关于马斯克的火星殖民计划,你想知道的一切都在这篇文章里

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这两天大家的目光都聚焦在伊隆·马斯克身上,原因嘛,自然是他在墨西哥国际宇航大会上发表的主题演讲。

马斯克在会上详细阐述了 SpaceX 殖民火星,让人类成为跨行星物种的计划。不过,我们还是有一些疑问需要得到解答。

为什么选择火星?

马斯克在开始阐述 SpaceX 的目标时说,要“让前往火星成为可能,成为我们在有生之年可以完成的事,让任何人只要想去就能去。”

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在马斯克看来,殖民火星的原因是人类有两条路:一条路是永远呆在地球,直到遇到灭绝危机;另一条路就是成为可以进行太空旅行的跨行星物种。马斯克笑着说道:“希望你会觉得第二条路才是正确的选择。”

抵达火星之后的目标是建立一个能自给自足的城市,“发展成一颗住人星球”,而不只是一个前哨站。火星被选为殖民目标的原因是,它的体积和地球差不多,况且太阳系内的选择也很有限,比如金星上就全是炙热的酸液。木星和土星的卫星倒是也适合,但它们都太远了。

他在演讲中接着讲道,人类也可以去月球,“我并不反对去月球”,但问题是月球太小了,没有大气层,资源也很匮乏,而且一月球日相当于 28 天。而早期火星和地球很像,如果我们能够再次让火星热起来,就又能得到厚厚的大气层和海洋了。他还表示殖民火星“会很有趣”,因为火星的重力只有地球重力的 30%,人类可以跳来跳去。

什么阻碍着我们殖民火星?

马斯克表示,殖民火星面临的最大问题是想要去并且有钱去的人不多(事实上,现在有再多钱也去不了)。按照登陆月球的方式,最乐观的数字是将一个人送上火星需要大约 100 亿美元。因此,我们需要降低前往火星的成本,好让想要去并且有钱去的人多起来,最好能把成本降到美国房价的中位数,也就是大约 20 万美元。

到这时,只要想去火星的人打定主意为此存钱,他们就能去火星。不过,要降低这一费用仍然存在巨大的困难,马斯克也认为“这有点棘手”。

那么,该如何将前往火星的旅行成本降低到原来的“五百万分之一”呢?关键就在于宇宙飞船和火箭的完全可复用,剩下的就是在太空轨道上重新灌注燃料,在火星上生产回程所需的燃料,以及选择正确的推进燃料来让这一过程高效可行。

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通过多次航行,原本需要 9000 万美元的飞机飞行成本大大降低了。比如,从洛杉矶飞往圣地亚哥只需 43 美元,而如果飞机只能飞一次,单人乘坐价格就会飙涨至 100 万美元。当然,执行火星飞行任务的宇宙飞船肯定不会像地球上的商用飞机一样耐用,因为宇宙飞船的零件每两年就要更换一次。但助推器和燃料舱却可以“想用多久就用多久”,这样人类就能在行星轨道上给宇宙飞船重新灌注燃料,从而大幅降低宇宙飞船的飞行成本。

马斯克说道,如果不在行星轨道上灌注燃料,就需要将宇宙飞船设计成三段式,这会让单人飞行的成本增加五倍。而在行星轨道上灌注燃料不仅能减少燃料舱的体积,还可以提高性能和减少失误。

重复使用在地球和火星之间往返的宇宙飞船是降低成本的另一大关键,不过这需要在火星上建立燃料工厂。幸运的是,火星能很好地满足建造燃料工厂的要求,它的大气中富含二氧化碳,土壤里也有水冰。

燃料类型的选择是控制成本的最后一大法宝,在火星上制造的燃料种类有三种选择:煤油、氢氧混合以及甲烷。要在火星上制造传统的飞船燃料(煤油)很难,氢氧混合燃料又很贵,在火星上也很难制备,剩下的只有甲烷了。甲烷要更容易制造,单位成本也要更低。

重复使用,重复使用,重复使用

马斯克表示,SpaceX 的星际航行火箭会在发射后 20 分钟内就会回收。燃料舱看起来就像宇宙飞船,这么设计也是为了降低成本。燃料舱会在地面和太空之间来回三到五次,以灌满宇宙飞船。这一套系统中的助推器可重复使用 1000 次,燃料舱可重复使用 100 次,宇宙飞船可重复使用 12 次。

马斯克的计划是一次发射一队宇宙飞船,以最大化一次火星航行任务的载货量和载客量。他说道:“这有点像《太空堡垒卡拉狄加》,如果你看过的话,这是部很好的电视剧。”

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宇宙飞船本身就“相当大”,而且“从长期来说,宇宙飞船会变得更大”。每艘宇宙飞船的压力舱都可以容纳约 100 人,货舱可以容纳行李、建造铸造厂、工厂等建筑的材料等。

在马斯克看来,一个火星殖民地要达到自给自足需要 100 万人口,也就是说要进行 10000 次载客 100 人的旅行。他表示,SpaceX 最终“可能会扩大乘客舱到可以容纳 200 人或更多”,以进一步降低成本和提高运输效率。他说道:“我们最终可能需要建造 1000 艘宇宙飞船”,虽然要打造这样一支宇宙飞船船队需要花很长时间。

要让火星殖民地的人口达到 100 万需要多长时间呢?马斯克估计,从第一艘宇宙飞船飞往火星时算起,大约需要 40 年到 100 年时间。从宇宙飞船的设计图来看,乘客舱的空间相当宽松,马斯克说“必须让乘客舱变得非常有趣和令人激动,不能让乘客觉得压抑或无聊”。从这方面来考虑,乘客舱中可能会有“零重力游戏、游戏、电影、餐厅”等提供。很显然,便利设施很重要。

宇宙飞船、燃料舱和火箭设计

在宇宙飞船的设计中,乘客舱会位于飞船顶部,下面是平整紧密的货舱。每次飞行货舱可以最多装载 450 吨货物。一开始的飞行时间约为 80 天,最终目标是降至 30 天。

SpaceX 已经在“龙”飞船上改良其外壳技术,以制造出能多次正常运行、无需整修的飞船。宇宙飞船将主要用碳纤维制造,要用碳纤维制造出不会泄露的燃料舱也是“非常大的技术挑战”。

不过马斯克表示,最近的技术进展已经能用碳纤维制造出这种燃料舱。他们设计的燃料舱可以用引擎的热交换来加压,这要比 Falcon 9 运载火箭的氦燃料加压系统简单。新的设计只需要两种原料,而 Falcon 9 运载火箭需要四种(加上点火剂就是五种),加上新设计使用了火花点火,这一切都会进一步降低成本。

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马斯克称,SpaceX 已经用碳纤维制造了一个燃料舱原型,并展示了这个巨大圆形燃料舱的图片。

这些宇宙飞船的另一大关键之处在于,它们在月球或火星上都不需要助推器,只要有宇宙飞船就可以了,“助推器只是用来运输燃料的”。马斯克表示,在火星上建造一个燃料工厂“也相对容易”,这样就能为飞船返航提供燃料。“最麻烦的事情还是能量来源”,不过 SpaceX 认为这能通过大量太阳能面板来解决。

规模经济

首批火星飞行的价格还是会很高,但马斯克正在努力降低这一价格,希望能将价格降低到 10 万美元或更少。

对于大多数人所想的资金来源问题,马斯克用幻灯片展示了“这一冒险所面临的资金挑战”。他表示,SpaceX 通过发射卫星能产生非常不错的净现金流,也有“许多私人投资者和政府”对在火星上建立基地感兴趣。

他认为,最终这一项目会获得美国和其他大国的支持,成为一个成熟的公私合营项目。马斯克表示,目前的短期目标是“利用我们现有的资源来取得尽可能多的进展”,并继续前进。

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他觉得光是证明这是一个现实可行的项目就会激发起很多兴趣,随着时间推移,这会对项目融资带来“滚雪球”般的效果。马斯克说道:“我自己积累财富的目的就是为了资助这一计划”,让人类成为跨行星物种。

时间表(也是马斯克最大的敌人)

至于时间表,马斯克坦言自己不是“这一领域最优秀的人”,SpaceX 也“没有清晰的时间表”,但希望能在大约四年内完成首艘宇宙飞船的开发,并进行一系列短程飞行如“进入地球轨道”。

他还想到了另一个可能的盈利手段,借助这一技术“可以在 45 分钟内将货物送到地球上任何一个地方”,不过他接着补充道:“我们并没有指望这个”。助推器则要“直接得多”,因为它基本上就是个放大版 Falcon 9 运载火箭。

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因此,“如果事情进展得非常顺利,首次载人火星飞行将在 10 年内进行”。到时候,SpaceX 的目标就是一次一次地往火星上运送有用的物资。“我们想要花两年时间把“龙 2”宇宙飞船送到火星上,并在 2020 年进行另一次龙宇宙飞船任务。每执行一次火星飞行任务,它们都会运送一些有用的物资到火星上,并最终把一艘宇宙飞船送上火星。到第一批人抵达火星时,火星上至少有 2 吨到 3 吨有用的物资”。

马斯克宣称,现在已经差不多具备了制造新型草蜢引擎的能力,而且价格并不是特别高。新型草蜢引擎和 SpaceX 现在生产的梅林引擎体积一样大,但由于能承受三倍大的压力,它的喷射能力也大了三倍。

如上所述,燃料舱是个很大的挑战,因为碳纤维很难保存超低温燃料,但 SpaceX 已经制造了一个原型,先期测试也很有希望,目前还没有出现泄露的迹象。

火星之外

虽然火星殖民是行星间运输系统 (ITS) 的目标,但却不是它的极限。“这不仅仅是一艘宇宙飞船,而是一个包含了火箭助推器、宇宙飞船、燃料舱和燃料工厂的系统。有了这四大要素,人类可以去太阳系内的任何地方。”

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从理论上讲,“从火星飞往木星不会有问题”。他还提到了在木星和土星的卫星上建立燃料点,以便给宇宙飞船补充燃料。“这个系统能让你去太阳系内的任何地方”,不过他并不推荐用这套系统来进行星际旅行。

这个项目的可行性还有很多地方值得推敲,最基本就是让项目成真的资金来源。马斯克列出了一些可能的资金来源,包括通过 Kickstarter 众筹(不是开玩笑?)。不过,马斯克自己也可能知道,这一切听起来有多么不可能。

他说道:“我可能会将第一艘飞往火星的宇宙飞船命名为‘黄金之心’。我喜欢《银河系漫游指南》里这艘由无限不可能驱动的宇宙飞船,我们的飞船也是无限不可能。”

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