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狂人马斯克再解火星计划 “黄金之心”号十年后飞火星?

时间:2017年06月30日 信息来源:北京日报 点击: 【字体:

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埃隆·马斯克的设想似乎总是充满科幻色彩。

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王 麟


新闻背景


“技术狂人”埃隆·马斯克在去年9月的国际宇航大会上,公布了自己雄心勃勃的火星移民计划,由于缺乏细节而遭到许多人的质疑。而近日,马斯克在《新太空》期刊中发表文章,详细介绍了他的火星计划,及巨型火星运输飞船的早期设计,也就是他一直在构思的“星际运输系统”(ITS)。


核心技术“猛禽”发动机已点火试验


埃隆·马斯克公布的“星际运输系统”计划雄心勃勃,实际上这套系统是他之前提出的“火星移民运输机(MCT)”的升级版。而对火星移民的兴趣,马斯克早在2001年左右便开始萌芽,后来不断为之奋斗,还曾经与美国宇航局合作过一段时间,并且游说俄罗斯出资,但是没有成功,这才下定决心在2002年注册了SpaceX公司,想以一小群科学家的力量,实现人类征服火星的梦想。当然,如今该公司的业务范围早已经远远超越最初的设想,而星际运输系统目前所用资源只有数千万美元,占公司总业务的5%,预计未来每年在该项目上的投资比重将会增加到3亿美元。


“星际运输系统”是包括大功率发动机、超级运载火箭和载人宇宙飞船在内的一整套星际运输保障体系,简单一点说,这套系统通过大功率发动机驱动可回收的运载火箭,将载人飞船送到近地轨道,然后再通过发射补给舱为客运飞船补充能源,飞船在旅行过程中还可以通过太阳能电池供电,到达火星之后完成载人任务,再利用火星资源制造燃料,为飞船补充能源后返回,并可多次重复使用。根据马斯克提供的资料,超级火箭的重复利用次数是1000次,燃料补给舱的使用次数是100次,而飞船可利用12次,能够节省巨额成本。


而这套系统涉及到很多高精尖的技术及设备,主要包括可重复使用的运载火箭和载人飞船、位于地球和火星的火箭及飞船发射设施、近地轨道飞船补充燃料技术、零重力推进技术、火星基地燃料制造技术等。其技术的核心还是发动机、运载火箭和载人飞船。


就在马斯克在国际宇航大会上宣布“星际运输系统”之前,其核心技术之一的“猛禽”发动机已经进行了第一次点火试验,马斯克那次参会也是有备而去的,其余的工作都在快马加鞭向前推进之中。“猛禽”发动机是SpaceX公司研发的全流式燃烧发动机,以液氧和液态甲烷作为推进剂,功率强大,每台发动机在海平面的推进力可达3050千牛,发动机的重要参数之一的比冲量为334秒;发动机在真空中的推进力是3500千牛,比冲量是382秒,并且能够比普通的发动机节省20%至100%的额定推力。


太空中给飞船油箱添加燃料


 “猛禽”发动机的强大性能为飞船的推进火箭提供了足够的动力,这也是该系统最核心的技术之一。而运输系统的核心技术之二就是运载火箭,加上有效荷载,火箭总高度为122米,可谓不折不扣的庞然大物,运载火箭共安装了42台“猛禽”发动机,其中有7台发动机位于发动机底座中心,其余的发动机环形设置,内环14台,外环21台,在起飞阶段可以提供12.8万千牛的推动力,是执行阿波罗登月任务的“土星5”火箭的3.5倍以上。这种超级火箭若按一次性使用配置,那么该火箭具有550吨的低地轨道运载能力;如果按照能够重复利用配置,则低轨运载能力也可达300吨。当一级火箭将飞船发射到近地轨道之后,速度高达8650千米/小时,此后推进火箭与飞船分离,然后火箭回收,并通过格栅翼精准地返回发射场。


而火箭的有效荷载就是宇宙飞船,是整个系统的重中之重。船体由碳纤维做成,长49.5米,宽12米至17米,飞船结构主要包括四大部分,分别是发动机、油箱、载货舱和载客舱。飞船安装有9台发动机,其中有3台海平面型发动机和6台真空型“猛禽”发动机,飞船既要载货又要载人,并且一次就搭载100名宇航员,必须确保万无一失。而承载的货物是火星安居的必需建筑材料及设备,100名宇航员更是第一批移民火星的精英,所以马斯克也承认,这种飞船必须做得非常大才行。对于首次启航的宇宙飞船,主要载运货物,搭载的宇航员较少,随着火星基地的逐步建立,此后的飞船就以客运为主。


载人飞船在发射的过程中油箱是空的,是为了减少有效荷载,降低发射成本。当到达预定轨道之后,就需要给飞船的油箱添加燃料,怎么加?还是要用到可重复使用的运载火箭,这些火箭只搭载燃料补给舱,一般发射三到五次,就能补充一艘需要长途跋涉的飞船的所需燃料。星际运输系统的配送燃料箱也是SpaceX公司特殊设计和制造的,目前已经完成了相关测试工作。


当飞船点火开启航程的时候,9台发动机在真空中会提供3.1万千牛的推动力,推动总重450吨的人员或者货物,让飞船能够按时到达目的地。除此之外,飞船还安装了两台巨型的太阳能电池板,能够产生200千瓦的电力,以备在航行期间的不时之需。同时,在广袤的太空中旅行,宇航员们还会遭遇太空辐射的危险,此时就需要采取措施,对飞船增加屏蔽装置。在飞船到达火星之后,飞船将不再通过传统的打开降落伞的方式着陆,而是采用 “超音速反推技术”,利用飞船的推进器反向点火,进而减速降落。


马斯克也是一位科幻迷,特别喜欢美国作家道格拉斯·亚当斯的名作《银河系漫游指南》,里面有一艘采用“无限非概率引擎”驱动的飞船,让其深受启发,就给这艘火星飞船起名“黄金之心”号。


未来50至100年送百万人上火星?


虽然“星际运输系统”的核心技术已经在研发阶段,但是距离火星移民之路还很遥远。一直扬言在火星退休的马斯克也承认,要想真正在火星建立永久基地,并且移民百万,需要花费40年到100年的时间,那是三代人前赴后继的努力。如果按照每次发送100人至200人计算,飞船需要发射一万次,而航程平均需要80天至140天,并且最好在火星距离地球最近的时候发射,这样能减少旅行时间,节省费用。


马斯克希望,最终能建造至少1000艘飞船,未来50年至100年将100万人送到火星。成本方面,如果能达到规划中的重复利用率,每个人去火星只需花20万美元,而如果以现在的技术送人往返火星,至少要花100亿美元。如果一切顺利,十年后ITS就可以启程远征火星了。


实际上,马斯克早已经等不及了,目前公司正在研制一台试验性的“龙”号非载人飞船,采用星际运输系统的技术,准备开启代号“红龙”的火星探测任务。该飞船预计在2018年5月发射,主要是为了验证星际运输系统采用的技术是否可行,为下一步登陆火星积累经验,扫清障碍。


SpaceX公司的登陆火星计划从2018年开始实施,大概每26个月执行一次发射任务,争取最早在2025年前后实现火星移民。此后,人类将以火星为基地,继续向太阳系深空探索和扩张,实现真正的星际移民。


当然,马斯克一向以“胆大、敢说、执行力强”而著称,他的这些计划到底能否兑现,还需要时间来进行验证。


与马斯克同时实施登陆火星计划的还有美国航天局,他们也紧锣密鼓地研究“航天发射系统”的发动机,只不过这是一次性的,按照美国航天局的火星计划方案,最早也需要在2030年左右才能实现登陆火星的目标。私人企业和政府部门都在为了登陆火星而努力,未来的火星移民之梦,或许真的不再遥远。


(作者:王 麟)
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