SpaceX星際移民計劃：馬斯克心中的星際飛船明年完工

大資料文摘出品

編譯：魏子敏、蔣寶尚

Elon Musk和SpaceX正在籌劃的祕密“星際飛船”建造計劃浮出水面。這艘名叫Big Falcon的龐大火箭最多可以容納100人，並向火星運送150噸貨物。整個計劃有如“科幻小說”般，危險但讓人興奮。

12月，在洛杉磯港口出現了一個巨大的白色帳篷。這款佔地20,000平方英尺（約合1858平方米）、價值50萬美元的龐然大物，屬於馬斯克創立的火箭公司SpaceX。

幾個月後，馬斯克透露了這一“帳篷”的真正作用：帳篷下，SpaceX的工程師正在建造一個巨大的、星際旅行級別的太空船——大獵鷹火箭（或者，正如馬斯克所說，Big F***ing Rocket）。

上週四，SpaceX已經宣佈了首批私人星際旅行乘客將乘坐BFR完成繞月旅行。同時，SpaceX也表示，乘客明確身份在當地時間的週一，也就是明天被透露。

首批私人星際旅行乘客相關報導：

https://www.businessinsider.com/spacex-moon-mission-big-falcon-rocket-spaceship-2018-9

BFR專案再次提醒了大家，SpaceX 公司正在做著殖民火星的努力，並且進展迅速。

之後馬斯克還透露了更大的抱負——向火星發射一個無人駕駛的貨物倉。這個目標，馬斯克稱預計將在2022年實現。之後，他希望能夠將人類運送上去。

據海外媒體Business Insider報導：馬斯克希望有兩個行星供人類居住。訊息出來後，不少人認為這非常瘋狂，但並非毫無道理。

SpaceX在洛杉磯港口的一個巨大的白色帳篷中進行這一個工程。圖片來自Google Earth Pro

整個BFR 由157英尺的太空船組成，火箭助推器是一個高191英尺的“大傢伙”。整個部分高達35層樓，比自由女神像還高。

當燃料充足時，這個龐然大物重達為900萬磅，可以運載重量為150噸的貨物，同時可容納100名乘客。

最重要的是，整個系統將是100%可重複使用的，這是人類史上的第一個可重複使用的運載火箭。

大獵鷹火箭向太空發射的圖示。credite to SpaceX官方

因為BFR承載著馬斯克對未來的願景，所以這個專案成為了人類有史以來最艱難的工程專案之一。

到目前為止，SpaceX大部分都保密，我們對帳篷裡發生了什麼完全不瞭解，所有的相關人員對於這件事都守口如瓶。

因此，無論是專家還是公眾，都務必好奇SpaceX如何建造馬斯克心中的星際飛船。

2019：第一艘火星宇宙飛船元年？

馬斯克在國際宇航大會上發言。

馬斯克表示，BFR系統最終將取代SpaceX目前使用的每一枚火箭和宇宙飛船，因為相對於一次性火箭，它的發射成本更低廉。

為此，該公司最近籌集了數億美元，其中大部分可用於BFR專案。SpaceX的6000名員工中有越來越多的人開始接觸這項工作。

根據馬斯克的說法，第一個原型應該在2019年完成。

整個帳篷的建設可能會花費18—24個月，因為準備製造機身的工具，建造宇宙飛船的前身會相對花費一些時間。相比之下，NASA的太空梭軌道飛行器（比BFR宇宙飛船還小）每個都花費了大約五年的時間。

一旦建成，宇宙飛船原型很可能乘坐駁船穿過巴拿馬運河，在德克薩斯州下車，然後用卡車運到內陸。 該公司總裁兼營運長Gwynne Shotwell在9月初的一次會議上表示，它將在2019年末開始一系列短暫的“跳”測試。

與此同時，工人可能完成了建造SpaceX公司在洛杉磯港的BFR工廠，該設施面積約為20萬平方英尺，是白色帳篷的10倍。

根據SpaceX公司的計劃預計在2020年，當所有部件都準備好後，助推器將在離地球數十英里的地方將飛船升空，然後降落進行檢查和加油。與此同時，這艘宇宙飛船將發射引擎，加速進入繞地球執行的軌道。

SpaceX計劃如何在火星上建立一個基地和甲烷燃料庫的圖表

不過，這艘飛船屆時將幾乎耗盡燃料，因此SpaceX計劃發射幾乎相同的宇宙飛船，從而與第一艘在軌的飛船相遇。兩艘非常將以每小時17500英里的速度進行一系列的會合，耗盡燃料的飛船的儲罐將裝滿液態甲烷和液氧。

SpaceX首席火星開發工程師保羅·伍斯特(Paul Wooster)表示，採用這種做法，將會重新有效的設定火箭方程。將100噸或者更多的貨物送到近地軌道，然後對接，如此，飛船可以將資源帶到任何地方，包括火星表面。

馬斯克心中的火星城

按照設計，BFR的宇宙飛船需要在火星上補充燃料，進而能夠為返回地球提供動力。SpaceX計劃利用火星土壤中的水、稀薄空氣中的二氧化碳以及太陽能電池板發電來製造氧氣和甲烷燃料。

來自地球的纖維使者

SpaceX的BFR太空飛船登陸火星的示意圖。credite to SpaceX官方

BFR不是普通的太空船：它承擔著發射、在軌道上加油、忍受數月太空飛行、降落在火星上，離開火星、安全返回地球，然後重複這個過程的重任。

這就是為什麼馬斯克計劃建造“由先進碳纖維材料構成”的整艘太空船。

碳纖維複合材料由許多邊界細微但超強的碳線製成。當通過加熱固化時，環氧樹脂硬化成纖維周圍的超韌樹脂。

綁成一個結的碳纖維束

在這種情況下，纖維整體力量大於其各部分的總和。許多碳纖維複合材料的效能可以超過鋼的性質。一些變體還符合鋁這種航空航天工業的輕質建築材料的性質，而其質量只是金屬質量的一半。

但是用碳纖維建造巨大的結構並不容易，而SpaceX正在建造的航空和太空飛行史上前所未有。

有史以來最大的同類載人飛行器是波音公司的787夢想飛機商用噴氣式飛機，其重量約佔複合材料的50％。

馬斯克透露了有關SpaceX如何製造碳纖維船的第一個線索，他在4月份在Instagram上分享了一張40英尺長的金屬圓筒照片，旁邊有一塊看似很小的特斯拉汽車。

“這將是用於BFR行星際飛船的SpaceX主體工具，”馬斯克在Instagram上說。（此後他刪除了這張照片。）

一種直徑大約30英尺的“軸心工具”，SpaceX將用它來製造大型獵鷹火箭飛船。credit to 馬斯克Instagram

但使用這種材料製作宇宙飛船危險重重。

為了證明技術上的突破，SpaceX建造了有史以來最大的碳纖維複合材料燃料箱，然後馬斯克的工作人員將其綁在駁船上，拖入海中，充滿低溫液體，加壓超出極限，並猛烈爆裂。

一個是環氧樹脂在室溫下慢慢固化。根據美國聯邦航空管理局的規定，每種環氧樹脂具有不同的固化速率，但用於製造飛機的種類在大約四周後變得無法使用。這意味著SpaceX只有一個月的時間來建造宇宙飛船的每個主要部分。

另一個挑戰是碳纖維複合材料並不真正喜歡接觸超冷或低溫液體。但要保持液態，甲烷必須保持在-259華氏度以下，氧氣低於-297華氏度。

這一挑戰的利害關係在2016年變得清晰，當時SpaceX的Falcon 9火箭之一在發射臺上爆炸，同時攜帶了大約2億美元的衛星。最可能的原因是：充滿低溫液體的碳纖維包裹罐的破裂。

在SpaceX的巨型碳纖維坦克內。 credit to SpaceX / Elon Musk

用碳纖維複合材料製造大部分宇宙飛船還有另一個重大挑戰：如果材料沒有正確固化，那麼難以察覺且潛在的任務結束缺陷可能會被烹飪到宇宙飛船的身體中。

為了避免這種災難性的缺陷，碳纖維複合材料必須在儘可能多的壓力下擠壓以擠出氣泡，坍塌空隙並確保牢固的粘合。

如何避免因部件損壞讓任務擱淺

無論在那個白色的大帳篷下發生了什麼，有一件事是肯定的，“SpaceX需要非常仔細地做好檢查工作。這是因為碳纖維複合材料不容易出現裂紋，所以當複合部件出現問題時，表面可能不會有任何表現。“

波音的工人們為波音787夢想飛機尋找碳纖維複合材料。credit to 波音

為了檢查碳纖維部分，SpaceX需要用超聲波掃描器每一個部分。

“可能在飛機上遇到一些問題，但飛機不會爆炸， 但是在火箭發生任何不穩定的事情都是災難性的。火箭會爆炸，導致人類死亡。”

為了降低這種風險，SpaceX會遵循行業標準做法，製作示範零件，切割足長的樣品，在壓力測試中反覆測試。工程師可以將測試資料輸入計算機模型和模擬器中，用來估計飛船的執行方式。

這是一個相當繁瑣的過程，這也是航空航天材料推出極其緩慢的一個原因，”SpaceX方稱。

但是，SpaceX還是將構建並測試一個全面的宇宙飛船。

在發動機感測器發生故障後，2014年8月，SpaceX Grasshopper火箭在半空中爆炸。credit to SpaceX

SpaceX的許多實驗性發射和著陸都是在猛烈的爆炸中結束的。

該公司經受了不少失敗的火箭發射，付出了昂貴的代價。今年早些時候，馬斯克就警告說，SpaceX史上最大的火箭“獵鷹號”重型火箭在第一次航時可能會爆炸。雖然當時的發射順利完成，但也可以從中看出馬斯克的態度。

然而，一旦飛船執行任務，飛行中的檢查和修理仍然是必不可少的。

“這是一個漫長的任務，相關專家表示。“在途中發生某種破壞或失敗的可能性非常大。”

例如微小的岩石或彗星塵埃在太空中是極其危險的，因為它們能以每小時數千英里的速度撞擊宇宙飛船。

即使在地球上，碳纖維複合材料的修復也是非常棘手的。例如，當國防部需要修理碳纖維複合材料噴氣式戰鬥機時，工人們會在受損區域進行打磨和拋光，用“花式鏟子”塗上一層環氧樹脂，將受損區域置於真空中，然後加熱。因此可以想象，在地球上很難修復的東西，在太空中執行和完成的難度要高出幾個數量級。

宇宙飛船可不會憑空出現

在國際空間站停靠的BFR太空飛船。credit to SpaceX

另一位航空專家Cáceres說，每一次BFR發射可能要花費1000萬美元左右，因為該系統被設計為多次重複使用，所以大部分花費用於燃料方面，因為該系統被設計為多次重複使用。相比之下，獵鷹重型火箭每次發射的成本接近1億美元。

但是，建造和測試BFR所需的金額是巨大的，大約在40億~50億花費之間。如果馬斯克失敗的話，這個成本還會花費更多。然而，拖延，也在一定程度上會加大成本。

這就是為什麼如此多的政府太空專案往往如此昂貴，因為它們的研發週期非常非常的長，這不僅是出於技術原因，也是出於預算和政治方面的原因。

SpaceX描繪的一艘載有月球乘客的大獵鷹火箭飛船。credit to SpaceX

如果SpaceX展示出足夠成果，NASA可能會參與進來，並投資進一步的開發，從而能夠緩解資金的壓力。

Cáceres預測：“最終，BFR可能成為美國政府-SpaceX聯合專案，因為這是一件規模太大、太複雜的事情，一家公司無法單獨處理。”

如果SpaceX成功地讓一名遊客在月球上旅行，不用打廣告，美國宇航局和控制政府財政的立法者們也會非常的感興趣。

“火箭爆炸，星際旅行者喪命太空”

SpaceX的太空船正在繞地飛行。credite to SpaceX

在建造BFR和向月球發射乘客之前，SpaceX必須完成一項更直接的任務。這是該公司成立16年來的第一次，即將美國宇航局的宇航員發射到國際空間站。Cáceres說：“如果BFR要起作用，那麼使用Falcon 9號或Falcon重型火箭發射一艘載人太空艙必須成功。”

但是，即使這些旅行進展順利，整個世界也必須時刻做好準備：星際乘客在火星上死亡、或者死亡在前往火星的途中死亡的概率仍然很高。

2016年，當馬斯克向國際宇航大會提交了他的計劃時，一位觀眾問誰應該是第一批登上SpaceX火星任務的人。“第一次火星之旅將是非常危險的。死亡的風險將很高，根本無法避免。”馬斯克補充說，“基本上是：你準備好犧牲了嗎？如果可以的話，那你就是候選人。”

移民火星，地球準備好了嗎？

火星圖片

相當大一部分美國人現在認為，運送私人乘客到空間站有點“例行公事”，也有反對聲認為這非常的危險。

但是別忘了，早期的商業鐵路、汽車和航空工業都不怎麼安全，但是隨著發展，他們的安全效能已經非常高了。如果SpaceX要實現星際旅行這樣的目標，或許我們應該對其多一些期待。

危險無處不在，SpaceX或許會失敗，或許會導致人類死亡。但是要知道在人類的更早時期，探險家在危險的環境中，進行了長達數年的海洋航行。從而開闢了新大陸，發現了新資源，促進了人類生產力的大幅度提升。

這次旅行，第一位私人登月者已經簽訂了一系列協議。所以，將太空旅行開放到民間，而不是政府把控是個重要的條件。

當然，可能會有很多人獻出生命，但是如果不能接受這些挫折，我們的探索太空之旅或許將停滯不前。

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