載人飛火星狂想第一曲

吳青

一艘50米高的鋼體飛船在火星表面降落。隨著飛船發(fā)動(dòng)機(jī)讓飛船減速并安全著陸，火星的紅色塵埃飛向空中。幾百米外，是宇航員們花了多年時(shí)間在貧瘠火星上建立起的一個(gè)小型社區(qū)，其中包括燃料廠、實(shí)驗(yàn)室、溫室和起居區(qū)。從飛船中走出的百名乘客是新來(lái)的火星定居者，但其中一部分人（還有之前來(lái)的定居者）將乘坐這艘飛船返回地球。

這也許并非純屬科幻。按照美國(guó)私人航天企業(yè)“太空x”老板馬斯克的設(shè)想，上述飛船有可能最早在2024年就搭載宇航員前往火星，開(kāi)始建造火星基地。

但這聽(tīng)起來(lái)確實(shí)只是狂想。雖然馬斯克作為大名鼎鼎的特斯拉公司的建立者，其飛船已經(jīng)把兩名宇航員送至國(guó)際空間站，但他極力推進(jìn)高風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)項(xiàng)目的做法卻遭非議。那么，馬斯克正在測(cè)試的鋼體飛船——星艦（包括兩級(jí)，其中第一級(jí)為火箭，第二級(jí)為長(zhǎng)期載人艙或載人飛船），最終真能把宇航員送上火星嗎？

劍走偏鋒 鋼體星艦

天文學(xué)家和火箭工程師把目光對(duì)準(zhǔn)火星已經(jīng)數(shù)十年。現(xiàn)在，定居火星正在由設(shè)想變成人類(lèi)的實(shí)際行動(dòng)。美國(guó)宇航局正在完善其最大型的航天發(fā)射系統(tǒng)，該局計(jì)劃2024年用該系統(tǒng)送宇航員前往月球，2030年之后送宇航員去火星;俄羅斯等國(guó)也有送航天員去火星的計(jì)劃。但馬斯克是第一艘載人火星飛船完整雛形（SN1）的制造者。2019年秋，他宣布了自己的星艦計(jì)劃，這引起媒體關(guān)注，也引來(lái)許多跟風(fēng)者。馬斯克還有個(gè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手——同樣為私企的美國(guó)“藍(lán)色起源”公司，該公司的火星飛船計(jì)劃于2021年進(jìn)行首次試飛。

星艦的外形是一座高高的鋼塔，側(cè)面有4個(gè)鰭（舵）。選擇鋼作為星艦材料，絕對(duì)堪稱(chēng)不同尋常。但馬斯克稱(chēng)，不管是他劍走偏鋒的飛船設(shè)計(jì)還是他對(duì)鋼的選擇，都經(jīng)過(guò)深思熟慮。星艦所采用的特殊鋼合金，讓星艦?zāi)苣褪芴盏臉O寒和在接近火星大氣層時(shí)會(huì)遭遇的高熱。太空極寒會(huì)導(dǎo)致普通鋼（碳素鋼）像冰一樣碎裂，但星艦使用的鉻鎳合金不銹鋼（301鋼）卻不會(huì);哪怕溫度低于150℃，301鋼的強(qiáng)度也和碳纖維復(fù)合材料相同。另一方面，301鋼的熔點(diǎn)約為1500℃，因此星艦在火星大氣層里能以25倍音速平穩(wěn)穿行。大氣層對(duì)飛船來(lái)說(shuō)就相當(dāng)于剎車(chē)。飛船在穿越大氣層的過(guò)程中會(huì)變得很燙，但飛船與空氣分子的摩擦生熱只是其中很小的一個(gè)原因。主要原因是在高速飛船的前方會(huì)形成一個(gè)壓力波，大氣層氣體在其中被高度壓縮，變得極熱，轉(zhuǎn)化為等離子體（空氣分子在等離子體中被撕裂）。

由于采用301鋼，星艦可以被多次重復(fù)使用。馬斯克對(duì)可重復(fù)利用火箭的測(cè)試既有成功也有失敗。這里舉一個(gè)成功的例子：2019年，在馬斯克的“獵鷹”重型火箭把一顆人造衛(wèi)星發(fā)射進(jìn)軌道后，火箭的三級(jí)全都安全返回地球。這是如此大型的發(fā)射器在這方面的第一次成功。

載員百人的鋼飛船

星艦由鋼制成，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料是液態(tài)甲烷。星艦采角自己的靈活鰭，像跳傘者一樣著陸。

新型發(fā)動(dòng)機(jī)噴射甲烷

讓星艦可重復(fù)使用的特殊之處不只是鋼體，星艦的新型發(fā)動(dòng)機(jī)——猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)在其中也起著重要作用。猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料是液態(tài)甲烷，它比“土星5號(hào)”火箭使用的液氧煤油燃料便宜得多。甲烷燃燒更清潔，“熏堵”發(fā)動(dòng)機(jī)的程度很輕，這就讓發(fā)動(dòng)機(jī)可重復(fù)使用。隨著來(lái)自火箭發(fā)動(dòng)機(jī)前部的排氣離開(kāi)火箭后部，這些氣體可二次燃燒，從而讓每千克燃料提供更大的加速度。星艦配備6部猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)，因此無(wú)需助推火箭來(lái)讓自己脫離月球或火星引力，并且可搭載100人返回地球。

但為了讓星艦掙脫地球引力，6部猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)是不夠的——需要配備37部猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)、68米長(zhǎng)的超重型火箭，才能讓50米長(zhǎng)的星艦離開(kāi)地球。馬斯克還給超重型火箭配備了從火箭表面?zhèn)认蛏斐龅啮捄腿剂蠂娮欤纱俗尰鸺D(zhuǎn)。一旦星艦與超重型火箭脫離，火箭就轉(zhuǎn)向，讓自己的發(fā)動(dòng)機(jī)垂直向下朝向地球。超重型火箭在返回地球過(guò)程中的減速是可控的。一旦火箭在地球著陸，它就可以被再次加注燃料和使用。馬斯克的設(shè)想是一年內(nèi)發(fā)射星艦不少于1000次（差不多1天3次），其中一些是環(huán)繞地球的燃料飛船，其他飛船則承擔(dān)載人月球和火星任務(wù)。

太空和火星加注站

1天3次發(fā)射星艦？許多專(zhuān)家對(duì)馬斯克的這個(gè)目標(biāo)表示嚴(yán)重懷疑。但馬斯克認(rèn)為，載人火星任務(wù)非常需要完成這樣的目標(biāo)，也能夠完成。此外，還需要有環(huán)繞地球的加注站。馬斯克設(shè)想，多艘星艦在前往火星途中可以互相加注燃料。太空探索技術(shù)公司將首先把不載人燃料星艦送進(jìn)繞地軌道（也稱(chēng)低地軌道）。燃料星艦在軌道中等待載人星艦到來(lái)。兩艘星艦在軌道中會(huì)合并對(duì)接，載人星艦頂著燃料星艦稍微加速，由此形成的推力讓燃料從燃料星艦流至載人星艦。然后，載人星艦做好進(jìn)入外太空的準(zhǔn)備，燃料星艦則返回地球等待再次使用。

美國(guó)宇航局對(duì)馬斯克的這一設(shè)想部分認(rèn)同，并在2019年注資太空X公司，推進(jìn)研發(fā)、測(cè)試連接兩艘飛船燃料系統(tǒng)的機(jī)制。星艦從火星返回地球所需的液態(tài)甲烷最終可能會(huì)在火星上生產(chǎn)，原料是火星大氣層中的二氧化碳和就位于火星表面下一點(diǎn)點(diǎn)的水冰。生產(chǎn)過(guò)程是：首先，從水冰中提取氫原子，然后與二氧化碳反應(yīng)，碳原子與氫原子合成甲烷。可讓首批火星宇航員在火星表面建立燃料廠，采用此方法生產(chǎn)甲烷。當(dāng)然，這說(shuō)起來(lái)簡(jiǎn)單，科幻色彩卻很濃，目前只能算是狂想吧。

太空加注燃料 確保渦輪速度

馬斯克和美國(guó)宇航局將開(kāi)發(fā)環(huán)繞地球的加注燃料飛船。星艦必須加注燃料，才能全速飛向火星，速度比直飛還快。

①星艦從地球起飛

超重型火箭把一艘裝載燃料的星艦發(fā)射到環(huán)繞地球的軌道后，與星艦脫離并返回地球，再發(fā)射一艘載人星艦到前述軌道。

②宇航員與燃料飛船會(huì)合

載人星艦與燃料星艦在軌道中會(huì)合。兩艘星艦尾對(duì)尾對(duì)接，燃料系統(tǒng)在內(nèi)部連接。

③加速導(dǎo)致燃料流動(dòng)

即將前往火星的載人星艦采用控制噴嘴推動(dòng)燃料星艦。這一加速導(dǎo)致燃料從燃料星艦流動(dòng)到載人星艦。

④載人星艦飛往火星

燃料箱裝滿(mǎn)1200噸燃料后，載人星艦飛往火星。這么多的燃料，足以讓星艦搭載150噸物資和人員。

當(dāng)繞地軌道中和火星表面都有了加注站，太空探索技術(shù)公司理論上就能發(fā)射往返于火星與地球之間的星艦。馬斯克的設(shè)想是，需要1000艘星艦前往火星，才能建造一個(gè)支持返程的火星定居點(diǎn)，但需要20年時(shí)間來(lái)發(fā)送百萬(wàn)噸材料到火星。才能滿(mǎn)足建立一個(gè)長(zhǎng)期基地的需要。馬斯克的這一狂想遭到抨擊。不少天文學(xué)家還警告馬斯克說(shuō)，他的火星定居計(jì)劃可能污染火星，破壞尋找火星生命的努力。此外，馬斯克還被指責(zé)沒(méi)有充分考慮火星表面嚴(yán)重的宇宙輻射效應(yīng)。

雖然如此，但馬斯克繼續(xù)推進(jìn)自己的計(jì)劃。他成功測(cè)試了星艦的縮小版——星蚱蜢。直徑與星艦一樣，但高度只有18米的星蚱蜢，在測(cè)試中升空150米后成功著陸。不過(guò)，馬斯克的星艦系列測(cè)試也多次出現(xiàn)嚴(yán)重失敗。因此，他2024年就發(fā)射載人火星飛船的設(shè)想能否實(shí)現(xiàn)，只能拭目以待。有不少人認(rèn)為，這基本可以肯定就只是一個(gè)狂想。

“太空加注站”讓飛火星大大加速

每隔26個(gè)月，地球與火星之間的相對(duì)位置排列會(huì)導(dǎo)致一個(gè)“霍曼轉(zhuǎn)移窗口”出現(xiàn)，它讓地球航天器可通過(guò)霍曼轉(zhuǎn)移軌道，以最節(jié)省的燃料消耗飛往火星。該“窗口”利用這兩顆行星的現(xiàn)有軌道速度采加速航天器。這樣一來(lái)，航天器只需兩次使用發(fā)動(dòng)機(jī)：一次是在行程之初，另一次是在減速進(jìn)入火星軌道期間。如此飛往火星，需要大約9個(gè)月才能抵達(dá)目的地。但通過(guò)在低地軌道中為載人星艦加注燃料，星艦就可加速到更快速度，后期減速也更快，因此飛往火星之旅可能只需80天。

讓火星變成“第二個(gè)地球”

星艦到達(dá)火星后，就會(huì)開(kāi)始建造基地。但馬斯克的長(zhǎng)期目標(biāo)并非只是讓火星基地避開(kāi)不可呼吸的火星大氣和有害的輻射，而是要把火星轉(zhuǎn)變成有海洋、有可呼吸的大氣層、表面溫度適合生存的“第二個(gè)地球”。

早在1961年，美國(guó)天文學(xué)家薩根就提出了對(duì)火星進(jìn)行地球化改造的設(shè)想。馬斯克則提出，讓一系列核聚變炸彈爆炸充當(dāng)微型太陽(yáng)來(lái)融化火星兩極的冰蓋。這被認(rèn)為純屬科幻。美國(guó)宇航局科學(xué)家認(rèn)為，在短時(shí)間內(nèi)讓火星地球化根本不現(xiàn)實(shí)。馬斯克卻堅(jiān)持認(rèn)為這個(gè)設(shè)想可行。作為科學(xué)狂人和科學(xué)奇才，馬斯克實(shí)現(xiàn)了自己的許多預(yù)測(cè)，例如特斯拉電動(dòng)汽車(chē)、新型電池和可重復(fù)使用的火箭。但載人星艦飛火星和對(duì)火星實(shí)施地球化改造真能行得通嗎？許多科學(xué)家都搖頭。不過(guò)，狂想一番載人火星任務(wù)及其未來(lái)愿景，也是很有趣的。

星艦著陸水冰蘊(yùn)藏地

馬斯克已經(jīng)為星艦選擇了在火星的著陸地點(diǎn)一表面下近處有大量水冰且表面平坦的區(qū)域。地下水冰可被提取飲用水，還可作為生產(chǎn)星艦返程所需燃料的原材料。

通過(guò)分析來(lái)自?xún)伤一鹦擒壍榔鳌盎鹦菉W德賽號(hào)”和“火星勘測(cè)軌道器”的數(shù)據(jù)，科學(xué)家早就證實(shí)火星地下存在水冰。這兩艘軌道器配備的傳感器能測(cè)量火星表面溫度的微小改變。冰的吸熱能力高于周?chē)镔|(zhì)，所以軌道器辨識(shí)出了冰位于火星表面下2.5～100厘米的區(qū)域和登陸航天器可能會(huì)陷下去的細(xì)塵區(qū)域。

火星基地自給自足

馬斯克想建立包括星艦機(jī)場(chǎng)、燃料生產(chǎn)、道路和一個(gè)火星社區(qū)在內(nèi)的火星基地，人們可在其中工作和生活。

火星基地基本結(jié)構(gòu)為艙與艙連接——通道連接生活區(qū)和溫室區(qū)。食物培植在溫室區(qū)進(jìn)行。上圖設(shè)想了提供安全、舒適、清潔水和新鮮空氣的一種火星基地溫室設(shè)計(jì)。

①旋轉(zhuǎn)下降

在火星上空幾千米處，星艦采用自己的6部火箭發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行一次旋轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)，讓星艦從水平姿勢(shì)轉(zhuǎn)換成垂直降落姿勢(shì)。

②自產(chǎn)燃料

甲烷燃料可通過(guò)火星地下水冰和火星大氣層的二氧化碳來(lái)制備。在一定壓力和300～400℃的條件下，來(lái)自水中的氫原子和來(lái)自二氧化碳的碳原子反應(yīng)生成甲烷和氧。

③起居空間

火星基地的起居空間保持和地球大氣壓一樣的氣壓。過(guò)濾器吸收基地人員呼出的二氧化碳。尿液經(jīng)過(guò)蒸餾、提純后可作為飲用水。

④溫室植物

馬斯克提出，火星基地可在包含礦物質(zhì)的水中栽培果蔬。實(shí)驗(yàn)室制造的合成肉和培育的昆蟲(chóng)，為基地成員提供蛋白質(zhì)。