史上最强火箭测试成功！火星殖民我们已做好这些准备

火星 · 2016-11-23 03:50:12

美国山地夏令时6月28日周二上午九点零五分，Orbital ATK公司在位于犹他州的工厂附近，再次成功对其全新的五段式固体火箭推进器（SRB）进行地面静态点火测试，本次测试任务被命名为QM-2（Qualification Motor-2）。由于地面控制电脑软件问题，测试比原计划推迟了1个小时。　　根据NASA的相关条例，火箭发射前需要通过在极端温度条件下的测试，因为温度变化会对推进引擎的性能产生影响。早在2015年3月，Orbital ATK的第一次测试（QM-1）中，就在90华氏度（32.22摄氏度）的条件下成功对火箭推进器进行点火。

Orbital ATK公司的“冷藏室”，将推进器降低到指定温度。图片来源：OrbitalATK　　本次的QM-2任务则是在40华氏度（4.44摄氏度）条件进行。由于外壳与燃料质量较大，Orbital ATK公司将火箭推进器在专门的“冷藏室”中存放了一个多月，才使得推进器内外部都降至目标温度。　　Orbital ATK公司的火箭推进器将用于NASA的“太空发射系统”（Space Launch System，SLS），该系统也是NASA火星计划的第一步，目前计划于2018下半年执行代号为EM-1（Explore Mission）非载人发射。EM-1任务计划将把未载人的“猎户座”（Orion）太空舱发射升空，在其停留太空期间，将有6天围绕月球逆行轨道运行。

EM-1任务飞行轨道示意图。图片来源：NASA　　下面，我们先来大致了解一下QM-2所测试的固体火箭推进器：　　推进器高度约17层楼，比自由女神像还高出不少　　组装完毕后，单个推进器重量超过160万磅（约726吨）

图片来源：NASA　　推进器的设计宗旨就是更快的速度和更大的推力，在发射之初就可提供超过全推力75%的动力；　　单个推进器每秒燃烧约6吨固体燃料；　　单个推进器最大推力为360万磅（约1633吨）；　　推进器顶端部分包括罩帽和前延伸裙板。前延伸裙板内装有航电设备，其与主体火箭的连接部分在发射时会承受最大压力；　　推进器中段由五级组成，每一级都填充了固体推进剂；　　推进器尾部包括后裙板与推力矢量控制系统，用来控制喷嘴及调节飞行姿态。

图片来源：NASA　　虽然表面上看起来和航天飞机的固体火箭推进器较为相似，设计制造也确实借鉴了航天飞机发射系统，但SLS的推进器要多出一级，能为SLS提供更多的燃料，并将推力从12000千牛提升到16000千牛。　　其与航天飞机固体火箭推进器的不同点还包括：摈弃了石棉绝缘衬垫设计、轻量化航电设备（减重约860千克）。

全新设计的航电系统。图片来源：Orbital ATK　　从去年QM-1的成功测试中收集的第一手数据，结合多次的模拟发射，推进器控制软件已进一步优化，对点火时机、喷嘴方向的控制将更为精准。NASA马歇尔太空飞行中心（Marshall Space Flight Center）的工程师们将对QM-2测试任务的数据进行实时分析，以为2018年的发射做好准备。　　从Orbital AKT接手SLS计划开始，进展也并非一帆风顺。航天飞机时代使用的是石棉合成物绝缘外壳。然而在上世纪九十年代，美国立法禁止使用石棉材料及制品，虽然为航空工业开了绿灯，但开发全新的替代材料势在必行。　　早期的绝缘材料在与推进剂接触时会产生缝隙，这会对推进器造成极大的安全隐患。Orbital ATK的工程师们最终开发出了理想的推进器绝缘材料，保证强度的同时，降低了重量。在此前QM-1的实测中已经验证了新材料的有效性。　　目前，Orbital ATK的固体火箭推进器已完成了多项测试。包括对推进器各个接合点的抗压测试，以及对引擎喷嘴的调节。用于QM-2测试任务的固体火箭推进器组件已经服役了较长时间，五个推进模块都曾用于以前的测试或火箭发射任务。比如，其中的三个推进模块曾参与了六次航天飞机发射，尾端模块曾用于“奋进号”航天飞机发射（任务编号：STS-134）。整个推进器的全新组件可能只有尾端模块的加固件。

维护完毕的第五级推进模块。图片来源：Orbital ATK　　该固体火箭推进器的命运可能会比较悲惨，在完成预定任务并分离后，它将被直接扔进大海。而此前用于航天飞机发射任务的推进器都会被回收。因为在对2009年进行的固体火箭推进器测试分析表明，推进器外壳会严重损毁，进行回收将不具备性价比。加之SLS系统的发射任务并不繁重，专门建立一支配备了专业设备的回收小组，显然是件太烧钱的事情。所以NASA最终决定让它沉入海底。　　QM-2测试任务完成后，推进器将被封存，下次亮相将是2018年SLS的首次正式发射。　　NASA的“太空发射系统”（SLS）以及伊隆·马斯克的SpaceX 重型猎鹰9号都只是火星计划的第一步，搞定交通工具后我们再来看看，为了殖民火星，我们还做了哪些准备。　　火星殖民之服装篇　　如果火星计划真的得以实现，我们将需要全新的宇航服来应对火星多变的气候环境。截至2014年，人类太空史上一共记载了514次外太空行走，但据专家估算，单次火星任务需要的外太空行走次数就将超过1000次。

纽曼教授和她的BioSuit宇航服。图片来源：MIT　　达瓦·纽曼（Dava Newman）经常为电影明星们设计服装，但你很难把她和MIT教授这种头衔联系在一起，但如果真的有明星穿着纽曼教授设计的宇航服走在红毯上，你可能不会感到奇怪，因为这件名为BioSuit的宇航服集美丽与性感于一身。

未来，频繁的外太空活动，以及可能的火星地表作业，需要容易穿脱、不妨碍运动的宇航服。众所周知，人类如果要在外太空真空环境下存活，需要能提供压力的宇航服。纽曼表示：“传统的宇航服基本上就是一个气球，提供三分之一个大气压，我们希望提供同样的压力，但采用的方式是直接向皮肤施加机械反压力。我们将被动弹性与主动材料结合在一起。这种设计的优势在于能提供更大的机动性，同时重量更轻，便于宇航员进行外太空活动。”　　一件BioSuit需要使用上千英尺的凸纹织物，在全身多个关键压力点进行缝合。此外，织物中还夹杂了大量连接着生物传感器的金属纤维弹簧，可以通过感应人体热量来收紧或放松。这类金属材质主要应用于宇航服的领口、袖口、裤脚等处。

将3D打印的宇航服“骨架“进行缝合。图片来源：MIT　　此外，BioSuit还采用了一种可以被准确塑形的记忆合金，来起到 “骨架”的作用。在这付“骨架”外，包裹了一层高等混合纤维制成的隔热防辐射面料，然后再在这层面料上涂上一层涂层，为的是让面料完全失去延展性。在“骨架”和面料之间，填充了高分子聚合物凝胶，凝胶对温度非常敏感，来自宇航员的体温、呼吸，或外太空辐射，都足以让凝胶膨胀起来。由于面料没有延展性，遇到来自内部的压力时，会将力反向传递给宇航员，从而产生直接作用于身体的机械压力。 　　目前，NASA正在和纽曼教授的研究团队接触，有意在其2030年的火星计划中使用BioSuit。不论这件“漂亮的不像实力派“的宇航服是否能最终登上火星，它至少为几十年来一成不变的宇航服提供了一个全新的技术解决方案。　　火星殖民之食物篇　　未来的火星移民需要食物供应，所以种植农作物是必要的。　　近日，荷兰瓦格宁根大学（Wageningen University）的科学家在类似火星的土壤中种植的4种蔬菜和谷物经鉴定可以安全食用。这4种食物是：萝卜、豌豆、黑麦和西红柿，如此看来，登陆火星的人们可以不用只吃土豆了。

研究人员正观察火星和月球的模拟土壤中作物的生长情况　　NASA根据火星环境制作了与这颗赤色星球类似的土壤。自2013年，瓦格宁根大学就开始利用这种土壤进行实验，目前已经种植出10种农作物了。由于火星土壤中含有高浓度的镉、铜和铅等重金属元素，目前还不确定植物是否会吸收这些有毒元素。所以包括土豆在内的另外6种作物是否安全还需进行进一步研究。　　该团队表示会尽可能多测试一些农作物，以确实火星殖民者可以获得更广泛的食物来源。如果可以不用像马特·达蒙那样餐餐土豆，移民火星似乎也没那么糟。　　火星殖民之建筑篇　　吹个气球住进去　　全球第一个可充气活动太空舱已于5月底顺利部署在国际空间站，DT君曾对该事件做过深入报导，有兴趣的同学可以复习一下：（NASA新型太空舱成功完成充气，未来太空基地初现雏形）

BEAM在国际空间站成功部署。图片来源：NASA　　毕格罗可充气活动太空舱（Bigelow Expandable Activity Module，简称BEAM）是NASA主导的开创性项目之一，其的目标是将在太空建立新的栖息地变为可能，包括人类的火星之旅。

毕格罗航宇公司的B330可充气太空舱。图片来源：SpaceFlightInsider　　毕格罗航宇公司已在着手开发下一代充气式太空舱B330。目前，国际空间站的内部加压空间为916立方米，一个B330展开后的内部空间为330立方米，超过国际空间站可用面积的三分之一。换句话说，历经18年建设的国际空间站能提供的空间还不如三个B330。而且这种轻质、可充气太空舱总质量仅约60吨，而国际空间站总质量高达420吨，节省出来的发射成本可想而知。　　此外，如果人类有朝一日殖民火星，这种便于运输的充气仓无疑是最好的选择之一。毕格罗航宇公司目前计划在2020年完成两个B330的建造，并发射其中的一个。　　不喜欢气球？那就来个混凝土的　　一旦人类到达这个红色星球后，将需要建造供其生活和工作的高品质建筑。人类可从地球带去一定的建筑结构，但这不是长久之计。首批移民者必须尽快找到一种利用火星资源建造建筑的方法，但怎么做呢？

图片来源：MIT TR　　今年初，美国西北大学的研究人员研究出了利用火星土壤制造混凝土的方法，而且，关键是制造这种混凝土无需使用水。　　研究人员用模拟火星土壤（以二氧化硅和氧化铝为主，还有其它成分，如氧化铁，二氧化钛，等等）制造了一些硫基聚合物：50％的硫，50％的模拟火星土壤，且聚合物颗粒的最大粒径控制在1毫米。这种聚合物强度很高，抗压强度超过50兆帕（地球上的住宅建筑标准要求混凝土的抗压强度约为20兆帕）。　　火星混凝土还可以通过加热来回收，因此它可以被重复使用。与从地球携带材料相比，制造火星混凝土可以更快更容易，且成本较低。这意味着火星上第一个永久结构应该很容易就被搭建。现在我们需要的是新一代火星建筑师设计出以火星混凝土为材料的建筑，使这些建筑适合人类居住和工作。

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