矽谷Iron Man火星殖民計劃深度解讀：20 年後我們真能去火星度國慶嗎？
關於 Elon Musk 全新的“火星殖民”計劃，你只需要看這一篇。全文共 4147 字，閲讀需要 10 分鐘左右。
民間太空探索領頭羊 SpaceX 的創始人兼 CEO、CTO；從零做起但已經用全電動汽車撬動汽車乃至自動駕駛市場的 Tesla 董事長兼 CEO；打算在每個家庭屋頂裝上太陽能電池板，改變整個能源生態的 SolarCity 董事長；這些名頭同屬於一個人——Elon Musk，也就是俗稱的“矽谷Iron Man”。
作為新創企業、乃至整個科技界中的一朵“奇葩”，Elon Musk 一直有個“夙願”：殖民火星。這同時也是他被很多人視作“吹牛大王”的一個重要原因。
昨天凌晨，Elon Musk 親臨正在墨西哥城舉行的第 67 屆國際宇航大會 （International Astronautical Congress，IAC），並且在會上詳盡地分享了題為“讓人類成為星際公民”的火星計劃展示演講。
客觀説，這是一個很可能徹底改變人類未來生存方式的計劃。無論你是否喜歡 Elon Musk，無論你是否了解宇航技術，你都應該看看。
“星際運輸系統”：打造全新人類通往火星之路
騰訊視頻在上週愛範兒（微信號：ifanr）預測文章中，我們已經提到了：“殖民火星最重要依舊是人類航天載具的運載能力。”因為人類自身太脆弱，而目前其他星球也沒有適合人類直接生存的空間，人類想要擺脱地球生存的唯一辦法是——通過運輸把地球環境帶到外星，逐步地適應和改造外星條件。
“星際運輸系統（ITS，Interplanetary Transport System）”
在此次演講中 Elon Musk了 公佈了全新“星際運輸系統（ITS，Interplanetary Transport System）”。其主要分為兩部分：推進器（非官方名稱 BFR，Big Fucking Rocket），運輸飛船（非官方名稱 MCT，Mars Colonial Transporter）。
看似簡單，但是瞄準火星殖民甚至是人類星際探索 ITS 其實與傳統宇宙探索方式非常不同，首先我們需要先來看下這兩個部件。
BFR 火箭
BFR 火箭
與之前進行的數次火星探測不同，火星殖民對於運載能力提出了更高的要求。而BFR 火箭的確對的起“好 TM 一個大火箭”這個名字。
- 長 77.5 米；
- 直徑 12 米；
- 空重 275 噸；
- 燃料容量 6700 噸；
- 推進器 42 個；
- 海面/真空推進力 128/138 百萬牛頓（MN）；
- 使用壽命 1000 次。
相比之下，目前 SpaceX 使用的 Falcon 9 火箭直徑不過 3.7m，即便是火箭史上最大尺寸的土星 5 號，直徑也僅為 10.1m。因為更大的直徑，BFR 火箭也將獲得更多燃料存儲空間。
“星際運輸系統”與執行人類登月計劃的土星 5 號對比
當然尺寸、重量的增加也帶來了另外一個問題，對於推進力的要求進一步提高。於是乎，Musk 往 BFR 底部塞進了 42 台發動機（沒聽錯，就是 42 台）。讓人不禁想起前蘇聯計劃中的登月載具 N1 火箭。
BFR 火箭底部的火箭發動機佈局
這 42 台發動機還將以 21、14、7 組成同心的兩個圓環和一個圓。並且中心 7 台發動機與兩個圓環之間保持有一定的距離，可以通過調整自身的角度實現矢量推力（就是可以歪着噴，給火箭一個改變姿態的動力）。
根據 Elon Musk 在現場演示的視頻，BFR 火箭還將具有快速加註燃料的能力。這與目前 Falcon 9 火箭“回收-較長時間檢查-再發射”的順序有所不同。
MCT 飛船
“星際運輸系統”執行全過程
相比只是大了“一點”的 BFR 火箭，MCT 飛船上面“創新”元素相比則要多許多。傳統載人宇宙飛船都自帶返回艙，而 MCT 飛船則打算直接實現“整體”多次往返於地球和火星之間的目標。
從某種意義上説，MCT 飛船與已經踏入博物館乃至已經廢棄的航天飛機很相似，因為他們都要經歷“起飛-宇宙飛行-降落”的過程。只不過航天飛機只需要循環一次，而 MCT 飛船需要循環兩次才能回到原來的位置。
另外需要注意的一點是，並非每艘 MCT 飛船目標都是火星，ITS 計劃中其實有很多 MCT 飛船隻是負責“近距離補給”的作用：像一開頭視頻中演示的那樣，在真正前往火星的 MCT 飛船發射之後，另外發送一艘補給的 MCT 飛船，這樣一來第一艘 MCT 飛船就無需攜帶所有物資上天，間接增強了前往火星的運載能力。
MCT 飛船
雖然“大”雖然不是，但我們依舊可以找到亮點：
- 長 49.5 米；
- 直徑最大 17 米；
- 火星客貨運輸/補給飛船自重：150/90 噸；
- 火星客貨運輸/補給飛船推進物質量：1950/2500 噸；
- 火星客貨運輸/補給飛船進入月球軌道的運載能力：300/380 噸；
- 單次中途補給前往火星的運載能力：450 噸。
因為還要依靠自身力量返回，所以 MCT 飛船的外形設計也非常重要。其兩端有一個非常小的“翅膀”結構，他們的作用與航天飛機用來實現大氣層內飛行的大翅膀有所不同，主要是在 MCT 飛船下落之時提供穩定姿態的能力。一旦宇宙飛船在降落的過程中進入不可控制的旋轉和翻滾，最終的結果很可能都是墜毀。
在現場 Elon Musk 也展示了 MCT 飛船實際情況下可能的下落方式：在地球和火星上分別以 12.5、8.5 公里每小時的速度，以及與星球表面大概 30 度的斜角“拍下去”，根據場地中的下墜模擬和計算機計算模擬，最高温度會出現在飛船的頭部一側。
MCT 飛船進入星球大氣層時受熱狀態
在穿越宇宙和星球大氣層的分界之後，MCT 飛船會在氣流的阻力下略微減速，並且在合適的時機調整自身姿態將火箭發動機對準下落方向，利用火箭的推力來進行減速，最終停到星球表面。
至於回程則相對簡單一些，因為火星表面僅有地球 40% 的引力，MCT 飛船能夠在再次補充自身燃料和物資之後自行起飛，進入返回地球的軌道。並且最終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 飛船，但是我們還需要再來看看 ITS 系統中非常重要的另外一點。
Raptor（猛禽）火箭發動機
前兩天測試的 Raptor 火箭發動機
作為 BFR 火箭和 MCT 火箭的主動力，Raptor 火箭發動機同樣值得關注。
相比 SpaceX 之前使用的 Merlin 系列火箭發動機，Raptor 能力將有大幅提升，海平面推力從前者的 914 千牛上升到 3500 千牛。兩者的尺寸雖然沒有準確數字，但是應該相近或小幅度提升。
Raptor 火箭發動機
Elon Musk 在大會現場也透露了性能大幅提升的奧祕——Raptor 燃燒室的壓力高達 300 bar（約等於 300 萬帕，也就是一平方米的面積上均勻承受 300 萬公斤的壓力）。這個數值幾乎三倍於上一代的 Merlin 引擎，使得 Raptor 能夠以更快的速度拋出燃料的最終產物，從而獲得更大的推進力（反向動量）。
不同火箭之間的運輸能力對比
最終的結果是，BFR 在設計上擁有了將近 4 倍於土星 5 號的運載能力。
除了更強力之外，它還有一個特點是採用了液態甲烷液氧火箭燃料（LOX/Liquid methane）。在它之前，民用航天領域常見的液態火箭燃料組合包括“煤油/液氧”和“液氫/液氧”兩種，這兩種的製作相對容易，但受限於使用地球上的資源。而液態甲烷 + 液氧則可以根據特定的化學反應利用火星現有的資源進行再生，從而讓火箭能夠“空着手”飛往火星，而無需把寶貴的運載能力浪費在存儲回程 。
為什麼要造 ITS 系統？
看到這裏肯定有人要問了，ITS 很大、很棒、很酷，但是為什麼要全新制造這樣一套系統呢？這實際上是 Elon Musk 現場一開頭解釋的問題，而回答實際只有一個核心：如何讓大批人類前往火星成為可能。
Elon Musk 的目標也很簡單——讓每人前往火星的成本降到 20 萬美元。這樣一來，才能讓“想要去火星”的人具備前往火星的“條件”。
想要達到這一個目標，必須依賴航天技術的進步，並且在相關設備系統設計之初就納入考慮。Elon Musk 也在現場列舉了其中比較關鍵的數個技術要點：
- 設備的重複利用率要繼續提高；
- 能夠在地球軌道實現二次補給；
- 在火星表面生產推進燃料；
- 使用恰當的推進燃料。
這幾點已經在上文中設備的設計中有所體現。比如設備的重複利用，推進器、補給用 MCT 飛船、火星客貨運 MCT 飛船都會重複利用，而且 Elon Musk 還在現場給出了一個很誇張的目標數字：
引用推進器要能循環使用 1000 次；補給 MCT 飛船要能夠循環使用 100 次；客貨運的 MCT 飛船要求相對嚴格一點，只使用 12 次。
火星上製備火箭燃料的化學反應方程
軌道的二次補給能力相對難理解一點。因為火箭發射時候需要抵消地球引力並且與空氣阻力鬥爭，這一個階段實際上是人類太空探索最浪費能源的一個環節。而火箭相對小一些，雖然單次載荷小，但是在燃料的浪費上也相應的會少一些。
但如果使用太小的火箭進行多次發射，無疑會增加太空物資對接的次數和難度。最終的解決方案是首先確定前往火星的 MCT 飛船的大小，再為其提供在地球軌道上二次補給的能力。Elon Muck 還表示，如果不這樣做那麼同樣能力的火箭將需要具備一次性使用的三級設計，並且大小會增加到 5-10 倍。
最後需要解釋的是在火星製造燃料的意義，如果需要在離開地球（地球軌道）之初就攜帶從火星返回的燃料，那麼將多消耗這些燃料自身重量 5 倍以上的額外燃料。最終必須壓縮 MCT 飛船前往火星的負載能力。
最終，一系列“小問題”解決方案結合而成的 ITS 系統，具備了大質量、低成本的將物質帶到太空的能力。而這也可以視為 SpaceX 終於幫助人類邁出了地球引力的泥潭，提供了探索火星、乃至更遠星球的能力。
Iron Man的時間表
SpaceX 接下來的時間表
從 Elon Musk 在現場展示的“星際運輸系統”看，這是一個完整的、可行的架構，而 SpaceX 所需要做的則是沿着這個架構和思路進行技術研發並且進行實驗。Elon Musk 在現場也給出了一份詳細的時間表：
- 推進系統：2019 年初完成；
- 火箭及飛船結構：2019 年初完工；
- 飛船測試：2018 年中至 2020 年進行；
- 火箭測試：2019 年中至 2021 年初進行；
- 軌道測試：2020 年開始，到 2022 年末結束；
- 前往火星：2022 年火星發射窗口出現即開始。
於此同時，現有的 Falcon 系列也將繼續開發：
- Falcon Heavy 火箭：2017 年中完工；
- Dragon 載人倉應用：從現在到 2018 年進行；
- Red Dragon 火星登錄計劃：從 2018 年開始進行。
這種分系統同步進行研發的時間表其實在 NASA 以及 JPL（噴氣實驗室）中都有采用。也正是因為 Elon Musk 已經將整個 ITS 系統的架構定了下來，所以才能夠制定這樣一份精確到周的時間表。
另外值得注意的一點是，火星探索之所以不想月球那樣能夠在幾個月甚至一兩年內多次進行，也與從地球出發前往火星的“發射窗口期”有關。雖然在太陽系中地球和火星實際是“相鄰”的關係，但是在飛船飛行的過程中實際火星也在運動，最終的路徑必須考慮到這些狀況。
在接下來的 6 年裏，我們很有可能會繼續看到 SpaceX 做各種各樣的測試、試飛，但是在 2022 年乃至更遠的火星發射窗口到來之前，我們也能先指望一下稍小通過 Falcon 火箭前往火星的 Red Dargon 計劃。
終得所願的 Musk 真的能改變人類的軌跡麼？
題圖來自 Chuansong
看完了 Elon Musk 的整個計劃，的確讓人心潮澎拜，甚至有一種火星就在我們面前的感覺。客觀的説，ITS 系統也的確是一個多方面考慮，理論上可行的設計，但它仍需要解決一系列問題點：
- 如何對 42 個火箭發動機進行協同控制？
- 如何實現在火星表面生產所需燃料？
- 如何在保證堅固度的同時，實現火箭和飛船的輕量化？
- 如何讓飛船不懼進入星球大氣層時摩擦產生的熱量？
它們很多都在理論和試驗中被解決，但是在應用到全新的“星際運輸系統”中時，它們必將做出一些改變，而這些改變全部都需要通過實際的試飛和實驗來驗證。甚至我們可以預言，在未來 SpaceX 真正做到“火星殖民”那一步之前，必將遭受幾次“大失敗”。
但航天探索本身不正是這麼一回事麼？——“發揮人類最高的智慧，用不計成本的方式製造出來，儘可能的保證人類能夠無損的在太空中遨遊。”
即便最終 SpaceX 甚至 NASA 沒能將“星際運輸系統”實現，這次嘗試中所創造和應用的相關技術仍將為人類未來探索太空增加籌碼。從這個角度看，事實上兩天前 Elon Musk 已經改變了人類的發展軌跡。
無論人類是否最終能否在火星上升級出“第二個地球”，只要人類能夠在第二個星球上長期生存，不管人數多少，那終究是顆“種子”。人類種羣的希望才能延續下去。
文章未標註來源圖片均來自 SpaceX Youtube 頻道
資料來源：愛範兒（ifanr）