狂人马斯克再解火星计划 “黄金之心”号十年后飞火星？

　　埃隆·马斯克的设想似乎总是充满科幻色彩。

　　王 麟
　　新闻背景
　　“技术狂人”埃隆·马斯克在去年9月的国际宇航大会上，公布了自己雄心勃勃的火星移民计划，由于缺乏细节而遭到许多人的质疑。而近日，马斯克在《新太空》期刊中发表文章，详细介绍了他的火星计划，及巨型火星运输飞船的早期设计，也就是他一直在构思的“星际运输系统”（ITS）。
　　核心技术“猛禽”发动机已点火试验
　　埃隆·马斯克公布的“星际运输系统”计划雄心勃勃，实际上这套系统是他之前提出的“火星移民运输机（MCT）”的升级版。而对火星移民的兴趣，马斯克早在2001年左右便开始萌芽，后来不断为之奋斗，还曾经与美国宇航局合作过一段时间，并且游说俄罗斯出资，但是没有成功，这才下定决心在2002年注册了SpaceX公司，想以一小群科学家的力量，实现人类征服火星的梦想。当然，如今该公司的业务范围早已经远远超越最初的设想，而星际运输系统目前所用资源只有数千万美元，占公司总业务的5%，预计未来每年在该项目上的投资比重将会增加到3亿美元。
　　“星际运输系统”是包括大功率发动机、超级运载火箭和载人宇宙飞船在内的一整套星际运输保障体系，简单一点说，这套系统通过大功率发动机驱动可回收的运载火箭，将载人飞船送到近地轨道，然后再通过发射补给舱为客运飞船补充能源，飞船在旅行过程中还可以通过太阳能电池供电，到达火星之后完成载人任务，再利用火星资源制造燃料，为飞船补充能源后返回，并可多次重复使用。根据马斯克提供的资料，超级火箭的重复利用次数是1000次，燃料补给舱的使用次数是100次，而飞船可利用12次，能够节省巨额成本。
　　而这套系统涉及到很多高精尖的技术及设备，主要包括可重复使用的运载火箭和载人飞船、位于地球和火星的火箭及飞船发射设施、近地轨道飞船补充燃料技术、零重力推进技术、火星基地燃料制造技术等。其技术的核心还是发动机、运载火箭和载人飞船。
　　就在马斯克在国际宇航大会上宣布“星际运输系统”之前，其核心技术之一的“猛禽”发动机已经进行了第一次点火试验，马斯克那次参会也是有备而去的，其余的工作都在快马加鞭向前推进之中。“猛禽”发动机是SpaceX公司研发的全流式燃烧发动机，以液氧和液态甲烷作为推进剂，功率强大，每台发动机在海平面的推进力可达3050千牛，发动机的重要参数之一的比冲量为334秒；发动机在真空中的推进力是3500千牛，比冲量是382秒，并且能够比普通的发动机节省20%至100%的额定推力。
　　太空中给飞船油箱添加燃料
　　“猛禽”发动机的强大性能为飞船的推进火箭提供了足够的动力，这也是该系统最核心的技术之一。而运输系统的核心技术之二就是运载火箭，加上有效荷载，火箭总高度为122米，可谓不折不扣的庞然大物，运载火箭共安装了42台“猛禽”发动机，其中有7台发动机位于发动机底座中心，其余的发动机环形设置，内环14台，外环21台，在起飞阶段可以提供12.8万千牛的推动力，是执行阿波罗登月任务的“土星5”火箭的3.5倍以上。这种超级火箭若按一次性使用配置，那么该火箭具有550吨的低地轨道运载能力；如果按照能够重复利用配置，则低轨运载能力也可达300吨。当一级火箭将飞船发射到近地轨道之后，速度高达8650千米/小时，此后推进火箭与飞船分离，然后火箭回收，并通过格栅翼精准地返回发射场。
　　而火箭的有效荷载就是宇宙飞船，是整个系统的重中之重。船体由碳纤维做成，长49.5米，宽12米至17米，飞船结构主要包括四大部分，分别是发动机、油箱、载货舱和载客舱。飞船安装有9台发动机，其中有3台海平面型发动机和6台真空型“猛禽”发动机，飞船既要载货又要载人，并且一次就搭载100名宇航员，必须确保万无一失。而承载的货物是火星安居的必需建筑材料及设备，100名宇航员更是第一批移民火星的精英，所以马斯克也承认，这种飞船必须做得非常大才行。对于首次启航的宇宙飞船，主要载运货物，搭载的宇航员较少，随着火星基地的逐步建立，此后的飞船就以客运为主。
　　载人飞船在发射的过程中油箱是空的，是为了减少有效荷载，降低发射成本。当到达预定轨道之后，就需要给飞船的油箱添加燃料，怎么加？还是要用到可重复使用的运载火箭，这些火箭只搭载燃料补给舱，一般发射三到五次，就能补充一艘需要长途跋涉的飞船的所需燃料。星际运输系统的配送燃料箱也是SpaceX公司特殊设计和制造的，目前已经完成了相关测试工作。
　　当飞船点火开启航程的时候，9台发动机在真空中会提供3.1万千牛的推动力，推动总重450吨的人员或者货物，让飞船能够按时到达目的地。除此之外，飞船还安装了两台巨型的太阳能电池板，能够产生200千瓦的电力，以备在航行期间的不时之需。同时，在广袤的太空中旅行，宇航员们还会遭遇太空辐射的危险，此时就需要采取措施，对飞船增加屏蔽装置。在飞船到达火星之后，飞船将不再通过传统的打开降落伞的方式着陆，而是采用 “超音速反推技术”，利用飞船的推进器反向点火，进而减速降落。
　　马斯克也是一位科幻迷，特别喜欢美国作家道格拉斯·亚当斯的名作《银河系漫游指南》，里面有一艘采用“无限非概率引擎”驱动的飞船，让其深受启发，就给这艘火星飞船起名“黄金之心”号。
　　未来50至100年送百万人上火星？
　　虽然“星际运输系统”的核心技术已经在研发阶段，但是距离火星移民之路还很遥远。一直扬言在火星退休的马斯克也承认，要想真正在火星建立永久基地，并且移民百万，需要花费40年到100年的时间，那是三代人前赴后继的努力。如果按照每次发送100人至200人计算，飞船需要发射一万次，而航程平均需要80天至140天，并且最好在火星距离地球最近的时候发射，这样能减少旅行时间，节省费用。
　　马斯克希望，最终能建造至少1000艘飞船，未来50年至100年将100万人送到火星。成本方面，如果能达到规划中的重复利用率，每个人去火星只需花20万美元，而如果以现在的技术送人往返火星，至少要花100亿美元。如果一切顺利，十年后ITS就可以启程远征火星了。
　　实际上，马斯克早已经等不及了，目前公司正在研制一台试验性的“龙”号非载人飞船，采用星际运输系统的技术，准备开启代号“红龙”的火星探测任务。该飞船预计在2018年5月发射，主要是为了验证星际运输系统采用的技术是否可行，为下一步登陆火星积累经验，扫清障碍。
　　SpaceX公司的登陆火星计划从2018年开始实施，大概每26个月执行一次发射任务，争取最早在2025年前后实现火星移民。此后，人类将以火星为基地，继续向太阳系深空探索和扩张，实现真正的星际移民。
　　当然，马斯克一向以“胆大、敢说、执行力强”而著称，他的这些计划到底能否兑现，还需要时间来进行验证。
　　与马斯克同时实施登陆火星计划的还有美国航天局，他们也紧锣密鼓地研究“航天发射系统”的发动机，只不过这是一次性的，按照美国航天局的火星计划方案，最早也需要在2030年左右才能实现登陆火星的目标。私人企业和政府部门都在为了登陆火星而努力，未来的火星移民之梦，或许真的不再遥远。