载人飞火星狂想第一曲

一艘50米高的钢体飞船在火星表面降落。随着飞船发动机让飞船减速并安全着陆,火星的红色尘埃飞向空中。几百米外,是宇航员们花了多年时间在贫瘠火星上建立起的一个小型社区,其中包括燃料厂、实验室、温室和起居区。从飞船中走出的百名乘客是新来的火星定居者,但其中一部分人(还有之前来的定居者)将乘坐这艘飞船返回地球

这也许并非纯属科幻。按照美国私人航天企业“太空x”老板马斯克的设想,上述飞船有可能最早在2024年就搭载宇航员前往火星,开始建造火星基地。

但这听起来确实只是狂想。虽然马斯克作为大名鼎鼎的特斯拉公司的建立者,其飞船已经把两名宇航员送至国际空间站,但他极力推进高风险技术项目的做法却遭非议。那么,马斯克正在测试的钢体飞船——星舰(包括两级,其中第一级为火箭,第二级为长期载人舱或载人飞船),最终真能把宇航员送上火星吗?

剑走偏锋 钢体星舰

天文学家和火箭工程师把目光对准火星已经数十年。现在,定居火星正在由设想变成人类的实际行动。美国宇航局正在完善其最大型的航天发射系统,该局计划2024年用该系统送宇航员前往月球,2030年之后送宇航员去火星;俄罗斯等国也有送航天员去火星的计划。但马斯克是第一艘载人火星飞船完整雏形(SN1)的制造者。2019年秋,他宣布了自己的星舰计划,这引起媒体关注,也引来许多跟风者。马斯克还有个竞争对手——同样为私企的美国“蓝色起源”公司,该公司的火星飞船计划于2021年进行首次试飞。

星舰的外形是一座高高的钢塔,侧面有4个鳍(舵)。选择钢作为星舰材料,绝对堪称不同寻常。但马斯克称,不管是他剑走偏锋的飞船设计还是他对钢的选择,都经过深思熟虑。星舰所采用的特殊钢合金,让星舰能耐受太空的极寒和在接近火星大气层时会遭遇的高热。太空极寒会导致普通钢(碳素钢)像冰一样碎裂,但星舰使用的铬镍合金不锈钢(301钢)却不会;哪怕温度低于150℃,301钢的强度也和碳纤维复合材料相同。另一方面,301钢的熔点约为1500℃,因此星舰在火星大气层里能以25倍音速平稳穿行。大气层对飞船来说就相当于刹车。飞船在穿越大气层的过程中会变得很烫,但飞船与空气分子的摩擦生热只是其中很小的一个原因。主要原因是在高速飞船的前方会形成一个压力波,大气层气体在其中被高度压缩,变得极热,转化为等离子体(空气分子在等离子体中被撕裂)。

由于采用301鋼,星舰可以被多次重复使用。马斯克对可重复利用火箭的测试既有成功也有失败。这里举一个成功的例子:2019年,在马斯克的“猎鹰”重型火箭把一颗人造卫星发射进轨道后,火箭的三级全都安全返回地球。这是如此大型的发射器在这方面的第一次成功。

载员百人的钢飞船

星舰由钢制成,发动机的燃料是液态甲烷。星舰采角自己的灵活鳍,像跳伞者一样着陆。

新型发动机喷射甲烷

让星舰可重复使用的特殊之处不只是钢体,星舰的新型发动机——猛禽发动机在其中也起着重要作用。猛禽发动机的燃料是液态甲烷,它比“土星5号”火箭使用的液氧煤油燃料便宜得多。甲烷燃烧更清洁,“熏堵”发动机的程度很轻,这就让发动机可重复使用。随着来自火箭发动机前部的排气离开火箭后部,这些气体可二次燃烧,从而让每千克燃料提供更大的加速度。星舰配备6部猛禽发动机,因此无需助推火箭来让自己脱离月球或火星引力,并且可搭载100人返回地球。

但为了让星舰挣脱地球引力,6部猛禽发动机是不够的——需要配备37部猛禽发动机、68米长的超重型火箭,才能让50米长的星舰离开地球。马斯克还给超重型火箭配备了从火箭表面侧向伸出的鳍和燃料喷嘴,由此让火箭旋转。一旦星舰与超重型火箭脱离,火箭就转向,让自己的发动机垂直向下朝向地球。超重型火箭在返回地球过程中的减速是可控的。一旦火箭在地球着陆,它就可以被再次加注燃料和使用。马斯克的设想是一年内发射星舰不少于1000次(差不多1天3次),其中一些是环绕地球的燃料飞船,其他飞船则承担载人月球和火星任务。

太空和火星加注站

1天3次发射星舰?许多专家对马斯克的这个目标表示严重怀疑。但马斯克认为,载人火星任务非常需要完成这样的目标,也能够完成。此外,还需要有环绕地球的加注站。马斯克设想,多艘星舰在前往火星途中可以互相加注燃料。太空探索技术公司将首先把不载人燃料星舰送进绕地轨道(也称低地轨道)。燃料星舰在轨道中等待载人星舰到来。两艘星舰在轨道中会合并对接,载人星舰顶着燃料星舰稍微加速,由此形成的推力让燃料从燃料星舰流至载人星舰。然后,载人星舰做好进入外太空的准备,燃料星舰则返回地球等待再次使用。

美国宇航局对马斯克的这一设想部分认同,并在2019年注资太空X公司,推进研发、测试连接两艘飞船燃料系统的机制。星舰从火星返回地球所需的液态甲烷最终可能会在火星上生产,原料是火星大气层中的二氧化碳和就位于火星表面下一点点的水冰。生产过程是:首先,从水冰中提取氢原子,然后与二氧化碳反应,碳原子与氢原子合成甲烷。可让首批火星宇航员在火星表面建立燃料厂,采用此方法生产甲烷。当然,这说起来简单,科幻色彩却很浓,目前只能算是狂想吧。

太空加注燃料 确保涡轮速度

马斯克和美国宇航局将开发环绕地球的加注燃料飞船。星舰必须加注燃料,才能全速飞向火星,速度比直飞还快。

①星舰从地球起飞

超重型火箭把一艘装载燃料的星舰发射到环绕地球的轨道后,与星舰脱离并返回地球,再发射一艘载人星舰到前述轨道。

②宇航员与燃料飞船会合

载人星舰与燃料星舰在轨道中会合。两艘星舰尾对尾对接,燃料系统在内部连接。

③加速导致燃料流动

即将前往火星的载人星舰采用控制喷嘴推动燃料星舰。这一加速导致燃料从燃料星舰流动到载人星舰。

④载人星舰飞往火星

燃料箱装满1200吨燃料后,载人星舰飞往火星。这么多的燃料,足以让星舰搭载150吨物资和人员。

当绕地轨道中和火星表面都有了加注站,太空探索技术公司理论上就能发射往返于火星与地球之间的星舰。马斯克的设想是,需要1000艘星舰前往火星,才能建造一个支持返程的火星定居点,但需要20年时间来发送百万吨材料到火星。才能满足建立一个长期基地的需要。马斯克的这一狂想遭到抨击。不少天文学家还警告马斯克406d5e6a1ecda5b326c8cec1500eb1921b69dc9e1cdedcf966816338e0167491说,他的火星定居计划可能污染火星,破坏寻找火星生命的努力。此外,马斯克还被指责没有充分考虑火星表面严重的宇宙辐射效应。

虽然如此,但马斯克继续推进自己的计划。他成功测试了星舰的缩小版——星蚱蜢。直径与星舰一样,但高度只有18米的星蚱蜢,在测试中升空150米后成功着陆。不过,马斯克的星舰系列测试也多次出现严重失败。因此,他2024年就发射载人火星飞船的设想能否实现,只能拭目以待。有不少人认为,这基本可以肯定就只是一个狂想。

“太空加注站”让飞火星大大加速

每隔26个月,地球与火星之间的相对位置排列会导致一个“霍曼转移窗口”出现,它让地球航天器可通过霍曼转移轨道,以最节省的燃料消耗飞往火星。该“窗口”利用这两颗行星的现有轨道速度采加速航天器。这样一来,航天器只需两次使用发动机:一次是在行程之初,另一次是在减速进入火星轨道期间。如此飞往火星,需要大约9个月才能抵达目的地。但通过在低地轨道中为载人星舰加注燃料,星舰就可加速到更快速度,后期减速也更快,因此飞往火星之旅可能只需80天。

让火星变成“第二个地球”

星舰到达火星后,就会开始建造基地。但马斯克的长期目标并非只是让火星基地避开不可呼吸的火星大气和有害的辐射,而是要把火星转变成有海洋、有可呼吸的大气层、表面温度适合生存的“第二个地球”。

早在1961年,美国天文学家萨根就提出了对火星进行地球化改造的设想。马斯克则提出,让一系列核聚变炸弹爆炸充当微型太阳来融化火星两极的冰盖。这被认为纯属科幻。美国宇航局科学家认为,在短时间内让火星地球化根本不现实。马斯克却坚持认为这个设想可行。作为科学狂人和科学奇才,马斯克实现了自己的许多预测,例如特斯拉电动汽车、新型电池和可重复使用的火箭。但载人星舰飞火星和对火星实施地球化改造真能行得通吗?许多科学家都摇头。不过,狂想一番载人火星任务及其未来愿景,也是很有趣的。

星艦着陆水冰蕴藏地

马斯克已经为星舰选择了在火星的着陆地点一表面下近处有大量水冰且表面平坦的区域。地下水冰可被提取饮用水,还可作为生产星舰返程所需燃料的原材料。

通过分析来自两艘火星轨道器——“火星奥德赛号”和“火星勘测轨道器”的数据,科学家早就证实火星地下存在水冰。这两艘轨道器配备的传感器能测量火星表面温度的微小改变。冰的吸热能力高于周围物质,所以轨道器辨识出了冰位于火星表面下2.5~100厘米的区域和登陆航天器可能会陷下去的细尘区域。

火星基地自给自足

马斯克想建立包括星舰机场、燃料生产、道路和一个火星社区在内的火星基地,人们可在其中工作和生活

火星基地基本结构为舱与舱连接——通道连接生活区和温室区。食物培植在温室区进行。上图设想了提供安全、舒适、清洁水和新鲜空气的一种火星基地温室设计。

①旋转下降

在火星上空几千米处,星舰采用自己的6部火箭发动机执行一次旋转机动,让星舰从水平姿势转换成垂直降落姿势。

②自产燃料

甲烷燃料可通过火星地下水冰和火星大气层的二氧化碳来制备。在一定压力和300~400℃的条件下,来自水中的氢原子和来自二氧化碳的碳原子反应生成甲烷和氧。

③起居空间

火星基地的起居空间保持和地球大气压一样的气压。过滤器吸收基地人员呼出的二氧化碳。尿液经过蒸馏、提纯后可作为饮用水。

④温室植物

马斯克提出,火星基地可在包含矿物质的水中栽培果蔬。实验室制造的合成肉和培育的昆虫,为基地成员提供蛋白质。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年10月31日 下午9:04。
转载请注明:载人飞火星狂想第一曲 | 三分钟阅读-杂志精选

相关文章