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马斯克殖民火星计划的细节和秘密,都在这里了

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2018-03-29 09:28

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马斯克殖民火星计划的细节和秘密,都在这里了

2017年9月份,美国太空探索技术公司SpaceX和特斯拉电动汽车公司首席执行官伊隆·马斯克(Elon Musk)在澳大利亚国际宇航大会(ISC)上阐述了自己的殖民火星计划,但其具体细节却鲜为外界所知。《新太空》(New Space)杂志在最新一期中详细报道了马斯克的计划,包括利用BFR火箭飞船每次将100人送上火星。马斯克还解释了如何利用BFR火箭筹资支持其火星计划的方法,包括为国际空间站运送补给、登陆月球、回收旧卫星和其他太空垃圾等,甚至可提供超快的商业国际飞行服务等。以下就是马斯克亲口叙述的计划细节:

人类将成为多行星物种

这份报道将涵盖我们目前所谓BFR火箭的最新设计升级。在这次演讲中,我想传达的最重要的一点是,我认为我们已经找到了如何为殖民火星筹集资金的方法。这是非常重要的。在去年的报告中,我们确实在寻找正确的方式来为这个计划买单。我们想出各种各样的方法,比如众筹、收集内衣等。这些方法都没有成功,但现在我们认为已经找到了实现这一目标的方法。

我们的最新设计利用了更小的运载火箭,但它实际上相当庞大,但它是一种可以做任何事情的火箭,可以支持你进行更大的地球轨道活动。实际上,我们想让我们现有的火箭变得多余。我们希望建立统一系统来代替猎鹰9号、猎鹰重型火箭以及龙飞船,只需要一种火箭和飞船。如果我们能做到这一点,那么所有用于猎鹰9号、猎鹰重型火箭以及龙飞船的资源都可以应用到这个系统上。它将成为我们最基本的工具。

进展:

深低温液体氧气罐

这个巨大的深低温液体氧气罐实际上是个12米长的罐状物体,其体积达1000立方米,实际上比A380的增压体积更大。我们还开发出新的碳纤维矩阵,它比以前任何东西都更坚固,可以储存1200吨液态氧。

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  SpaceX公司开发的深低温液体氧气罐

我们成功地测试了氧气罐的设计压力,然后更进一步。我们想知道它会在何种情况下崩溃,我们成功地做到了这一点。它向空中飞了大约100米,降落在海里,我们把它捞了出来。如今,我们已经很好地理解了如何制造巨大的碳纤维罐,它可以容纳低温液体。这对于制造轻型飞船来说非常重要。

猛禽引擎测试

下一个关键因素是引擎方面。我们必须有非常高效的引擎,而猛禽引擎将是有史以来推力-重量比达到最佳水平的引擎。我们已经在42次主引擎测试中点火了1200秒,最长时间持续了100秒。它还可以持续点火超过100秒,这取决于测试燃料罐的大小。在火星上着陆的持续点火时间大约是40秒。测试引擎目前可在200个大气压下运行,飞行引擎则可承受250个大气压,我们相信随着时间推移,我们最终可能超过300大气压。

完善推进着陆

下一个关键因素是推进着陆。为了在像月球这样的地方降落(没有大气层,也没有跑道),或者在火星上降落(大气层太稀薄),即使拥有机翼和跑道,你也必须要拥有完美的推进着陆系统。

我们已经在猎鹰9号火箭上测试推进着陆。在这次演示的时候,SpaceX已经有过16次成功着陆。猎鹰9号的最终着陆总是利用单一引擎完成的,而在BFR火箭中,我们将始终拥有多引擎输出功率。如果你能在单引擎条件下实现非常高的可靠性着陆,那么你就可以使用两个引擎中的任何一个,我认为我们可以实现可靠性着陆,它与最安全的商用客机差不多。

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  猎鹰9号成功完成推进着陆

猎鹰9号也可以非常精确地着陆。事实上,我们相信在当前的精确度已经足够高,它甚至可在发射架上着陆,可能不需要继续进行改进。

发射率

当你认真考虑在火星、月球或其他地方建立可自给自足的人类基地时,你最终需要成千上万艘太空船以及成千上万次的补给行动。这意味着你每天需要多次发射。在计算太空船起降时,你需要以分秒计算,而不是去查看日历。因此,尽管按照常规标准,SpaceX的发射率已经相当高,但与最终需要的发射率相比,它仍然很低。

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  到目前为止的发射率

交会和对接

下一个关键技术是自动交会对接。为了在轨道上重新为太空船加注燃料,你必须能够与太空船进行高精度的交会对接,并转移推进剂。这是我们与龙飞船完美结合的技术。“龙飞船1号”将可自动对接,而不需要对空间站进行任何操控。

“龙飞船1号”目前使用的是加拿大机械臂(Canadarm)对接,它是最后安置到空间站上的设备。“龙飞船2号”将于2018年发射,它将不再需要使用Canadarm,因为它将直接与空间站对接,而且无需人类干预。你只要按下按钮就可以了。

龙飞船也让我们有了完美的隔热技术。当你以高速进入大气层时,它几乎会融化任何东西。流星没有到达地球表面的原因是它们在到达地面之前就融化或分解了,除非它们的体积非常大。你必须有一种先进的隔热保护技术,能承受难以置信的高温,这是我们一直在完善的技术,它也是任何行星殖民系统的关键部分。

火箭进化

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  猎鹰1号

猎鹰1号是我们取得的所有后续成就的起点。很多人最近才听说SpaceX,所以他们可能会认为猎鹰9号和龙飞船一夜之间就出现了,但事实并非如此。我们刚开始的时候只有几个人,并且也不知道怎么制造火箭。我最终成为首席工程师或首席设计师的原因不是因为我想去做,而是因为我雇佣不到任何人。

没有人愿意加入,我最终只能默认担任这些角色。我搞砸了前三次发射,前三次发射都失败了。幸运的是,第四次发射(这是我们为猎鹰1号发射而筹集到的最后一笔钱)成功了,这标志着SpaceX和我们的命运都被改变。

猎鹰1号是个相当小的火箭。当我们在开发猎鹰1号时,我们真的在想:“我们能送到轨道上的最小有效载荷是什么?”我们想,好吧,可以发射大约半吨重的物体到近地轨道。这就是猎鹰1号的尺寸,与猎鹰9号相比它真的很小。

猎鹰9号

提及到有效载荷时,猎鹰9号有了巨大进步,它的负载比猎鹰1号要高30倍。猎鹰9号已经可以重新使用主助推器,这是火箭中最昂贵的部分。幸运的是,猎鹰9号不久也将会重新使用整流罩,即火箭前面的大鼻锥。我们认为,最终猎鹰9号火箭的可重用性可能可以达到70%到80%。

猎鹰重型火箭

猎鹰重型火箭计划比我们想象的要复杂得多。听起来研发猎鹰重型火箭应该很容易,因为它是两个猎鹰9号第一级与中心第一级绑定作为助推器。但这实际上并不容易,我们不得不重新设计所有的东西,除了上面的部分,以承受增加的负荷。猎鹰重型火箭最终比我们预想的要重要得多,所以我们花了很长时间才完成它。但这些助推器现在已经被测试了,他们正在前往卡纳维拉尔角的路上。我们现在开始认真研究BFR火箭。

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  火箭概况,分别是猎鹰1号、猎鹰9号、猎鹰重型火箭和BFR

BFR

从下图中可以看出,BFR和其他运载火箭之间的有效载荷差异非常显著。BFR完全可重复使用,在没有任何轨道加注燃料的情况下,我们预期它可以将150吨的有效载荷送至近地轨道。相比之下,猎鹰重型火箭的有效载荷约30吨,部分可重复使用。这在很大程度上造成了巨大的成本差异。

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  火箭有效载荷比较(单位:吨)

在BFR中,你可以通过观察下图中的人物对比来感受它的庞大。它真的是体积十分庞大的运载火箭,主体直径约9米,助推器由31个猛禽引擎提供升力,可产生约5400吨推力,将4400吨重的火箭直接举起。

BFR飞船概述

这艘飞船的长度为48米,净重约为85吨。从技术上讲,我们的设计是75吨,但研发过程中不可避免地会有所增长。这艘飞船将携带1100吨推进剂,有效载荷为150吨,返回质量为50吨。你可以把它想象成是火箭的上一级和龙飞船结合起来的产物,就好像猎鹰9号的上一级和龙飞船的结合体。

在图6中,你可以看到后面的引擎部分,中间的推进剂舱和前面的有效载荷舱。有效载荷舱实际上有8层楼高。事实上,你可以在有效载荷舱内装上一堆猎鹰1号火箭。与上次我们展示的设计相比,你会看到火箭后面有个小三角翼,它可以扩大BFR飞船的用途。

根据你降落或者进入行星或卫星是否有大气层(没有大气层、稀薄大气或浓密大气层),你重返地球时前面是否有负载(没有负载、少量负载、沉重负载),你必须在火箭重新进入大气层时保持平衡。后面的三角翼(包括分瓣用于俯仰和滚动控制)允许我们控制俯仰角度,尽管在鼻端有大量载荷或浓密大气层。我们尽量避免使用三角翼,但它是必要的装置,可以增强飞船的能力,这样它就可以降落在太阳系的任何地方。

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  BFR主体

BFR货物/客舱区

货物区的压力体积为825立方米,比A380的增压区域还要大。BFR能够承载大量的负载。在前往火星途中,因为你要至少花三个月甚至6个月的时间,你可能想要小舱室而不仅仅是一个座位。火星轨道交通装置由40个船舱组成。如果在每个船舱挤塞入五六人,可能会显得非常拥挤。我想,大多数情况下每个舱内有2到3人,或者每次送往火星100人。这里有中央储存区和厨房,还有太阳风暴庇护所、娱乐区,我想至少在BFR版本中人们会过得不错。

BFR主体

飞船的主体也就是推进剂所在的位置,推进剂由冷却的甲烷和氧组成。当你把甲烷和氧气冷却到液化点下时,它们的密度会大幅增加,增幅可达10%到12%,这对推进剂的负载有很大影响。我们预计将携带240吨甲烷(CH4)和860吨氧气。当你着陆的时候,你的方向可能会发生很大的变化,但是你不能让推进剂在主油箱里到处晃动,你必须有能够精确地给主引擎供电的油枕,也就是你在图6中看到的浸泡在燃料箱中的东西。

BFR引擎

飞船引擎部分包括四个真空猛禽亲迎和两个海平面静态起飞引擎(图7)。所有6个引擎都有万向支架连接,具有高膨胀率的引擎具有相对较小的万向架范围和较慢的万向平衡率。而两个中心引擎有非常高的万向架范围和非常快的万向平衡率。你可以用两个中心引擎中的一个来降落。

当BFR着陆时,会有两个引擎点火,如果一个中心引擎点火失败,它将能够成功地依靠另一个引擎着陆。每个引擎中都有很大余力,因为我们希望着陆风险尽可能接近于零。海平面静态起飞引擎在海平面上大约有330比冲(ISP),上一级引擎是375比冲。随着时间的推移,有可能在5到10秒内增加特定的脉冲,同时舱室的压力会增加50个大气压左右。

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  BFR引擎

BFR加注燃料

为了重新加注燃料,两艘飞船将在后方交会。它们使用的是相同的交会界面,用来连接发射台上的助推器。我们将重复使用这种交会界面,并重复使用在推进器上使用的推进剂填充线。为了转移推进剂,它变得非常简单。你朝某个方向加速,推进剂也会跟随,你可以很容易地将推进剂从油轮转移到飞船上。

火箭能力

下图为我们展示了火箭的大致有效载荷能力,从最低载荷开始,猎鹰1号有效载荷为半吨,最终BFR可达到150吨。我认为很重要的一点是,BFR比Saturn V更强大,且可重复使用。但更重要的是,发射成本更低。

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火箭负载能力,即将有效载荷送到近地轨道的能力。BFR具有比Saturn V更大的有效载荷能力,同时可以完全重复使用

当你看到这些火箭的边际发射成本时,它们可能与有效载荷颠倒过来。我知道,乍一看这可能很可笑,但事实并非如此。飞机也是如此。如果你买了一架小型的单引擎涡轮螺旋桨飞机,需要150万到200万美元。而从美国加州到澳大利亚的747往返包机需要50万美元。单引擎涡轮螺旋桨飞机甚至无法到达澳大利亚。因此,像747这样完全可重复使用的巨型飞机,其成本是可消耗的小型飞机的1/3。

在某些情况下,你必须制造整架飞机。而在其他情况下,你只需要补充一些东西。我们制造这些复杂的火箭,然后每次飞行都让它们崩溃,真是太疯狂了。我无法强调可重用性是多么重要,我经常会被告知,“如果你让它(火箭)牺牲,可以得到更多的有效载荷。”我承认:“是的,如果你把起落架、襟翼以及降落伞卸下来,你还可以从飞机上得到更多的有效载荷。但那将是疯狂的,你可能卖不出去一架飞机。因此,可重用性是绝对重要的。”

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发射成本:由于完全可重复使用,BFR每次发射时都提供最低的边际成本,尽管其容量远远高于现有火箭

加注燃料的重要性

现在我想谈谈轨道加注燃料的价值,这也是非常重要的。如果你只让BFR飞到轨道,并且不加注燃料,这是相当好的。你可以将150吨有效载荷送到近地轨道,但却没有燃料去其他任何地方。

然而,如果你发射了加油机并在轨道上重新加注燃料,你就可以重新加满油箱,然后再把150吨有效载荷运送到火星。如果这艘油轮有很高的再利用能力,那么你就只需要支付推进剂的成本,而氧气和甲烷的成本都非常低。重新在轨道上为飞船加注燃料的花费很少,你可以将150吨有效载荷送到火星。所以自动对接和轨道加注燃料是绝对的基础。

为BFR筹资

回到“我们如何为这个系统买单?”的问题。我们有些客户是保守的,他们希望看到BFR飞行几次,然后才可以放心地启动它。所以,我们的计划是按部就班进行,首先制造猎鹰9号火箭和龙飞船,这样可以让客户放心。如果他们想使用旧火箭或飞船,他们可以这样做,因为我们有很多库存。但是我们所有的资源都会转向建造BFR:我们相信,我们可以通过发射卫星和为空间站服务获取收入来实现这一目标。

卫星

对于卫星发射行业来说,这种直径达9米的巨型运载火箭是十分庞大的。实际上,我们可以把直径近9米的东西送入轨道。例如,如果你想制造新的哈勃望远镜,你可以发射10倍于当前哈勃表面的整块镜片,而不再需要折叠。你还可以发射大量的小型卫星,四处飞行收集旧卫星或者清理太空垃圾,这可能是我们将来要做的事。将来,我们可以发射更大的地球卫星,或发射数量更庞大的卫星。

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  地球轨道上的卫星发射

国际空间站

BFR也可以为空间站服务。我知道,相对于空间站来说,BFR看起来有点儿大,但是航天飞机看起来也很大,而后者也发挥了巨大作用。BFR将可以接手“龙飞船1号”向空间站运送补给的任务,也可以代替“龙飞船2号”运输船员和货物。它甚至可以延伸到更远的地方,比如前往月球。

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  与国际空间站对接

月球任务

根据我们的计算,我们实际上可以实现登陆月球表面的任务,即使月球表面无法生产推进剂。如果我们在高椭圆轨道上为飞船和油轮做个高椭圆形的停泊轨道,我们就可以直飞到月球,然后无需在月球上补充推进剂返回。我认为这将有助于建立月球基地或某种卫星基地。现在(指去年)已经是2017年,我们应该有个月球基地了。

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  建立月球基地

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  月球登陆任务

火星

成为多星球物种比成为单一行星物种更重要。我们将从发射火星任务开始,在火星上,飞船显然会降落在布满岩石的地面或尘土飞扬的地面上。

火星运输体系结构

这和我之前提到的方法差不多,就是把飞船送入轨道,重新加注燃料,直到它加满燃料,然后再飞到火星并着陆。对于火星来说,你需要在上面生产推进剂。火星上有含二氧化碳的大气层和大量的水冰,你可以用萨瓦蒂耶尔工艺(Sabatier Process)制造CH4和O2。我要提一下,从长期来看,这也可以在地球上完成这个过程。

有时我会听到一些批评的声音:“为什么你在火箭里使用燃料,而你却制造电动汽车?”我也希望有能制造电动火箭,只是现在还不行。从长期来看,你可以使用太阳能从大气层中提取二氧化碳,并将其与水结合,为火箭制造燃料和氧气。我们将来也可以在地球上这样做。

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  火星运输体系结构

与月球相似,你也可以登陆火星,但火星面临的棘手问题在于我们需要建造推进剂补给站,来重新为燃料箱加满燃料以返回地球。因为火星的重力比地球要低,所以你不需要推进器,你可以使用飞船从火星表面一直飞到地球表面。你返回时需要的最大有效载荷为20到50吨。

进入火星

对于登陆火星,你进入其大气层的速度非常快,每秒可达7.5千米。对于火星来说,其大气层会烧蚀隔热罩,这有点儿像刹车垫磨损。它是个多用途的隔热罩,但与地球操作不同的是,它的热度足以让你亲眼看到隔热罩出现磨损。

火星登陆

因为火星有大气层,虽然不是特别稠密的大气层,但你可以从空气动力学上移除几乎所有能量。我们已经用猎鹰9号多次证明了超音速逆行推进技术,所以我们对此并不担心。

火星任务目标

我们的目标是在2022年完成第一次货运任务。我们已经开始建造这个系统,主燃料罐已经被订购了,设施正在建造中,我们将在明年第二季度开始建造第一艘飞船,预计在6到9个月时间里完工。我确信我们能完成这艘船,并准备在5年内发射。对我来说,五年似乎是很长的一段时间。在这段时间内,资源应该能够满足这个时间框架,即使不能满足,我想很快也会实现。地球-火星同步大约每两年发生一次,所以每两年就有一次飞往火星的机会。

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  最初的火星任务目标

然后是2024年,我们想试着驾驶四艘飞船前往火星,包括两艘客运飞船和两艘货船。第一个任务目标是找到最好的水源,第二个任务目标是建造推进剂工厂。届时,我们在火星上将有6艘飞船,并有足够物资建立推进剂仓库,包括大型的太阳能电池板,然后进行采矿和提炼水,获得大气层中的二氧化碳,制造和存储深度低温的甲烷和氧气。

火星基地

基地最初可能只是一艘飞船,然后是多艘飞船,接着开始建造城市,并不断扩大城市。随着时间的推移,我们将改造火星,并使之成为适合生存的地方。

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  火星基地建设进展

这是一幅美丽的场景。你知道在火星上,黎明和黄昏是蓝色的,而白天则是红色的。

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  火星殖民地

地球运输

但还有别的东西。如果你建造了一艘能够到达火星的飞船,如果你想乘坐这艘飞船从地球的一个地方飞到另一个地方会怎么样?我们研究了这个结果,结果非常有趣。

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  地球飞行

在地球上使用BFR系统,我们可以每小时2.7万公里的速度行驶。在最后的下降过程中,推进着陆变得非常重要。大多数人认为的长途旅行将在不到半小时内完成。前往太空不再是科学幻想,即使你穿越了大气层,也不会有任何不适感,没有动荡。如果我们能建造这个东西去月球和火星,那么为什么不能去地球上的其他地方呢?

来源:腾讯科技

最新更新时间:03/28 17:07

发布者:狮吼,转载请注明出处:http://www.shizihome.com/14346.html

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