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首個即將開啟登月之旅的人類,知道自己坐的是什麼飛船嗎? | 邁向太空


- 2018年9月26日12時53分
- 科學文摘 / 果殼

果殼

伊隆‧馬斯克又搞了一件吸引眼球的大事情。

美國太平洋時間9月17日下午6點(北京時間18日上午9點),在SpaceX位於洛杉磯的總部大樓里,以獵鷹9號火箭實物為背景,馬斯克召開了一場新聞發布會,宣布該公司已經簽下了首位飛向月球的乘客。

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SpaceX的大獵鷹飛船,將送第一位私人遊客前往月球 | SpaceX

跟他一起出席發布會的,是首度公開身份的月球遊客——日本企業家、藝術品收藏家前澤友作。按照發布會上公布的時間表,這趟掠過月球的太空之旅最快將在2023年成行。

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就是這艘大獵鷹飛船,上面的全部座位,都被前澤友座包了! | Space

前澤友作不只是買了一張船票,還包下了整艘飛船。他將在全世界挑選6-8位的藝術家,邀請他們一起登船前往月球。他期待,這趟月球之旅能夠開啟靈感源泉,讓這些藝術家創作出更多傳世佳作。

他們到時候將要乘坐的,正是SpaceX目前仍在設計研製的大獵鷹火箭。對於航天發燒友來說,這場發布會上更吸引人的,不是月球遊客姓甚名誰,而是幾經修改後終於披露的大獵鷹火箭最新設計方案。


首位私人月球遊客前澤友作(上)和SpaceX公司CEO伊隆‧馬斯克(下) | 馬斯克

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ITS:行星際運輸系統

SpaceX公司以其廉價高性能的獵鷹9號火箭,占據了世界商業發射市場的半壁江山,但他們的雄心壯志遠不是做商業發射市場的山大王,而是創始人馬斯克始終念念不忘的殖民火星。

2016年,馬斯克在國際宇航大會上提出ITS方案,也就是行星際運輸系統。這種超級火箭一露面,就讓圍觀者眼鏡掉了一地。

ITS火箭實在太大,122米的長度已經是世界第一,而12米的直徑也是一覽眾山小。最令人髮指的是,它的起飛重量高達10500噸,完全重複使用時運載能力300噸,如果做一次性火箭,發射運力可達550噸!

ITS這種二級超級液體火箭,使用強大的猛禽液氧甲烷發動機,單發地面推力約300噸。即使如此,第一級火箭也有多達42台猛禽發動機,比蘇聯著名的N-1火箭的發動機還要多。

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2016年,馬斯克提出ITS方案,火箭第二級本身就是載人或貨運飛船。按照當時的設想,這款飛船將有能力把人送往火星,甚至更遠的其他固體星球,比如圖中的土衛二 | SpaceX

而ITS的第二級火箭,本身就是貨運或者載人飛船。多次發射在地球軌道上加滿燃料後,它可將450噸的載荷送往火星——相當於一次性就送100人去火星!馬斯克當時還雄心勃勃地表示,ITS不僅能支持殖民火星,還能在其他固體行星或衛星上著陸,比如土衛二。

ITS看起來很美,也符合馬斯克的雄心壯志,但它的問題不僅在於技術難度大,研製成本高,還在於體量太大,在商業上難有用武之地。即使ITS重複使用並達到設計的復用成本指標,這種巨型火箭的研製和發射仍然極為昂貴。

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BFR:大獵鷹火箭

面對現實,馬斯克也只能低頭。2017年國際宇航大會上,他展示了BFR方案,也就是大獵鷹火箭,可以看作是ITS火箭大改設計之後縮小優化的結果。

2017年,馬斯克提出了大獵鷹火箭(中),可以看作是2016年版ITS火箭(右)縮小優化的結果。雖然有所縮水,但與現役最大的重型獵鷹(左)相比,BFR仍然是個巨無霸 | quora

BFR火箭長度106米,直徑9米,重量降低到4400噸,相應的起飛推力也降低到5400噸。不過它仍然使用了多達31台發動機,原因是猛禽發動機也縮水了,地面推力從300噸級降低到170噸級。如此一來,美國新世紀的BFR和蘇聯上世紀的N-1火箭是越來越神似了。

在重複使用時,BFR火箭近地軌道運載能力為150噸級,只有ITS的一半,但這樣的運力也足夠冠絕天下了。另外,在馬斯克當時的演示中,BFR還將用於發射衛星,甚至可以開通洲際快速航班,不到半個小時就能從紐約飛抵上海。為了給這種重型火箭找到商業市場,支持更遙遠的火星殖民,馬斯克也是拼了!

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2017年提出的縮水版大獵鷹火箭,為了找到合適的商業市場,馬斯克甚至想到了用它來開拓洲際快速載人航班。圖為大獵鷹火箭從紐約附近發射升空,只需要29分鐘就能飛抵上海 | SpaceX

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繞月旅行

在9月17日召開的發布會上,馬斯克給大獵鷹火箭找到了新的商業模式,簽下了第一筆商業訂單——送前澤友作和他邀請的藝術家去月球。

馬斯克此前曾經表示,火星殖民要比月球殖民更容易:

火星有大氣減速,地球發射到火星著陸需要的速度增量更低;

火星表面能就地取材製造燃料,用於火星開發和返程加注;

火星還富含水和碳等多種元素,適合移民墾殖。

而我們的月球,沒有空氣,也沒有多少水冰,大概就只有離地球近這一個優勢了。

不過,這個優勢是巨大的,特別是對於不著陸的太空旅行來說,飛到月球還是更容易一些,而且飛行時間要比去火星短得多,人類從心理上更容易接受和適應。發布會上透露的繞月路線,從發射升空到返回地球,只需要不到6天的時間。

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這次月球之旅將是一次不著陸的掠月之行,大獵鷹火箭從地球出發,將繞過月球直接返回地球,整個行程不到6天的時間 | SpaceX

除了繞月旅行的細節,發布會還順帶透露了大獵鷹火箭的最新設計。跟2017年的方案相比,新的大獵鷹火箭又有了很大的不同。

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BFS:大獵鷹飛船

從尺寸上來說,2018年現身的大獵鷹火箭,長度增加到118米,直徑保持9米不變。這使得大獵鷹火箭超過了土星五號,甚至比NASA正在研製的SLS重型火箭更長,重新奪回史上最大火箭的第一名寶座。

大獵鷹第一級倒是變化不大,長度從2017年的58米增加到2018年的63米,燃料儲箱有所加長。這主要是為了適應火箭第二級的變化。

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SpaceX的超重型火箭方案,3年來經歷了3個不同版本的變化。最右側是2016年最早提出的ITS,右三是2017年縮水的BFR,右二則是這次發布會上亮相的2018年版大獵鷹火箭。箭身比2017年版有所加長,超過了史上最大的土星五號火箭(右五) | reddit用戶

第二級火箭,又被稱為BFS飛船,大小變化顯著,從2017年的48米增加到2018年版的55米,提供了更大的內部空間。新的設計使得飛船前部擁有了大約1100立方米的增壓空間,能為乘客提供更大更舒適的生活環境。

除了把飛船改得更大,新設計還讓BFS的外形發生了很大的變化,從2017年的只有兩個水平翼面,變成了2018年的3個翼面。新增加的垂直尾翼,雖然看起來跟太空梭的尾翼很像,但在飛船再入大氣層的過程中不起任何作用,純粹是當作飛船垂直著陸後的第3著陸腿來用的。

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2018年版的BFS飛船(下圖),與2017年的版本(上圖)相比,外形發生了很大的變化。最明顯的改變是,飛船增加了第3個垂直尾翼,可以在著陸時起到著陸腿的作用 | SpaceX

原有的兩個翼面也改了設計,與垂直尾翼間隔120度均勻分布。除了同樣可以用作著陸腿使用以外,它們在飛船再入大氣層的減速過程中,還會翻起一個角度,提供一定的氣動控制能力。相比去年獨立的著陸腿設計,新的尾翼兼作著陸腿方案要更加穩定,還有利於降低結構重量。

此外,BFS飛船的頭部還增加了一對鴨翼,不僅可以在再入大氣層時提供更強的操控能力,在垂直著陸過程中也有不小的控制效果,和現在獵鷹九號第一級頂部的柵格舵可謂異曲同工。

2018年版BFS飛船的尾部視圖,可以看到3條對稱分布的尾翼,以及已經改過布局的7台猛禽火箭發動機 | SpaceX


BFS飛船尾部的火箭發動機布局也經過了大改。2017年的BFS,尾部設計了6台猛禽發動機,2台適用於地面有大氣層的環境,4台適用於太空里的真空環境。新版的BFS飛船,尾部設計了7台猛禽發動機,1台位於中央,6台分列周圍,倒是跟獵鷹9號火箭尾部有些相似。

這7台猛禽並非真空版發動機,而是和一級一樣的地面版發動機。據馬斯克介紹,真空版猛禽發動機需要更多研製時間,而BFR火箭研製進度快,準備在2到3年內實現首次完全版BFR火箭的試射,二級飛船的動力也只好先這樣急就章了。

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2017年版BFS飛船的尾部視圖,不論是尾翼還是發動機的布局,在2018年版的設計中都被改掉了 | SpaceX

雖然發動機布局有了很大變化,但BFS飛船的著陸安全性反而提高了。不同於去年的方案只有2台猛禽用於著陸,今年的新版BFS將使用3台發動機著陸,哪怕7台發動機中有2台失效,也不會影響正常著陸。

在這些發動機的外圍,SpaceX公司還見縫插針部署了一圈貨艙,提供了88立方米的非加壓空間。這樣的設計實際上是給真空版猛禽發動機預留空間。

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2018年版大獵鷹火箭側視圖,前方加壓艙室的體積超過1000立方米,將為乘客提供更舒適的生活空間 | SpaceX

毫無疑問,未來的BFS飛船肯定要用性能更好的真空版猛禽發動機換掉現在的地面版,從而提高BFR火箭的運載能力。目前設計的發布機布局,周邊的6台地面版發動機連同貨艙,到時候都可以無縫替換成真空版發動機,無需再對飛船設計大動手腳。

難怪馬斯克在發布會上介紹時表示, BFR火箭的設計已經基本凍結,接下來就是全力實現這個設計方案了。

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第一位簽下訂單的私人月球遊客前澤友作,站在SpaceX正在研製的BFR火箭的箭體外殼中。最快在2023年,他將乘坐現在仍是圖紙和零件的大獵鷹飛船前往月球 | 前澤友作

對於BFR火箭研製成本,馬斯克大方地給出了估算:雖然BFR火箭研製才占用了SpaceX公司約5%的資源,主要的研製工作還沒有開始,但他認為BFR研製成本將達到50億美元左右,既不可能超過100億美元,也不會低於20億美元!

前澤友作想在2023年實現月球旅行夢想,馬斯克則表示要在2到3年內讓BFR首飛。對於這款重型火箭的研製來說 ,時間壓力和資金壓力都很大。經歷了兩年的設計方案升級,BFR火箭在技術上應該不會有什麼大問題了。馬斯克如何解決研製資金的問題,或許才是這趟私人月球旅行能否成行的關鍵。

PS:有沒有覺得改版之後的BFS飛船,跟《丁丁歷險記》里的火箭特別像呢?

作者:Lsquirrel

編輯:Steed

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