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Hi,你知道火星天空是什么颜色吗?特斯拉创始人告诉你答案

刘秀云 编译/美国加州大学旧金山分校博士后、英国剑桥大学神经学博士

2017-10-09 21:23  来源:澎湃新闻

【编者按】
他要送你下地——洛杉矶“地下城”已经筹备开挖。
他要送你上天,如果你坐去火星的飞船,去纽约只要30分钟。
硅谷“钢铁侠”、特斯拉创始人伊隆·马斯克(Elon Musk)每一次发言都让地球人颤抖。
9月27日,伊隆·马斯克在国际宇航大会(IAC)上做了题为 “让人类成为多星球物种”(Making Humans a Multiplanetary Species)的演讲,大会上,马斯克详细介绍了殖民火星的关键技术,介绍了轨道补给燃料和可回收火箭的重要性。未来的宇宙飞船将是一个集客舱、中心存储区、厨房、太阳风暴避难所和娱乐区于一体的舒适星际运载工具。
而浪漫的火星的天空与地球也是截然相反的,黄昏和黎明的天空是蓝色的,火星的白天是红色的。
马斯克还宣布要在五年之内,发射第一颗登陆火星的火箭,并于2024年运送人类登陆火星,寻找最好的水源和建立燃料站。他指出,如果这些星际运输工具运用在地球上,世界上的任何两个城市之间,几乎都可以在30分钟内抵达。

那么,建立一个太空基地或者太空城市又需要哪些必要的设施呢?请看演讲全文:
大家好,今天我想谈谈如果我们想成为多星球生物,需要哪些关键技术。如果我们拥有太空文明,并成为多星球物种,那样的生活一定会非常有趣,这可以让我们早上有动力去睁开眼睛起床,去期盼和迎接这样一个美好的世界。
这是我们对未来的信仰,相信未来一定会比过去好。
本次演讲,我想告诉大家我们找到了负担火星殖民计划开销的方法,去年,我们还在为这个问题绞尽脑汁,在想各种方法,但都不行,不过今天我们找到答案了。
那就是找一个相对小一点的运载工具(虽然仍很庞大),这个运载工具可以完成近地轨道上的所有活动,我们想要一个运载火箭和宇宙飞船来替代猎鹰九号火箭(Falcon 9)、猎鹰重型火箭 (Falcon heavy)和龙飞船(Dragon)。这样,用于这些火箭和飞船的资源就可以全部集中用在这一套系统上了。
那我们在这个方面,又取得了怎样的成果呢?上一次我展示的,是一个非常巨大的储存罐,有12米长,体积有1000立方米,压缩体积要比空客380的压缩体积大。我们发明了一种新的碳纤维材料,比任何材料都结实,耐高压,可以储存1200顿液氧。我们成功地在既定高压下测试了这个材料,然后又一点点加压,最终找到了破裂的临界值,气罐在升空300米之后,材料破裂,掉入了海洋,我们把残骸捞出来研究,也搞清楚了做一个大型承载液氧的碳纤维储存罐的关键技术。 这点对于减轻宇宙飞船的重量是十分重要的。
另一个关键点是发动机。我们需要一个极其高效率的发动机,猛禽发动机(SpaceX 公司 2009 年研发的新款巨型发动机)是世界上推力最大的引擎,我们已经对猛禽发动机进行了1200秒的测试。现在大家看到的是40秒的测试,是模拟火星着陆的引擎测试。测试引擎是在200个大气压下工作,飞行引擎大约是250个大气压,也许未来我们可以到300个大气压。
下一关键技术点是推进式着陆。为了成功在没有大气层,没有跑道的月球或者大气层很稀薄的火星着陆,我们需要完美的推进式着陆。我们已经成功降落了16次了。这16次试验里,我们并没有加其他的多余部件,猎鹰9号靠一个引擎着陆,而VFR着陆将靠多引擎的。如果单引擎都有这么高的准确度,使用2个引擎着陆将更加安全,其安全性可以像普通的商用飞机一样。
另外,火箭还可以非常精准在指定地点着陆,我们下一个版本甚至都不再需要支架,因为它们会精准返回到发射点。随着时间的推进,我们的发射频率也在提升。如果我们考虑在近地轨道填补燃料,或者准备在火星、月球上建立一个自给自足的生态系统,我们需要成千上万的宇宙飞船,需要不断给飞船供给燃料,这就意味着我们每天都要发射很多枚火箭。如今全世界一年大约才发射60次左右的火箭。明年,SpaceX计划发射30次,这将近是全世界发射总量的一半。
下一个关键技术是自动对接技术。为了在近轨道补充燃料,飞船要能够自动去空间站对接,这需要极其精准的推动力。我们的龙飞船1号在这方面做得特别好,它可以在无人控制的情况下,精准对接空间站。不过龙飞船1号还要靠机械臂来对接空间站,明年发射的龙飞船2号将直接自动进入空间站,不需要任何人工操作。简单说就是你只需要按一个“开始”的按键,飞船便可精准入站。Dragon号也可以进一步完善我们的隔热板技术。
流星之所以不能抵达地球,就是因为在到达地面之前就已经全部融化了,除非因此我们的航天技术需要有非常高精的隔热技术,可以承受极其高的温度,我们也在不断加强龙飞船在这方面的能力。
我相信大家很多人是在近几年才听到SpaceX这个名字的,猎鹰9号或者龙飞船最近进入公众的视野。其实,我们是从猎鹰1号开始的。刚开始的时候,我们几个创始人甚至没有一个人懂得如何做火箭,我之所以成为总工程师和设计师,不是因为我想做这样的工作,而是我们根本招不到合适的人。在这方面技术好的,都不会加入我们。在起初的三次发射,我们都失败了,还好第四次发射成功了,那是我们仅剩的钱。否则的话,我们就不会有SpaceX了,幸运站在了我们这边,我们成功了。
其实今天,是我们这次成功发射的九周年纪念日,直到今天早上我才知道,所以今天是令人激动的一天。
猎鹰1号 是非常小的火箭,我们当时一直在问什么才是最有意义带入太空的物件,我们想半吨左右的物件应该差不多,这也是一颗微小卫星的重量,我们就是这样定了猎鹰1号的尺寸。但是与猎鹰9号相比,1号的尺寸实在是太小了,尤其是载重能力方面,9号的载重能力是1号的30多倍。而且9号的助推器是可回收的,这是火箭最昂贵的部分。
我们最终希望猎鹰9号,百分之七八十的部分可以最终被回收利用。今年年底,我们计划发射猎鹰重型火箭,听起来好像就是在猎鹰9号基础上加了两个助推器,应该很简单,实际上不是的。几乎所有的部分都需要重新设计来满足多余的负荷。猎鹰重型是一款远比我们想像还要先进的新式运载工具,当然也花费了我们很多的时间来设计。现在,助推器的测试已经完成了。我们开始认真生产我们的BFR了。大家可以看到,BFR的有效载荷远大于其他火箭,它可以将150吨货物送上近地轨道,大约是猎鹰重型运载量的30多倍,它最大的优点是成本低。
首先,让我们看看BFR到底有多大。主要部分的直径有9米,31个猛禽引擎可以产生5400吨的助推力,将4400吨的运载工具送上太空。飞船本身长48米,干质量85吨,更精确说是75吨,可以存储1100吨燃料,火箭返回时可装150吨燃料以及50吨货物,BFR就像是猎鹰9号和龙飞船的结合体。如这幅图里显示的,这部分由位于后部的发动机,中部的燃料箱,以及前部超级大的搭载舱三部分组成。其中搭载舱有八层楼那么高,可以放下整个猎鹰1号火箭。与我上次给大家展示的图片相比,新的系统尾部添加了三角翼,这是为了拓展BFR宇宙飞船空间任务。
根据飞船所处的不同情况:起飞抑或着陆,进入星球的大气层稀疏程度以及飞船上运载物的重量,要通过调整尾部的三角翼来平衡这些因素。三角翼包含了一个间距和滚转控制的分裂襟翼,可以通过控制倾斜角度,来平衡大气层的厚度和载重不同带来的变化。我们本来尝试着去除这个三角翼的,后来意识到这部分对于保障火箭在不同星球上自由着落是必不可少的。
我们来看下舱位的细节:货仓有825立方米的压缩体积,比空客380的压缩体积大得多,所以BFR火箭真的可以搭载很多的货物。在火星航行中,有可能你要在飞船上待3-6个月,人们也许不仅仅想要一个座位,可能还想要一间小客舱,BFR里有40间客舱,挤一挤每间客舱可以容纳5-6个人,不过通常情况下,每间客舱里坐2-3个人。这样算的话,每一次发射都可以运送100多个人去火星上。飞船里还有一个中心存储区,一个厨房,太阳风暴避难所和一个娱乐区。
下面,我们来看看运载火箭的主要区域,中心燃料供应区,存储液态甲烷和液态氧。当甲烷和氧气的温度低于液化的临界温度时,气体的密度会急剧增加,可能增加10-12%,这对于压缩燃料的体积来说,非常关键。我们准备储存240吨液态甲烷和860吨液氧。火箭回收的时候,方向可能会急剧变化,你不能仅仅让燃料在主燃料罐里燃烧,上位舱(header tank)也需要燃料,来进行精准定位。
飞船的发动机装置由4部猛禽引擎和2部低空引擎组成,具有高膨胀比的发动机具有相对较小的灵活度,两个引擎有较高的灵活度。你可以通过两个中心引擎的任何一个来着陆。着陆的时候我们当然希望两个引擎都工作,但是如果其中一个出现了故障,运载器仍然可以安全着陆。我们要将风险尽量降到0。
关于补充燃料,两部分在尾部对接,我们使用与助推器链接相同的接口,这样接口就可以被重复利用,使传输燃料变得非常简单,通过复样推进器来传输。
下面,我们来看看不同火箭的运载能力。最左边的是猎鹰1号,可运送0.5吨货物;然后升级到了BFR,可运载150吨,这个运载能力已经超过波音757了,而且还可重复利用;最重要的是发射成本,这个顺序就完全倒过来了,BFR的成本是最低的。这听起来也许很不可思议,其实飞机也是同样的道理。一架小的单引擎螺旋桨飞机,大约要150万到200万美元;从加州开往澳大利亚一个来回大约需要50万美元;即使这样,单引擎螺旋桨飞机都不一定能成功飞到澳大利亚。而如果我们用可重复使用的一架大飞机,比如波音747,其花费却是一架小的单引擎飞机的三分之一。你不仅要建造这个飞机,还要给它补充燃料。所以,如果一架火箭只能用一次的话,成本真的是极高的。可回收的重复利用技术真的很关键。
还没有人谈过轨道填充的重要价值。如果我们只是把BFR送入太空,不做任何燃料补给,你可以把150吨货物送上轨道,然后就再也没有燃料去任何其他的地方了。但是如果我们能够把燃料罐送入太空,给宇宙飞船补满燃料,则可以把这150吨货物送上火星。
如果这燃料罐可以被重复使用,那我们只需要支付燃料的钱就可以了,而液态甲烷和液氧的成本又极低,这就回到了最初的问题,我们如何负担星际运输的开销。
如果我们把所有的技术集合在一个系统上,那么所有的重要的资源(比如给猎鹰的,给龙飞船的)就可以被应用到一个系统上,很多客户是保守的,他们要看到BFR成功发射几次之后,才会愿意去支持这个计划。所以我们打算提前发布猎鹰9号和龙飞船的股票,那这批用户就可以去购买这些股票,但是我们会把所有募集来的资源倾注到BFR里,我们从发射卫星和为空间站服务所得的盈利应该可以支付这笔开销。
谈到卫星,一个9米直径的运载器,对新的卫星也是一个极大的推动。这意味着我们可以往近地轨道上运送几乎接近9米直径的物体。举个例子,如果我们想做一个新的哈勃望远镜,我们可以往太空运送面积是当今哈勃望远镜10倍的镜子,而且不需要折叠任何部分。我们还可以运送一些小的卫星上太空,也可以绕太空将旧的卫星或者太空垃圾回收,SpaceX希望将来在这方面多做些贡献。
这样的运载器可以让我们发射更大尺寸的卫星,或者一次性发射更多枚卫星上太空。这个运载器也可以被当做空间站来使用,它除了能够完成龙飞船运送货物和宇航员的任务,还可以完成很多其他的工作。
根据我们的计算,如果我们做一个高椭圆停靠轨道,保持飞船在高椭圆轨道运行,就可以自由穿梭于地球、月球之间,而不需要继续在月球上补充燃料,这样我们就可以建月球基地了。

我们现在已经是2017年了,我们早该有个月球基地了,到底是怎么了?(观众鼓掌)火星也是我们多星球任务的考虑范围,所以我们开始了登陆火星的计划,这就需要火箭在满是岩石和尘土的星球表面着陆,这个技术关键和我刚才讲到的技术是一样的,把宇宙飞船送入近地轨道,重新填充燃料,然后火箭就可以抵达火星了,对于火星运输,我们需要在火星上补充燃料。
而火星上有充足的二氧化碳大气层和冰,有了二氧化碳和水,我们就可以制造甲烷和氧气了,人们老问既然你有电动汽车,为什么在自己的火箭上还要用燃料呢?我也希望有,不过目前还没有办法生产电动火箭。将来,我们可以通过太阳能来从大气层中提取二氧化碳,将其与水一起反应来生产甲烷和氧气。那我们在火星上所做的这些,也可以在地球上进行。这就是如何在火星和地球之间运输货物,与月球不同的是,我们需要在火星上建造一个燃料站,以便给火箭补给燃料,让其返回地球。由于火星没有地球这样大的引力,我们不需要助推器,飞船自己就可以回到地球,返航时最大的承重应该在20-50吨之间。
我们已经开始搭建这个系统了,已经购买了生产主要燃料存储罐的工具,相关设备也在制造中,明年的第二个季度就开始搭建第一艘飞船,也就是说6-9个月之后,我们开始建造第一艘飞船。我很有信心五年之内发射我们的第一艘飞船,五年对我来说已经很长了。
所以我们要在2022年发射登陆火星的飞船,地球和火星的轨道大约每两年同步一次,所以每两年我们就会有一次发射的好时机。2024年我们准备发射四艘飞船,其中两艘运送货物,两艘运送人类,我们的第一个目标是寻找最好的水源,第二个任务就是建立燃料站。当我们发射6艘飞船上火星的时候,我们就可以运送足够多的材料去建造燃料站,一个燃料站需要有大量的太阳能板,寻找和提纯水的工具,从大气层中提取二氧化碳的工具,以及生产和储存甲烷和氧气的技术。然后我们可以陆续为一艘甚至多艘飞船建立火星基地,然后我们就可以在那里建设城市了。
我们就可以建造一个美丽的星球。与地球恰恰相反,在火星上,黎明和黄昏的天空是蓝色的,白天的天空是红色的。如果我们把可以去火星的飞船,用在地球的城市间航行又会怎样呢?结果非常奇妙:最快航行速度 2,7000 千米/小时,从香港到新加坡只需 22分钟,洛杉矶到多伦多只需24分钟,洛杉矶到纽约 25分钟,伦敦到迪拜29分钟,可以在30分钟内穿梭于地球上大部分的两个城市之间。
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责任编辑:洪燕华 澎湃新闻,未经授权不得转载。新闻报料:4009-20-4009
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