11月18日消息，埃隆·馬斯克（Elon Musk）旗下私人太空公司SpaceX正在研發(fā)一種可能會(huì)改變太空旅行游戲規(guī)則的飛行器。眾所周知，星際飛船將是完全可重復(fù)使用的太空運(yùn)輸系統(tǒng)，能夠搭載多達(dá)100人前往火星。

SpaceX的創(chuàng)始理念就是幫助生命成為多星球物種。馬斯克說，如果地球經(jīng)歷可能導(dǎo)致聲明滅絕的災(zāi)難，比如小行星撞擊地球，在火星等其他星球定居可以保護(hù)人類文明的延續(xù)。

星際飛船原型SN9于2021年1月在得克薩斯州博卡奇卡進(jìn)行飛行測試

馬斯克在2016年說：“歷史將沿著兩個(gè)方向前進(jìn)：一個(gè)方向是我們永遠(yuǎn)呆在地球上，然后會(huì)有最終滅絕事件發(fā)生。另一種選擇是成為太空文明和多星球物種，我希望你們同意這才是正確的道路?！?/p>

這位SpaceX的創(chuàng)始人經(jīng)常談到他在火星上建造城市的夢(mèng)想。他認(rèn)為，火星殖民第需要大量人口才能實(shí)現(xiàn)自給自足。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想，就需要一種能夠勝任這項(xiàng)任務(wù)的運(yùn)載工具。星際飛船系統(tǒng)是運(yùn)載火箭和宇宙飛船的組合，每次可以運(yùn)送100多人到這顆紅色星球。

馬斯克曾說過要在火星表面建設(shè)城市

星際飛船系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為完全和快速可重復(fù)使用。完全可重復(fù)使用意味著，主要的硬件部件不會(huì)像其他發(fā)射系統(tǒng)那樣被丟棄在海里或被燒毀，而是返回地面，以便支持再次飛行。

快速重復(fù)利用意味著從太空返回后，星際飛船可以重新填充推進(jìn)劑，并在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)備再次發(fā)射，就像飛機(jī)那樣。這就降低了整個(gè)發(fā)射過程的成本。

星際飛船概述

在發(fā)射時(shí)，名為“星際飛船”的同名太空艙將被堆疊在超重型火箭上，整體高度有120米，也被稱為星際飛船系統(tǒng)。

讓我們先看看太空艙，它的鼻錐和著陸翼使用不銹鋼材質(zhì)，很像科幻小說中描述的火箭飛船。在50米高的飛船底部有六個(gè)高效的猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)，SpaceX花了10年時(shí)間才研發(fā)成功。助推劑燃燒是分階段進(jìn)行的，這種發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)減少了推進(jìn)劑的浪費(fèi)。

星際飛船系統(tǒng)被視為史上最強(qiáng)大的火箭

星際飛船的中間是推進(jìn)劑罐，它們給迅猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)提供液態(tài)甲烷(CH4)和液態(tài)氧(O2)。其中甲烷是燃料，氧氣作為氧化劑，即使燃料燃燒的化學(xué)物質(zhì)。這種混合物被稱為甲氧氯銨。

燃料的選擇對(duì)于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)來說至關(guān)重要，但甲烷可以產(chǎn)生大量的推力?？紤]到馬斯克在火星上的設(shè)計(jì)，這也是個(gè)謹(jǐn)慎的選擇。這位SpaceX創(chuàng)始人表示，CH4可以通過被稱為“薩巴蒂爾反應(yīng)”的化學(xué)過程，從火星的地下水和大氣中的二氧化碳(CO2)中合成。

用火星資源為星際飛船補(bǔ)充燃料返回地球，將使該飛船在一定程度上自給自足，使旅程更可行，也更劃算。星際飛船的頂部是個(gè)巨大的有效載荷艙，將能夠?qū)⒇浳锘蛉藛T運(yùn)送到深空的目的地。

星際飛船由猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，以甲烷為燃料

現(xiàn)在，讓我們轉(zhuǎn)向運(yùn)載火箭。超重型火箭高70米，將裝滿3400噸低溫(冷凍)甲氧氯甲烷。它將由大約32臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，最大推力應(yīng)該超過7257噸。它應(yīng)該能夠?qū)⒅辽?00噸（甚至可能高達(dá)150噸）的有效載荷送入近地軌道。

這將使超重型火箭比二十世紀(jì)六七十年代用于阿波羅登月任務(wù)的巨型土星五號(hào)火箭更強(qiáng)大。

位于得克薩斯州的星際基地正在安裝超重型火箭助推器

發(fā)射和補(bǔ)充燃料

當(dāng)整個(gè)星際飛船系統(tǒng)從發(fā)射臺(tái)上升空時(shí)，它將開始向預(yù)定軌道傾斜。當(dāng)上級(jí)階段在太空中分離時(shí)，超重型火箭助推器會(huì)翻轉(zhuǎn)并落回地球。在下降時(shí)，助推器的側(cè)面會(huì)展開名為“網(wǎng)格翼”的鋼結(jié)構(gòu)，這將有助于引導(dǎo)火箭級(jí)返回發(fā)射臺(tái)，以便它可以再次飛行。

SpaceX有個(gè)雄心勃勃的計(jì)劃，希望利用發(fā)射塔捕捉返回的助推器。當(dāng)工程師和機(jī)組成員在發(fā)射前坐在發(fā)射臺(tái)上時(shí)，這座發(fā)射塔為他們提供了進(jìn)入太空艙和火箭的通道。

一對(duì)機(jī)械臂將從發(fā)射塔伸出。當(dāng)發(fā)射過的助推器被機(jī)械臂捕捉到時(shí)，網(wǎng)格翼將承擔(dān)負(fù)載。這座發(fā)射塔被稱為Mechazilla，因?yàn)樗芟耠娪啊陡缢估分械纳铩?/p>

圖6：星際飛船被堆疊在超重型火箭助推器上，后者伸出的網(wǎng)格翼幫助它返回地球

與此同時(shí)，星際飛船系統(tǒng)的上一級(jí)在分離后可以插入到“駐泊軌道”，允許它重新填充推進(jìn)劑。

馬斯克在2017年的一次會(huì)議主題演講中解釋說:“如果你只是想將星際飛船送入軌道，而不做任何補(bǔ)充，這已經(jīng)足夠。你可以將150噸有效載荷送上近地軌道，但沒有燃料前往其他地方。如果有加油機(jī)在軌道上幫助重新加油，就可以將150噸有效載荷一路送到火星?！?/p>

為了補(bǔ)充燃料，星際飛船將與另一艘已經(jīng)環(huán)繞地球運(yùn)行的星際飛船對(duì)接，后者僅僅充當(dāng)“推進(jìn)劑倉庫”。

星際飛船太空艙與超重型火箭助推器分離

星際飛船的用途

對(duì)于往返火星的長途旅行來說，每次可能需要9個(gè)月的時(shí)間，馬斯克打算在星際飛船太空艙前部的有效載荷區(qū)域安裝大約40個(gè)客艙。

他曾說過：“如果你真的想塞進(jìn)更多人，每個(gè)船艙可以容納五六個(gè)人。但我認(rèn)為，我們最希望看到的是每個(gè)艙位有兩到三個(gè)人，所以名義上每次飛往火星的飛船大約有100人?！?/p>

有效載荷艙還將設(shè)有公共區(qū)域、存儲(chǔ)空間、廚房和避難所，人們可以聚集在那里躲避太陽風(fēng)暴，太陽風(fēng)暴會(huì)向太空釋放有害的帶電粒子。

星際飛船還將在美國宇航局（NASA）的“阿爾特彌斯”（Artemis）重返月球計(jì)劃中發(fā)揮關(guān)鍵作用，該計(jì)劃旨在建立人類在月球上的長期基地。2021年4月，NASA授予SpaceX價(jià)值28.9億美元的合同，將星際飛船開發(fā)成著陸器，在未來十年左右將宇航員送上月球表面。

SpaceX始終在為NASA設(shè)計(jì)能用于登月的載人星際飛船

為阿爾特彌斯計(jì)劃量身定制的星際飛船將不具備返回地球所必需的隔熱板或襟翼。相反，“星際飛船人類著陸系統(tǒng)”在從地球首次發(fā)射后將留在太空中，這樣它最終可以用于在月球軌道和月球表面之間的多次旅行。

無人或貨物版的星際飛船有個(gè)像鱷魚嘴一樣張開的有效載荷艙，這將允許它用于發(fā)射衛(wèi)星。SpaceX表示，巨大的有效載荷能力為新型無人科學(xué)任務(wù)提供了可能性，包括部署比詹姆斯·韋伯更大的望遠(yuǎn)鏡，后者即將成為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的繼任者。

星際飛船系統(tǒng)還可以用于太空旅游，馬斯克已向日本億萬富翁前澤友作承諾，將在2023年進(jìn)行繞月旅行。與此同時(shí)，這種運(yùn)輸系統(tǒng)還可以在地球上不同的目的地之間進(jìn)行高速旅行。

馬斯克說，星際飛船最終可以把人送到“更遠(yuǎn)的太陽系”的目的地，包括木星這樣的氣態(tài)巨星。但這仍是一個(gè)長期目標(biāo)。

太空艙著陸

為了將其他航天器帶回地面，工程師們依靠降落傘，或?qū)w行器設(shè)計(jì)成能夠在跑道上著陸的方式。但是星際飛船系統(tǒng)的上層太空艙采用了不同的方法。當(dāng)它準(zhǔn)備在地球上著陸時(shí)，太空艙首先以60度角重新進(jìn)入大氣層，然后以水平位置“腹部翻轉(zhuǎn)”著陸。

這種返回模式完全依賴于大氣層來減緩飛行器的下降速度。缺點(diǎn)是，在這種配置下，星際飛船的著陸可能不太穩(wěn)定。因此，飛行器使用四個(gè)鋼制的著陸襟翼，放置在飛行器的前部和后部，來控制其下降。這很像跳傘者用他們的胳膊和腿控制身體進(jìn)行自由落體運(yùn)動(dòng)。

2019年，馬斯克在一次星際飛船更新中表示:“這與其他任何東西都不同，我們正在進(jìn)行一次可控降落。你試圖制造阻力而不是升力，這真的與飛機(jī)相反?！?/p>

當(dāng)星際飛船接近地面時(shí)，它的速度應(yīng)該足夠慢，足以使發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，使飛船翻轉(zhuǎn)到垂直姿態(tài)。然后，它使用猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)作為反動(dòng)力，引導(dǎo)飛行器使用著陸腿安全著陸。馬斯克表示，這種通用方法可以用來讓星際飛船安全地降落在太陽系的任何行星表面。

然而，最終，星際飛船返回地球或許還有其他目的地時(shí)，可能不再需要做翻轉(zhuǎn)操縱。相反，當(dāng)飛船接近地面時(shí)，會(huì)被發(fā)射塔的機(jī)械臂捕獲，就像超重型助推器一樣。

馬斯克在推特上解釋說:“星際飛船也會(huì)被Mechazilla捕獲。和助推器一樣，沒有著陸腿。這些只有在月球和火星上需要，直到當(dāng)?shù)赜谢A(chǔ)設(shè)施?！?/p>

星際飛船系統(tǒng)何時(shí)發(fā)射

在過去幾年里，SpaceX在其位于得克薩斯州博卡奇卡的星際基地設(shè)施中測試了各種太空艙的原型。該公司于2019年啟動(dòng)了名為Starhopper的39米高“試驗(yàn)品”，它看上去有點(diǎn)兒像水塔，并將它發(fā)送到離地面150米的高度。

第一個(gè)具有鼻錐和襟翼的星際飛船原型是SN8，它于2020年12月飛到了12.5公里的高度。SN8以腹部翻轉(zhuǎn)方式返回地球，給SpaceX提供了關(guān)于航天器從太空返回的最后一部分的寶貴工程數(shù)據(jù)。

然而，SN8接近著陸場的速度和力度有點(diǎn)兒過大，導(dǎo)致其發(fā)生碰撞并爆炸。在星際飛船原型SN15于2021年5月成功軟著陸之前，又有3個(gè)試驗(yàn)品以爆炸終結(jié)。

SpaceX原本計(jì)劃在2021年的某個(gè)時(shí)候進(jìn)行星際飛船系統(tǒng)的首次軌道測試飛行，但首先需要得到美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)的發(fā)射許可，該監(jiān)管機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)將在今年年底前完成一項(xiàng)關(guān)鍵的環(huán)境影響評(píng)估。

在周四美國國家科學(xué)、工程和醫(yī)學(xué)空間研究委員會(huì)舉行的會(huì)議上，馬斯克表示，SpaceX“希望”在2022年1月對(duì)星際飛船系統(tǒng)原型進(jìn)行首次軌道飛行測試，具體時(shí)間取決于測試和監(jiān)管部門的批準(zhǔn)。

盡管馬斯克不確定首次軌道試飛能否取得成功，但他堅(jiān)信星際飛船系統(tǒng)肯定能在2022年進(jìn)入太空。他稱，SpaceX的目標(biāo)是明年進(jìn)行多達(dá)12次星際飛船測試飛行，以完成“測試飛行計(jì)劃”，并在2023年發(fā)射真正的有效載荷。

馬斯克說:“我認(rèn)為，為了讓生命變成多星球物種，我們可能需要1000艘飛船或類似的東西。SpaceX的首要目標(biāo)始終是推進(jìn)太空技術(shù)發(fā)展，使人類能夠成為多星球物種，并最終成為一個(gè)太空文明?！?/p>

本文來自“騰訊科技”，審校：金鹿，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

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