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)動機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間在貧瘠火星上建立起的一個小型社區(qū)，其中包括燃料廠、實驗室、溫室和起居區(qū)。從飛船中走出的百名乘客是新來的火星定居者，但其中一部分人（還有之前來的定居者）將乘坐這艘飛船返回地球。

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

但這聽起來確實只是狂想。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際空間站，但他極力推進高風險技術項目的做法卻遭非議。那么，馬斯克正在測試的鋼體飛船——星艦（包括兩級，其中第一級為火箭，第二級為長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

天文學家和火箭工程師把目光對準火星已經(jīng)數(shù)十年。現(xiàn)在，定居火星正在由設想變成人類的實際行動。美國宇航局正在完善其最大型的航天發(fā)射系統(tǒng)，該局計劃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;俄羅斯等國也有送航天員去火星的計劃。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劃，這引起媒體關注，也引來許多跟風者。馬斯克還有個競爭對手——同樣為私企的美國“藍色起源”公司，該公司的火星飛船計劃于2021年進行首次試飛。

星艦的外形是一座高高的鋼塔，側面有4個鰭（舵）。選擇鋼作為星艦材料，絕對堪稱不同尋常。但馬斯克稱，不管是他劍走偏鋒的飛船設計還是他對鋼的選擇，都經(jīng)過深思熟慮。星艦所采用的特殊鋼合金，讓星艦能耐受太空的極寒和在接近火星大氣層時會遭遇的高熱。太空極寒會導致普通鋼（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;哪怕溫度低于150℃，301鋼的強度也和碳纖維復合材料相同。另一方面，301鋼的熔點約為1500℃，因此星艦在火星大氣層里能以25倍音速平穩(wěn)穿行。大氣層對飛船來說就相當于剎車。飛船在穿越大氣層的過程中會變得很燙，但飛船與空氣分子的摩擦生熱只是其中很小的一個原因。主要原因是在高速飛船的前方會形成一個壓力波，大氣層氣體在其中被高度壓縮，變得極熱，轉化為等離子體（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使用。馬斯克對可重復利用火箭的測試既有成功也有失敗。這里舉一個成功的例子：2019年，在馬斯克的“獵鷹”重型火箭把一顆人造衛(wèi)星發(fā)射進軌道后，火箭的三級全都安全返回地球。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)動機的燃料是液態(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)動機噴射甲烷

讓星艦可重復使用的特殊之處不只是鋼體，星艦的新型發(fā)動機——猛禽發(fā)動機在其中也起著重要作用。猛禽發(fā)動機的燃料是液態(tài)甲烷，它比“土星5號”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)動機的程度很輕，這就讓發(fā)動機可重復使用。隨著來自火箭發(fā)動機前部的排氣離開火箭后部，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)動機，因此無需助推火箭來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)動機是不夠的——需要配備37部猛禽發(fā)動機、68米長的超重型火箭，才能讓50米長的星艦離開地球。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?，由此讓火箭旋轉。一旦星艦與超重型火箭脫離，火箭就轉向，讓自己的發(fā)動機垂直向下朝向地球。超重型火箭在返回地球過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。馬斯克的設想是一年內發(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，其他飛船則承擔載人月球和火星任務。

太空和火星加注站

1天3次發(fā)射星艦？許多專家對馬斯克的這個目標表示嚴重懷疑。但馬斯克認為，載人火星任務非常需要完成這樣的目標，也能夠完成。此外，還需要有環(huán)繞地球的加注站。馬斯克設想，多艘星艦在前往火星途中可以互相加注燃料。太空探索技術公司將首先把不載人燃料星艦送進繞地軌道（也稱低地軌道）。燃料星艦在軌道中等待載人星艦到來。兩艘星艦在軌道中會合并對接，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，載人星艦做好進入外太空的準備，燃料星艦則返回地球等待再次使用。

美國宇航局對馬斯克的這一設想部分認同，并在2019年注資太空X公司，推進研發(fā)、測試連接兩艘飛船燃料系統(tǒng)的機制。星艦從火星返回地球所需的液態(tài)甲烷最終可能會在火星上生產，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點的水冰。生產過程是：首先，從水冰中提取氫原子，然后與二氧化碳反應，碳原子與氫原子合成甲烷?？勺屖着鹦怯詈絾T在火星表面建立燃料廠，采用此方法生產甲烷。當然，這說起來簡單，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

馬斯克和美國宇航局將開發(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合

載人星艦與燃料星艦在軌道中會合。兩艘星艦尾對尾對接，燃料系統(tǒng)在內部連接。

③加速導致燃料流動

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

④載人星艦飛往火星

燃料箱裝滿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。

當繞地軌道中和火星表面都有了加注站，太空探索技術公司理論上就能發(fā)射往返于火星與地球之間的星艦。馬斯克的設想是，需要1000艘星艦前往火星，才能建造一個支持返程的火星定居點，但需要20年時間來發(fā)送百萬噸材料到火星。才能滿足建立一個長期基地的需要。馬斯克的這一狂想遭到抨擊。不少天文學家還警告馬斯克說，他的火星定居計劃可能污染火星，破壞尋找火星生命的努力。此外，馬斯克還被指責沒有充分考慮火星表面嚴重的宇宙輻射效應。

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

“太空加注站”讓飛火星大大加速

每隔26個月，地球與火星之間的相對位置排列會導致一個“霍曼轉移窗口”出現(xiàn)，它讓地球航天器可通過霍曼轉移軌道，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，航天器只需兩次使用發(fā)動機：一次是在行程之初，另一次是在減速進入火星軌道期間。如此飛往火星，需要大約9個月才能抵達目的地。但通過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“第二個地球”

星艦到達火星后，就會開始建造基地。但馬斯克的長期目標并非只是讓火星基地避開不可呼吸的火星大氣和有害的輻射，而是要把火星轉變成有海洋、有可呼吸的大氣層、表面溫度適合生存的“第二個地球”。

早在1961年，美國天文學家薩根就提出了對火星進行地球化改造的設想。馬斯克則提出，讓一系列核聚變炸彈爆炸充當微型太陽來融化火星兩極的冰蓋。這被認為純屬科幻。美國宇航局科學家認為，在短時間內讓火星地球化根本不現(xiàn)實。馬斯克卻堅持認為這個設想可行。作為科學狂人和科學奇才，馬斯克實現(xiàn)了自己的許多預測，例如特斯拉電動汽車、新型電池和可重復使用的火箭。但載人星艦飛火星和對火星實施地球化改造真能行得通嗎？許多科學家都搖頭。不過，狂想一番載人火星任務及其未來愿景，也是很有趣的。

星艦著陸水冰蘊藏地

馬斯克已經(jīng)為星艦選擇了在火星的著陸地點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，還可作為生產星艦返程所需燃料的原材料。

通過分析來自兩艘火星軌道器——“火星奧德賽號”和“火星勘測軌道器”的數(shù)據(jù)，科學家早就證實火星地下存在水冰。這兩艘軌道器配備的傳感器能測量火星表面溫度的微小改變。冰的吸熱能力高于周圍物質，所以軌道器辨識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陷下去的細塵區(qū)域。

火星基地自給自足

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

火星基地基本結構為艙與艙連接——通道連接生活區(qū)和溫室區(qū)。食物培植在溫室區(qū)進行。上圖設想了提供安全、舒適、清潔水和新鮮空氣的一種火星基地溫室設計。

①旋轉下降

在火星上空幾千米處，星艦采用自己的6部火箭發(fā)動機執(zhí)行一次旋轉機動，讓星艦從水平姿勢轉換成垂直降落姿勢。

②自產燃料

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

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。過濾器吸收基地人員呼出的二氧化碳。尿液經(jīng)過蒸餾、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的水中栽培果蔬。實驗室制造的合成肉和培育的昆蟲，為基地成員提供蛋白質。