「矽谷鋼鐵俠」 答疑 15 問:科幻的火星殖民計劃如何實現?

「矽谷鋼鐵俠」 答疑 15 問：科幻的火星殖民計劃如何實現？

不到一個月前，Elon Musk 在國際宇航大會（IAC）上發表了一篇演講，主題為 「讓人類成為星際公民」。這也是因為他自己一直有個夙願：殖民火星。

題圖來自 Chuansong

在演講中他也詳細地講述了火星計劃——「星際運輸系統」 的詳細內容：比現有火箭大整整一圈、有著 42 個火箭發動機、還能循環使用 1000 次的 BFR 火箭；能夠自行降落起飛、單次中途補給就能往火星運輸 450 噸負載的 MCT 飛船；採用全新燃料的星際發動機等等。

除了系統組件之外，Elon Musk 也整體性對整套系統關鍵要點、規劃時間表等數個內容進行了詳細說明。（想詳細了解那次演講，可以點擊查看愛範兒之前文章）

圖片來自 Reddit

昨天（美國時間前天下午 3 點），Elon Musk 親自登錄了著名社交新聞網站 Reddit  AMA（Ask me anything）頁面，就 「如何成為星際公民」 回答了網友的一系列問題。網友也相當踴躍，在頁面中一共留下了 5301 條留言（包括 Elon Musk 自己的留言）。

以下是 Elon Musk 作出的答覆以及對應問題（一共 15 條）：

國際宇航大會（IAC）上公布的時間表

1、火星燃料補充需要什麼樣的設備和程序？初期的無人測試飛行中他們是否會具備 「自主運行」 的能力？是否有計劃往 「星際運輸系統」 中加入第三個變體，預留一個大的載荷艙，從而允許運輸更多貨物？

Elon Musk：我們遠沒有到詳細說明計劃的時間點，但我們現在的計劃是：

1、進行 Dragon（龍飛船）偵測任務，初步確定如何在火星上安全著陸，然後尋找獲取水，以便實現在火星表面製作液態甲烷液氧火箭燃料（LOX/Liquid methane）；
2、發射 「金心（Heart of Gold）」 飛船，只搭載火箭燃料工廠所需要的裝備；
3、進行第一次有人任務，同時攜帶必須的裝備，完成最基礎基地和燃料工廠的建設；
4、嘗試在每 26 個月一次的火星發射窗口期加倍發射的飛船數量，直到火星表面能夠自我維持。

2、作為一個重要的後續問題，同時也考慮到 「星際運輸系統」 飛船結構件的重複利用，火星永久居住設施會採用什麼樣的結構？

Elon Musk：一開始我們會使用碳纖維骨架在火星地表建造網格拱頂，同時還會加入很多礦道和隧道。通過後者我們能夠在增壓環境中進行工業作業，並且將玻璃拱頂留給綠色植物。

今年 9 月底 SpaceX 測試的 Raptor 火箭發動機，圖片來自 馬斯克 Twitter

3、請問 「星際運輸系統」 中最為關鍵也是最為需要的技術是什麼？

Elon Musk：我們開發了一種全新的金屬合金，它在高溫富氧的火箭發動機中仍然具有良好抗氧化性。也讓主燃燒室達到了 300 巴的高壓，在那種環境中，任何東西都會燒起來。但我們的 Raptor 引擎在測試運行中並沒有顯示出侵蝕現象，並且還有優化的餘地

目前的最大問題是如何密封碳纖維儲存罐，因為其保存著低溫狀態下的燃料，吸收熱量之後就會增加內部壓力。同時氧氣罐也要做好預防措施，因為要對純氧進行加壓，必須在罐體外部應用惰性氣體層。希望能夠通過噴塗某種材料達到這一目的。如果實在沒辦法，我們就用幾層 「殷瓦鋼（含鎳元素量 36% 的特殊鋼，膨脹係數極小，在 LNG 運輸船艙中同樣有應用）」 在裡面焊接在一起。

4、你認為你們目前已經搞定了什麼技術？

Elon Musk：我無法確認現在已經完全搞定了哪一個技術，或許是啟動引擎（SpaceX 在 9 月底進行了新 Raptor 引擎的點火測試）……

MCT 飛船

5、目前 「星際運輸系統」 內部的可居住區域怎麼布局，我們什麼時候可以看到效果圖？

Elon Musk：我覺得我們需要一個新名字，ITS 這個名字不太行。對於火箭和飛船，我也叫他們 BFR（big fxxking rocket）和 BFS（big fxxking ship），從結果來看還不錯，但是……

當我們建立起實際的模型之後，我們應該就會發布居住區的更多細節，可能還需要 1-2 年。

6、作為一個附加問題，「星際運輸系統」 中太空人數量不同的情況（比如 1 個人對比 100 個人）下，配置究竟有多大不同？

Elon Musk：可能只是和貨物共享加壓空間。早期任務還是主要聚焦在貨物之上。第一個有人任務應該會含有 12 名船員，他們的目標是建立和解決燃料工廠，以及火星基地的第一代能源系統。

7、可以透露下 Raptor 發動機在海平面高度的真空推力，以及比衝數據麼？「星際運輸系統」 火箭可以懸停，它是否會利用這種能力去保證降落成功？「星際運輸系統」 的推進器在發射/著陸期間可以承受的最大加速度是多少？

Elon Musk：發動機比衝大致為 360s、推力為 290 噸；高加速度的降落更有效率。除非遇到問題或者意外的風力情況，否則不會有任何懸停。 慢慢著陸的火箭會浪費了大量燃料；我們希望最終的結果能夠達到 20g（20 倍地球表面重力加速度）。

「星際運輸系統」 執行全過程

8、如果我沒記錯（網友原話），演示文檔中提到飛船返回的時實際加速度會達到 4-5g，這種速度下的飛船不會燃燒並且在空中解體麼？

Elon Musk：飛船的加速度一般會被限制在 5g 左右，但也具有 2-3 倍於前面這個數字極限能力，當然前提是不會空中解體。推進器則更厲害一點，一般都能夠抵禦 20g 以上的加速度，只考慮不解體的話，加速度能夠放寬到 30-40g。

9、我很熟悉火星 「控制進場、下降和著陸系統（Entry, descent and landing system, EDL，應用在 ExoMars 探測衛星之上）」。在之前宇航大會上，你曾介紹了新強力推進器 Raptor，它能很好的控制火箭的垂直狀態。相對於量身定做的火星環境，「星際運輸系統」 在地球環境中的表現如何？原來火箭上的格柵尾翼也沒有了，你們將用什麼手段來控制火箭的姿態？

Elon Musk：其實飛船擁有特殊的襟翼，能夠做出俯仰和滾轉，同時我們也將嘗試利用推進器來控制火箭的姿態。

10、「星際運輸系統」 演示中最令人震驚的事情之一是 SpaceX 準備用碳纖維製作那麼大的宇宙飛船。可否介紹更多設計、建造和具體測試的更多信息麼？

Elon Musk：沒錯，對於那些真正理解它意義的人來說，的確是個大新聞。飛船的艙體實際上比已經展示的開發中艙體還要長一點，但是直徑完全相同。

他們都是用世界上最新、最大碳纖維預浸料建造的。在理論上，它能夠保存低溫狀態下的火箭燃料，同時還能在沒有密封環的情況下保持密閉。從早期測試結果來看，達到預期目標是可以實現的。在接下來的幾周裡，它將在駁船上承受 2/3 爆炸壓力測試。

圖片來自 RT

11、可以透露下最終版的 Falcon 9（V1.3）火箭有什麼不同？除了火箭的推力從  17 萬磅推力上升到 19 萬之外，還有什麼？Gwynne 前兩周曾經提到目前的 Falcon 9 火箭重複使用次數只有 1-2 次，而 V1.3 則可以提升到 10 次。你可以跟我們說下究竟什麼因素在限制 Falcon 9 火箭的重複利用麼？

Elon Musk：「星際運輸系統」 的 BFR 火箭肯定比 Falcon 好不少，因為它的質量和密度都更低，最終的結果是它不會像 Falcon 那麼熱和快。所以 Falcon 應該作為 BFR 火箭的補充。

最終版的 Falcon 9 火箭經過了很多細微的改進，這些改進都很重要，但是更高的推力和降落腳架是重中之重。

實際上，我認為 Falcon 9  火箭可以機務無限期使用，只要定期維護和仔細檢查。Falcon 系列的最終版本會是 Block 5，性能最強並且最易於重複利用，所以用它來替換早期型號肯定是有意義的。Block 5 將在未來 3 個月左右開工生產，並且在未來 6-8 個月進行初次試飛，所以也不會有什麼超越 Block 3 和 Block 4 的地面測試，除了實現幾次重複飛行。

12、「星際運輸系統」 中有兩個神秘的球形艙體，在編輯的圖片中被標記為綠色。請問他們是用來存儲燃料麼？還是說他們儲存加熱之後的氣體火箭燃料，並且作為燃料自動加壓系統的一部分？或者是他們用來防止軌道推進劑再次液化？

Elon Musk：這些是保存著陸燃料的艙體，他們是分開的，為了能更好的絕緣同時避免蒸發。同時也能減輕震動，避免整個燃料主容器受推進器反作用力向上移動。

13、為什麼推進器只有一個燃料倉？

Elon Musk：推進器中的氧氣轉化管道同時也是頭部的液氧存儲位置。

BFR 火箭底部的火箭發動機布局

14、「星際運輸系統」 的 BFR 火箭有 42 個發動機，所以這會用一個 「虛擬噴嘴」 或 「虛擬空氣動力標槍的效果」，這樣一來他們可以使用較短的噴嘴，同時內部發動機方向仍然是軸向的。——這個猜測有什麼道理麼？

Elon Musk：一定要選擇 42，有重要的科學和科幻小說（科幻小說《銀河系漫遊指南》中生命、宇宙以及任何事情的終極答案）原因！

密集的噴嘴排布只是為了最大發揮火箭發動機的推理，但如果能有一個虛擬噴嘴作用，它會更酷。

15、根據在宇航大會上的展示，「星際運輸系統」 在攜帶 150 噸載荷時，返回地球時的速度大約為 7.5 公裡/秒。如果載荷進一步減少，它的飛行速度將會超過 9 公裡/秒。

可否理解為因為 「星際運輸系統」 因為利用一個前所未有的速度在火星和地球之間飛行，哪怕載荷不是關鍵性物資，也能夠在發射窗口之外發射（目前的火星探索有周期性發射窗口，大致間隔為 26 個月）？是否能運輸一些緊急物資：醫療器械、專家、或者其它關鍵性替代品，那些優先但是不重的物資。

Elon Musk：是的。

假如 「矽谷鋼鐵俠」 在吹牛，這也是一個高質量的牛

題圖來自 Businessinsider

看完這些回答，你也許會不禁感嘆：Elon Musk 這說的都是啥？為什麼我聽不懂。

這 15 條回覆中不僅含有大量航空學上的術語，同時還有很多非常具體的方案內容，這也與當時 Elon Musk 在宇航大會進行展示上詳盡飛船設計結構圖所對應。如果，注意是如果，這次回答的真是 Elon Musk 本人，其對整個 「星際運輸系統」 的了解完全堪比設計者。

而這一點也可以從 Business Insider 今年 7 月底收集的一份馬斯克推薦書單中體現，因為其中不僅有《銀河系漫遊指南》的著名科幻小說，同時還有兩本專門關於火箭方面的書：

• 《結構：為何不倒》（Structures: Or Why Things Don’t Fall Down）
• 《點火！：液體火箭推進劑的非正式史》（Ignition!: An informal history of liquid rocket propellants）

毫無疑問，Elon Musk 的火星殖民之路上還有非常多的障礙，包括 「星際運輸系統」 本身需要解決的一系列技術問題，他最終能否成功仍然是一個未知之數。

但至少，他吹的 「牛」 還算合乎科學原理，即便他無法實現也將成為人類宇宙探索的下一個目標。

關於 Elon Musk 以及其 「火星殖民」 計劃，你有什麼看法？歡迎在評論區與我一起討論。