马斯克颠覆NASA火星殖民计划 不建轨道站直达目的地省钱省力

美国太空探索技术公司SpaceX创始人埃隆·马斯克(Elon Musk)有个雄心勃勃的殖民火星计划,以便帮助人类成为跨行星物种。为了实现这个目标,他旗下公司正在研发星际飞船、猎鹰重型火箭,并开始建设火箭和飞船工厂,帮助打造前往火星的星际飞船舰队。

马斯克正在彻底颠覆美国宇航局(NASA)的火星殖民计划,不需要建设轨道站、空间站等设施,直达火星的策略似乎更省钱省力。火星协会会长、先锋航天公司总裁罗伯特·祖布林(RobertZubrin)日前撰文,详细解读了马斯克的火星策略。

以下为祖布林的撰文全文:

上周,我(祖布林)和妻子霍普(Hope)前往德克萨斯州的博卡奇卡(Boca Chica)与埃隆·马斯克(Elon Musk)会面。当我们在SpaceX总部内交谈时,一支流浪乐队在外面演奏,为排队申请多个类别工作的人提供娱乐,这些求职者将帮助制造前往火星的载人飞船。数百人已经被雇佣,并在建筑群中工作,很快就会有数千人加入进来。

马斯克称他的设计为“星际飞船”(Starship)。这是由甲烷/氧气驱动的不锈钢两级入轨火箭,有效载荷能力相当于将阿波罗宇航员送上月球的土星5号运载火箭(Saturn V)。然而,土星5号火箭是消耗性硬件,只能使用一次就会在大气层中坠毁。而星际飞船将完全可重复使用,就像客机一样,因此将从根本上降低有效载荷交付成本。

星际飞船的具体表现还有待证明。然而,马斯克就在这里,他建造的并不是第一艘证明这一概念的实验船,而是正如我们已经目睹的那样,他建造了组装星际飞船的工厂和舰队。他疯了吗?按照传统航空航天行业人士的想法来看,他的确让人觉得有点儿疯狂。但他的疯狂似乎自有其道理!

我认识马斯克已经有二十多年了。2001年,我是帮助说服他制定火星殖民目标的人之一。他的计划在很大程度上是基于我的设想,也就是通常所说的“火星直达”(Mars Direct)计划。我在1996年出版的《赶往火星:火星直达》(The Case for Mars, Mars Direct)一书中详细阐述了这一点,它彻底打破了美国宇航局以前如何完成殖民火星的思考,但马斯克的星际飞船计划要激进得多。

除了在20世纪90年代,美国宇航局在负责太空探索的副局长迈克·格里芬(Mike Griffin)的指导下,确实接受了“火星直达”计划的扩展版本之外,该机构始终坚持沃纳·冯·布劳恩(Wernher Von Braun)在1948年至1969年之间几次变化中提出的范式。根据这些想法,首先应该建造轨道站,为使用先进的推进系统在轨道上建造巨型星际宇宙飞船提供平台,这些宇宙飞船将从地球轨道飞向火星轨道。从这些轨道母舰出发,小型登陆器可以带着宇航员到火星表面插上国旗,留下几个脚印,然后在短暂停留后返回轨道。

相比之下,“火星直达”计划和星际飞船计划都使用从地球轨道到火星表面的直达飞行,并使用在这颗红色星球上找到的当地材料制造甲烷/氧气推进剂,以直接从火星表面返回地球。这两个计划都避免了对轨道基础设施、轨道建筑、星际母舰、专门的小型登陆器或先进推进器的任何需求。两者都涉及从第一次任务开始就在火星上停留很长时间。对于这两个计划来说,任务的中心目的不是飞向火星,而是在那里完成更严肃的事情。

但这是有区别的。在“火星直达”计划中,这个不起眼的地球返回飞行器和机组人员的居住舱都离开了将它们送入轨道的助推器,并降落在这颗红色星球上,居住舱加上有效载荷的总质量约为40吨。而在马斯克的计划中,星际飞船会被发射到轨道上,然后由六艘负责加油的星际飞船在那里添加燃料,之后整个飞船将飞往火星,提供高达200吨的居住舱加有效载荷质量。因此,“火星直达”计划可能每次向火星派遣4至6名宇航员,而星际飞船可以容纳50人或更多人。

马斯克的计划提供了比“火星直达”计划更强大的任务执行能力,但这种能力是有代价的。具体地说,如果宇航员要回来,你需要重新给星际飞船加载推进剂,这需要大约1000吨。而在“火星直达”计划中,在机组人员之前送往这颗红色星球的地球返回飞行器只需要100吨推进剂。支持星际飞船行动所需的火星表面动力和其他基地要求比实施“火星直达”计划所需的要求高出10倍。

因此,马斯克需要提前建立大型火星基地,几艘星际飞船会单程前往火星,装载着大量的基地建设设备,比如10个足球场大小的太阳能电池板,以及派遣机器人来建设。直到一切准备就绪,首批搭载宇航员的载人星际飞船才能到达那里。这使得该系统对于探测来说是次优的,但探索并不是马斯克想要的。

如果可以将“火星直达”计划比作阿波罗计划的进化版本,那么马斯克的计划就像诺曼底登陆,他需要一支舰队。所以他正在建造工厂来建造这样的舰队。但他为何要在飞船测试之前就建造舰队呢?主要有以下两个原因:

首先,马斯克要做好承担损失的准备。当第一艘星际飞船准备好进行首次试飞时,他将有三到四艘已经建成的飞船,随时准备进行改装,以修复导致第一艘飞船失败的任何问题。发射、坠毁、修复,重复发射过程,直到解决所有问题,然后继续发射,提高有效载荷,缩短发射周期,提高性能。

其次,建造舰队为了让星际飞船变得更便宜。美国宇航局在12年内建造了5架航天飞机,每架耗资数十亿美元。而马斯克正在创建的工厂旨在最终以每年50艘或更多的速度批量生产星际飞船。这听起来可能很疯狂,但并非不可能。

1944年,美国以每周一艘的速度生产护航航空母舰。数十个独立的团队同时工作,每个团队负责船上各自的工作,然后将工作移交给下个团队。如果马斯克建立类似的生产线,并拥有3000名员工,这将意味着每艘飞船的劳动力成本约为600万美元,或包括材料和航空电子设备,成本在1500万至2000万美元之间。

如果他能以如此低的成本建造飞船,那么一旦火星基地投入运营,随着工业和温室农业能力的不断增长,每艘载有100名乘客的星际飞船就可以飞往火星,并在必要时留在那里,每名乘客的硬件成本还不到20万美元。因此,把飞船票价定为30万美元并不算贵,这相当于普通房主的净资产,或者普通美国人大约七年的收入。

然而,外星定居点不太可能通过向地球出口任何物质商品来产生利润,毕竟运输费用实在太高了,所以基于这些概念的商业计划中的数字根本就没有被计算其中。但知识产权完全是另一回事,因为它几乎可以免费跨行星际距离传播,任何数据可以拥有的最高价值是专利中包含的价值。

火星殖民地将由技术上非常熟练的人群在前沿环境中组成,在那里他们可以自由创新,也可以被迫创新。它将会像19世纪的美国,那里就像“发明的高压锅”。正如历史学家弗雷德里克·杰克逊·特纳(Frederick Jackson Turner)在其《边疆在美国历史上的意义》(The Right of the Frontier in American History,1982)中指出的那样,类似的情况使年轻的美国形成了有史以来最具创造力的文化,洋基人的聪明才智给世界带来了电力、汽船、电报、节省劳动力的机械、录音、灯泡、电话、中央发电等。在特纳的著作发表后不久,飞机和大规模生产的汽车开始涌现。

因此,为了满足需求,可以预期,硬驱动和无官僚作风的火星居民的聪明才智将在机器人、人工智能、转基因生物、合成生物学和许多其他领域产生革命性的进步。这些发明是为满足火星生存而发明的,可以在地球上获得专利许可,带来进口复杂系统所需的收入,这些复杂系统与食品、织物、燃料、钢铁、铝、玻璃和塑料等大宗材料不同,在未来一段时间内可能很难在火星上制造。

目前,马斯克正专注于建造飞船工厂,他认为这项任务远比简单地完善星际飞船设计更重要。但要使所有这些都奏效,马斯克还需要解决更多的问题。低温推进剂储罐的在轨再灌装尚未得到证实,火星就地推进剂生产技术虽然已为人熟知,但仍未准备好投入使用。从火星返回的星际飞船将遇到比简单地从地球轨道重新进入大气层的飞行器更大的热负荷。

巨型星际飞船的火箭排气羽流可能会在着陆期间造成危险的陨石坑,迫使马斯克采用“火星直达”类似的计划,在地球轨道上的星际飞船上安置较小的飞行器,比如迷你星际飞船。我相信,这些考虑,再加上为火星上的全尺寸星际飞船加油所需的非常大的功率,最终可能会迫使马斯克开发微型版本的星际飞船。

这样的“迷你”飞船可以由一艘星际飞船发送到地球轨道上,然后以“火星直达”的方式完成任务,使星际飞船可以在几天内返回地球,再次飞行到轨道上。Mini星际飞船也可以独立发射,作为SpaceX已经在运行的猎鹰9号火箭可重复使用的上级,也使该公司拥有完全可重复使用的中等升力发射能力。马斯克更喜欢用单一的设计来做所有的事情。

美国宇航局的运营预算是马斯克旗下SpaceX的十倍以上,然而SpaceX正在迅速超越它。这家太空机构延迟已久的重型运载火箭SLS在1988年首次提出时,对于近期航天飞机衍生的助推器来说是个合理的设计。但它出现得太晚了,有效载荷交付能力比星际飞船更小,每次飞行的成本大约是后者的50倍。

美国宇航局表示,该机构正在“全力以赴”,以期在2024年之前让宇航员登上月球,但这个可能性很小,因为它已经制定了超复杂的计划,包括首先建造围绕月球轨道运行的空间站,然后在每次任务中使用四次发射、五次飞行和六次会合操作。虽然这种方法提供了让尽可能多的参与者分一杯羹的政治好处,但该计划的可操作性非常值得怀疑。

美国宇航局的火星任务设计更糟糕。它包括在月球轨道空间站建立巨大的离子驱动深空运输基地(DST),然后将DST飞行到另一个空间站,该机构声称,这个空间站需要在围绕火星的轨道上建造。这个未来系统从月球轨道到火星轨道的过境时间为单程300天,几乎是勇气号和机遇号火星探测器从2003年开始从地球到火星之旅所需时间的两倍。此外,与勇气号和机遇号不同的是,DST不会着陆。

如果你想探索或定居火星,首先需要登陆火星。然而,DST计划的目标既不是勘探,也不是建立定居点。DST架构并没有提供通往红色星球的最简单、最有效的路径,而是提供了最复杂的路径,以便为尽可能多的新技术开发计划提供“理由”。

马斯克的做法正好相反。美国宇航局的计划是由供应商驱动的,而马斯克的想法是目的驱动的。他并不关心在一大堆“潜在有用技术”上的花费是否合理,只想用最少的新技术来完成他的计划。他的态度是,只需告诉我为什么需要它。如前所述,我相信他开发迷你星际飞船的决定将是明智的,可以降低在火星上制造回程燃料的能源需求。 (腾讯科技审校/金鹿)