王”的宝座,终于要让出来了。

1.重型猎鹰极低的发射成本(近地轨道载荷成本约合1,410美元/千克)和大载荷毫无疑问会进一步加快太空经济活动的发展:例如由于可以发射更重更强、功率更大的通讯卫星,使得卫星通讯廉价普及化。

2.该火箭在回收状态下的近地轨道运力为30吨,依旧是现役最强火箭,这对目前甚嚣尘上的“火箭回收有损运力”是一次有力的回击,也就是说这一款火箭在回收状态下,依旧能以极低成本,发射所有商业火箭所能发射的载荷。

3.目前重型猎鹰火箭已经取消“交叉燃料输送技术”,采用芯级节流方案,该方案能够通过节约燃料的方法,提高火箭运力。SpaceX曾在2011年发射的Falcon9号试验过交叉燃料输送技术,结果一项技术居然就能够将航天专家平时斤斤计较的运载能力提升高达8吨之多。然而芯级节流方案不仅能够达到同样的效果,更能减小火箭的复杂度,降低风险。

4.猎鹰系列火箭由于要回收,所以一直采用无损的冷分离模式(冷氮喷射,机械式推杆等),目前猎鹰9已执行近50次发射,从未出现过分离机构失效导致的事故,实际可靠性100%。而重型猎鹰火箭的助推器冷分离机构的试验成功,对于未来运载火箭分离结构的设计有着相当的借鉴意义。

5.重型猎鹰多发并联其实也是为SpaceX未来规划中的BFR重型火箭进行技术储备,众所周知,罗马不是一天建成的。一旦重型猎鹰技术成熟,所孕育出的BFR重型火箭将真正实现载人登陆火星。

人类离火星究竟有多远

从1965年的水手四号到现在,已经有三十余颗探测器发射向火星,人类对火星的探索从未停止。

马斯克想得非常清楚,在火星上构建城市,将火星表面的环境地球化,从 100 人开始,到 100 万人的星际移民,这个进程一旦开始,或许很多地球上的资源问题也就迎刃而解了。

如果重型猎鹰火箭真的能将一辆特斯拉安全地运抵火星表面,那标志着至少在运力方面,人类的航天技术离登陆火星已经不远了。但要考虑到探测卫星到载人火星任务之间是有天壤之别的,不但和运载火箭运力有关,还需要非常可靠的生命支持系统,包括额外的辐射防护。毕竟载人火星任务离开地球磁场保护,受宇宙射线和太阳粒子流影响大。

另一方面,到达火星跟“火星地球化”完全是两回事,这意味着建立一个自给自足的系统。就像单是建造能维持一个大气压差的人工设施并不难,难的是把这个设施投放火星。生活用水,食物又如何解决呢?

多年前,人们永远无法想象如何将一台台式电脑具备的所有功能集中到一台巴掌大小的手机上,现今,这不是看似很容易就做到了么?

技术难题永远无法限制人类科技的进步,一切将会迎刃而解,移民火星的这一天终将到来。

 

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