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数学家找寻了更低本钱去金星的,SpaceX的火星殖

文章作者:科技生活 上传时间:2019-07-04

要上太空本身已经是昂贵的「玩意」,去火星的花费更是天文数字,不过如果能省下一点成本,相信也是政府机构或火箭公司乐见的吧。数学家 Francesco Topputo 和 Edward Belbruno 认为可以利用一个名为「ballistic capture」的较低成本方法前往火星,它本身不是一个新的概念,日本和 NASA 早已分别在 1991 年和 2011 年采用过这个方法去做太空任务了,不过打算应用在火星任务上还是第一次。说回方法的本身吧,相对一般使用的高耗能「Hohmann transfer orbit」方法,弹道捕捉涉及将一架飞船「较随意地发射至一条类火星的轨道上」,不过飞船会在轨道上飞得较慢,等待火星「追上」之时就可以转轨登陆火星了。他们指采用弹道捕捉方法时,发射和飞行的成本虽然跟传统方法相同,却可以在即将在火星着陆前省下大量用于减速所烧的燃料,可以减低着陆成本和飞船本身的重量。不过,霍曼转移轨道方法本身只需 6 个月就可以到达火星,而利用这个「新」方法则要多花几个月的时间,如果飞船是载人的话,那就要想想那额外几个月的物资和其他维生问题。

殖民火星,让人类成为一个多行星的物种——这是2002年埃隆马斯克建立的太空探索技术公司(SpaceX)一向的愿景。无论是猎鹰一号火箭接二连三发射失败的时候灾难时刻,还是猎鹰九号大获成功春风得意的时候,马斯克都执着的追逐着这个梦想。从猎鹰一号到即将发射的重型猎鹰,太空探索技术公司积累了丰富的经验和技术,2016年9月28日马斯克在墨西哥召开的国际宇航大会上终于正式公开了自己的火星殖民计划。

欧洲航天工业向欧空局提交太空探索参考体系建议书。欧洲航天工业建议,结合轨道设施、月球和火星着陆器,和一枚可将50吨载荷送入低地球轨道的火箭共同构成欧空局的太空探索参考体系。

自1969年人类登上月球以来,众所周知火星就是下一个目标,唯一的问题只是:谁在什么时候以什么方式登上火星。各国航天局尤其是美国航天局提出了大量的载人火星方案,但都遇到了一个关键障碍:高昂的费用。仅仅是飞向火星就要更高的速度,火星的体积重量要比月球大得多,所以火星有大气,有更大的重力加速度。这意味着,载人登陆火星和返回的难度和规模要远大于载人登月。

7月7-8日,欧空局召开了太空探索体系评审会。会上,欧洲航天工业确定了设想的细节,这一建设想将有助于欧洲太空探索战略计划。此外,还详细确定了欧空局将在11月向成员国部长提交的建议。

NASA曾提交过著名的90天报告,提出建立自由号空间站、在轨组装飞船、月球基地直至登陆火星的宏伟计划,耗资4500亿美元——1989年的4500亿美元。这让任何人都望而却步。NASA的载人火星方案几经更改,2009年又提出了载人火星设计参考架构5(DRA5)方案,但在使用核热推进的条件下,一次载人登陆火星并返回的任务仍然需要7发战神五号重型火箭外加1发战神一号大型火箭。这样巨大的规模和无底洞版的投资,让载人登陆火星一直是纸面上的游戏,几度春秋几度寒暑,几十年过了去了,载人火星还是一个几十年后实现的话题。难道我们真的是生错了时代的一群人,既无法目睹载人登月,也和载人登火无缘么?

通过近两年的发展,太空探索体系获得一种阶段式方法,从后国际空间站乘员LEO科学前哨,到机器人月球、火星任务,再到可承受的载人登月活动,以及最终的宇航员火星登陆。这一体系在上半年6月发布的NASA-ESA太空探索体系比较评审报告中进行了详细描述。

科技生活,航天爱好者们不满足于这种宿命,民间的各种火星计划开始不断涌现。不太著名的是20多年前美国人祖布林提出的火星直击,而近些年无论是荷兰公司的火星一号还是南非富翁蒂托的灵感火星,都得到了广泛的关注。这些计划的确不乏匠心独具之处,但却有致命的问题:所有的计划都依赖于其他机构提供的运载火箭和飞船。正因为如此,火星直击提出1/4个世纪了仍在纸面上,灵感火星也早已失去了灵感的光彩。

一、运载火箭

过往的历史告诉我们,靠暮气沉沉的官僚机构,我们或许看不到人类登上火星的那天了。这样沉闷的局势下,一直高调声称要开展火星殖民,并在过去14年里不断取得突破的太空探索技术公司,显得格外引人瞩注目,这也是它收获我们近乎狂热的支持的根本原因。

欧洲太空体系的载人任务的活动概念需要5吨火箭的多次LEO发射,可能采用EADS Astrium公司“阿里安”-5火箭的未来改进型号,该火箭将携带6台固体火箭助推器和两台Vinci发动机上面级。在执行月球任务时,这种“阿里安”-X火箭将进行三次发射,分别将月球着陆器及其地面出发段送入轨道,还将为载人飞船发射第二个EDS。着陆器将与其EDS在地球轨道对接,随后进入位于低月球轨道。载人飞船将搭乘第四枚火箭发射,它同样与其EDS对接,随后将进入LSS,乘员将转移到着陆器进行月表降落。

太空探索技术公司早就表示,今年的国际宇航大会上将公开火星计划的细节,经过半年多的翘首以待,我们终于等到了9月28日马斯克的演讲,和他雄心勃勃的火星计划。马斯克简明扼要的指出,火星是太阳系内最适合我们殖民的星球,而要飞向火星,降低发射和运营成本至关重要,解决这一矛盾的办法是完全的重复使用!他以波音737为例,这种9000万美元的民航客机可以运载180天,如果一次性使用票价将高达50万美元,而现在乘坐波音737从洛杉矶飞到拉斯维加斯只需要43美元的票价而已,如果能让现在一次性使用的运载火箭实现完全重复使用,同样具有诱人的前景。

二、着陆器

科技生活 1马斯克火星任务架构

这份比较体系报告认为欧洲着陆器是一个重大贡献。EADS Astrium公司和泰利斯阿莱尼亚宇航公司都进行了着陆器设计,泰利斯公司的“中型着陆器”是形似一个水平圆柱,重9.3吨,中心区域长9.5米,宽4米,最大载荷量可达1340千克。它利用4台1800磅推力的Snecma主发动机和16台1645磅推力的助推器可运行15天。所有的发动机都是挤压式发动机,并且都使用一甲基肼和混合的氮氧化物。该着陆器夜间热量的需求高达100瓦,可能将考虑再生燃料电池和放射性热电发动机。泰利斯公司计划在2014年进行着陆器的地面验证,之后进行限度测试,登月活动将不早于2016年。

即使如此,从地球到火星的载人任务还是要求太高了,所以马斯克又祭出了第二个法宝:在轨加注!太空探索技术公司发射的飞船将分为两种,客船和货船,后者将为前者加注推进剂,从而降低运载火箭的发射规模。马斯克手下的工程师估算认为,不采用在轨加注的话,需要研制三级结构的运载火箭,同时火箭的尺寸重量要比他们现在的方案大5到10倍之多。

Astrium公司X着陆器的研发概念是一个可一直用到ExoMars火星登陆和火星样本返回的设计。公司计划在2011年前利用直升机进行降落试验,2014年执行ExoMars任务,2016年首次登月,并在2022年执行MSR任务。执行降落试验的着陆器重500千克,将验证精确的着陆系统。Astrium公司机器人着陆器和月球爬升载具需要10,600磅的推力,载人着陆载具需要约15,700磅的推力。

载人登陆火星是人类伟大的壮举,绝不是悲壮的史诗。单程火星任务无论从伦理上还是经济上都是自杀,所以一个成熟可信的火星任务必须考虑载人从火星返回地球。马斯克提出的解决方案就是,在火星表面生产返回地球的推进剂,也就是我们国内常说的原位资源利用(ISRU)。太空探索技术公司的方案中,将利用火星的水和二氧化碳,在火星表面制取甲烷和氧,为返航飞船提供充足的推进剂。

三、月球太空站

三大法宝齐出,理论上可以解决载人登陆火星的难题,那么马斯克吊了我们半年多胃口的具体方案又是怎样的呢?根据马斯克的讲述,太空探索技术公司的载人火星殖民任务的关键是行星际运输系统(ITS),这是一种完全重复使用的两级运载工具,它将使用全新的猛禽(Raptor)发动机。ITS将先后升空发射飞船(Ship)和推进剂补给飞船(Tanker),由补给飞船补加推进剂,虽然这是类似明年天舟一号对天宫二号的推进剂补加操作,但这两艘飞船都将是百吨级飞船,补给量也高达数百吨,实在是一个空前的挑战。一次火星任务中将发射5艘推进剂补加飞船和1艘火星飞船,完成推进剂补给后,火星飞船发动机点火从地球轨道出发飞向火星,并直接再入火星大气层,利用火星大气层减速后垂直着陆火星表面。现在你知道为什么太空探索技术公司要试验红龙了吧——重型猎鹰发射的约7吨重的红龙是有史以来最大的火星探测器,但它只不过是未来火星殖民飞船的技术探路者而已,核心任务就是验证火星直接再入大气层加超音速反推直至着陆的可行性。

泰利斯公司的LSS建议案是一个重29吨的空间站,计划于2024年运行。它由一个重14.6吨,类似自动转移飞行器的服务舱,和一个重14.4吨,携带机械臂的ISS节点舱组成。比较体系报告中将其描绘为,如果NASA的“猎户座”乘员探索飞行器与这个LSS对接,并依赖其推动,月球表面的乘员轮换周期将增加到6个月以上。

科技生活 2ITS飞船将使用热盾直接进入火星大气

当月表居留舱出现问题或乘员感染疾病,抑或出现重大的太阳风和宇宙辐射活动,或欧空局-俄罗斯的乘员太空运输系统出现故障时,这个LSS还可用作安全港。这个LSS位于极轨时,允许月球极地前哨乘员随时进入,月表其他位置的宇航员每14天可进入一次。通过这个LSS,每两周可返回一次地球。

人员和物资到达火星后,他们将开始一系列考察并为定居做好准备,当然也有最重要的火星就地取材生产推进剂。根据马斯克的演讲,猛禽发动机选择液氧甲烷推进剂,最重要的原因就是在火星上生产返回的推进剂。

其他LSS任务还包括一个燃料加注站,用于为任何时间返回的轨道和朝向地球的轨道提供额外的推进剂。NASA计划向“猎户座”提供低温推进剂,Astrium公司的建议是利用易储存的火箭自燃燃料和氧化剂通过LSS为CSTS加注燃料。Astrium公司还表示CSTS将搭乘乌克兰Yuzhnoye设计局的“天顶”型火箭于2018年从俄罗斯的新发射场“东方港”发射。

最后一步,就是火星飞船点火起飞,载人直航返回地球了,它将直接再入地球大气层并在发射/着陆场垂直着陆。太空探索技术公司以这样精心的设计,实现了火箭第一级和第二级(也就是飞船)的完全重复使用,的确是令人拍案叫绝!重复使用需要更高的研制成本,返回后需要保养维护,它必须达到一定的重复使用次数才会更有利可图,而马斯克的雄心是火箭第一级推进器重复使用1000次,太空加油飞船重复使用100次,至于要往返火星地球的飞船,也计划达到12次的重复使用能力,以此大幅度降低殖民火星的成本。如果马斯克的太空探索技术公司实现了这样的复用能力,那么每次火星任务发射耗资仅为6200万美元,却可以将包括航天员在内总计450吨货物送到火星,每吨运送成本仅为14万美元。6200万美元基本是现役主流大型运载火箭的价格下限,每年人类都要发射数十枚这么贵的火箭,换句话说,如果马斯克和他的太空探索技术公司成功的话,殖民火星将触手可及,我们的孩子甚至我们这代人,或许就是你我都能有机会在老死之前踏上那颗红色的星球。

在这些参考的太空探索体系建议中,CSTS技术研发项目可能在11月的部长级会议上成为第一个政府支持的试验。

马斯克和太空探索技术公司的雄心壮志得到广泛的回应和赞许,而不是像灵感火星被搁置,更不是像火星一号那样被视为娱乐。这家公司在过去的14年里带给我们一次又一次的惊喜,足以让人信服,而它的方案具有极大的可行性。

科技生活 3SpaceX过往的成功

首先来看它的发动机。ITS使用的猛禽发动机是一种全流量分级燃烧循环的液氧甲烷发动机,设计指标极高,它的燃烧室压强高达300个大气压,以致于它的地面比冲就高达334秒,和我国新一代火箭上的YF-100分级燃烧循环液氧煤油发动机的真空比冲差不多。猛禽发动机地面推力将达到311吨,也创下了分级燃烧循环液体火箭发动机单燃烧室推力的世界纪录。猛禽发动机还有真空工作的版本,这种猛禽使用喷管面积比200的大喷管,真空推力达到了357吨,真空比冲更是高达382秒,距离美国RS-68液氧液氢发动机的409秒也相去不远。几天前猛禽发动机已经开始点火热试车,不过来自太空探索技术公司员工的私下言论表示,这只是300吨级猛禽发动机的缩比版本。尽管如此,正值马斯克在宇航大会上公布火星殖民计划之际,还是给了我们恍如隔日的感觉:当年肯尼迪发布登月演讲的时候,F-1发动机已经开始轰鸣。

科技生活 49月下旬猛禽发动机开始试车

ITS本身也是疯狂的产物。长期以来由于苏联30发并联的N-1火箭的失败,人们普遍认为并联发动机太多是一条邪路,猎鹰九号火箭成功前外界就曾认为9发并联可能带来可靠性下降。而现在的ITS更是让人瞋目结舌:它的第一级分三圈并联了21 14 7总计42台发动机,起飞推力达到了空前的13000吨,其起飞重量也达到了10500吨之多。这是人类历史上第一个万吨级重量的运载火箭,比美国此前最大的土星五号重了3.5倍。

科技生活 5恐怖的42发并联设计

这样贵重的火箭自然是一个庞然大物,它的长度为122米、直径12米,使用碳纤维制成的复合材料储箱,火箭本身的结构质量低的惊人。配合强有力的猛禽发动机,ITS如果作为一次性火箭使用,近地轨道运力550吨,是土星五号的4.1倍,运载系数高达5.23%,甚至比航天飞机还要高。即使在全回收复用的前提下,近地轨道运力仍然有300吨之多,这也难怪两次发射外加飞船间推进剂的补给,就能向火星运送450吨的货物。当然,ITS最让我们震撼的恐怕还是一枚122米高12米粗的万吨级巨型火箭起飞升空的壮观场面,以及77.5米长12米粗的火箭第一级垂直着陆的惊人一幕。ITS第一级空重就有275吨重,和印度的PSLV火箭发射重量相当。

科技生活 6碳纤维复合材料储箱

ITS的第二级也就是行星际飞船同样不俗,长度49.5米最粗的地方17米,底部安装了9台猛禽发动机,其中包括3台海平面工作的发动机和6台真空版发动机,发动机总推力3160吨,只比土星五号起飞推力略低。虽然任务中划分了飞船和油船两种类型,但它们其实是通用的设计,只不过油船加注2500吨推进剂,而飞船加注1950吨而已,ITS发射升空后,油船可以将380吨推进剂带入近地轨道,交会对接后给飞向火星的行星际飞船加注,经过5次补加后火星飞船空荡荡的储箱又“满血”了,飞船也就可以飞向火星并最终实现450吨的火星转移运力。

科技生活 7二级的ITS系统

接下来,还有火星直接再入大气层、超音速下反推直至着陆的壮观一幕,以及火星表面生产推进剂的繁忙工作。虽然猎鹰九号已经多次成功再入大气层并在船只和着陆场上成功着陆,但马斯克在演讲中并没有太多的提到火星表面的工作,只是提到了将使用萨巴蒂尔反应,利用火星表面取之不竭的二氧化碳和水制取甲烷推进剂和液氧。尽管如此,无论是祖布林的火星直击和曾经研制过的甲烷化装置,还是猎鹰九号的再入点火与着陆,都告诉我们这些构想绝非空谈,而是有着扎实的理论和工程基础。

简而言之,马斯克提出的以ITS为基础的载人火星方案具有极大的可行性。马斯克展望未来,提到要在2018年发射红龙飞船,在火星实地验证的超音速反推和着陆,2018年开始ITS火星飞船的试验,201年开始ITS第一级推进段的实验,2020年开始轨道加注的试验,2022年底的火星发射窗口上进行第一次火星飞行试验!这是极为乐观的时间表,对比重型猎鹰的不断推迟,我们到不必对此太过认真这样巨大的ITS火箭和飞船,未来研制中肯定会遇到各种意外和拖延,但即使推后5年甚至2030年进行首次火星飞行,也足以让我们泪流满面。如果马斯克和他的太空探索技术公司在火星殖民上获得成功,人类的航天事业将进入一个新的时代,马斯克乐观的表示,ITS飞船远景目标是载员100人飞向火星,这意味着单张船票成本只有60多万美元而已。或许人类殖民火星甚至走向更遥远的星辰,成为一个跨星球的物种的时代,真的已经向我们走来。(编辑:Ent)

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