馬斯克殖民火星計劃的細節和秘密 都在這裡了

摘要：馬斯克的「大火箭」BFR，今年第二季就有望開始建造，預計在 6 到 9 個月時間裡完工，目標在 2022 年完成第一次貨運任務。

2017 年 9 月份，美國太空探索技術公司 SpaceX 和特斯拉電動汽車公司首席執行官伊隆 · 馬斯克（Elon Musk）在澳洲國際宇航大會 (ISC) 上闡述了自己的殖民火星計劃，但其具體細節卻鮮為外界所知。《新太空》（New Space）雜誌在最新一期中詳細報導了馬斯克的計劃，包括利用 BFR 火箭飛船每次將 100 人送上火星。馬斯克還解釋了如何利用 BFR 火箭籌資支持其火星計劃的方法，包括為國際空間站運送補給、登陸月球、回收舊衛星和其他太空垃圾等，甚至可提供超快的商業國際飛行服務等。以下就是馬斯克親口敘述的計劃細節：

人類成為多行星物種

這份報導將涵蓋我們目前所謂 BFR 火箭的最新設計升級。在這次演講中，我想傳達的最重要的一點是，我認為我們已經找到了如何為殖民火星籌集資金的方法。這是非常重要的。在去年的報告中，我們確實在尋找正確的方式來為這個計劃買單。我們想出各種各樣的方法，比如眾籌、收集內衣等。這些方法都沒有成功，但現在我們認為已經找到了實現這一目標的方法。

我們的最新設計利用了更小的運載火箭，但它實際上相當龐大，但它是一種可以做任何事情的火箭，可以支持你進行更大的地球軌道活動。實際上，我們想讓我們現有的火箭變得多餘。我們希望建立統一系統來代替獵鷹 9 號、獵鷹重型火箭以及龍飛船，只需要一種火箭和飛船。如果我們能做到這一點，那麼所有用於獵鷹 9 號、獵鷹重型火箭以及龍飛船的資源都可以應用到這個系統上。它將成為我們最基本的工具。

進展

深低溫液體氧氣罐

這個巨大的深低溫液體氧氣罐實際上是個 12 米長的罐狀物體，其體積達 1000 立方米，實際上比 A380 的增壓體積更大。我們還開發出新的碳纖維矩陣，它比以前任何東西都更堅固，可以儲存 1200 噸液態氧。

SpaceX 公司開發的深低溫液體氧氣罐

我們成功地測試了氧氣罐的設計壓力，然後更進一步。我們想知道它會在何種情況下崩潰，我們成功地做到了這一點。它向空中飛了大約 100 米，降落在海里，我們把它撈了出來。如今，我們已經很好地理解了如何製造巨大的碳纖維罐，它可以容納低溫液體。這對於製造輕型飛船來說非常重要。

猛禽引擎測試

下一個關鍵因素是引擎方面。我們必須有非常高效的引擎，而猛禽引擎將是有史以來推力 - 重量比達到最佳水平的引擎。我們已經在 42 次主引擎測試中點火了 1200 秒，最長時間持續了 100 秒。它還可以持續點火超過 100 秒，這取決於測試燃料罐的大小。在火星上着陸的持續點火時間大約是 40 秒。測試引擎目前可在 200 個大氣壓下運行，飛行引擎則可承受 250 個大氣壓，我們相信隨著時間推移，我們最終可能超過 300 大氣壓。

完善推進著陸

下一個關鍵因素是推進着陸。為了在像月球這樣的地方降落（沒有大氣層，也沒有跑道），或者在火星上降落（大氣層太稀薄），即使擁有機翼和跑道，你也必須要擁有完美的推進著陸系統。

我們已經在獵鷹 9 號火箭上測試推進著陸。在這次演示的時候，SpaceX 已經有過 16 次成功着陸。獵鷹 9 號的最終著陸總是利用單一引擎完成的，而在 BFR 火箭中，我們將始終擁有多引擎輸出功率。如果你能在單引擎條件下實現非常高的可靠性著陸，那麼你就可以使用兩個引擎中的任何一個，我認為我們可以實現可靠性著陸，它與最安全的商用客機差不多。

獵鷹 9 號成功完成推進著陸

獵鷹 9 號也可以非常精確地著陸。事實上，我們相信在當前的精確度已經足夠高，它甚至可在發射架上著陸，可能不需要繼續進行改進。

發射率

當你認真考慮在火星、月球或其他地方建立可自給自足的人類基地時，你最終需要成千上萬艘太空船以及成千上萬次的補給行動。這意味著你每天需要多次發射。在計算太空船起降時，你需要以分秒計算，而不是去查看日曆。因此，儘管按照常規標準，SpaceX 的發射率已經相當高，但與最終需要的發射率相比，它仍然很低。

到目前為止的發射率

交會和對接

下一個關鍵技術是自動交會對接。為了在軌道上重新為太空船加注燃料，你必須能夠與太空船進行高精度的交會對接，並轉移推進劑。這是我們與龍飛船完美結合的技術。「龍飛船 1 號」將可自動對接，而不需要對空間站進行任何操控。

「龍飛船 1 號」目前使用的是加拿大機械臂（Canadarm）對接，它是最後安置到空間站上的設備。「龍飛船 2 號」將於 2018 年發射，它將不再需要使用 Canadarm，因為它將直接與空間站對接，而且無需人類干預。你只要按下按鈕就可以了。

龍飛船也讓我們有了完美的隔熱技術。當你以高速進入大氣層時，它幾乎會融化任何東西。流星沒有到達地球表面的原因是它們在到達地面之前就融化或分解了，除非它們的體積非常大。你必須有一種先進的隔熱保護技術，能承受難以置信的高溫，這是我們一直在完善的技術，它也是任何行星殖民系統的關鍵部分。

火箭進化

左一為獵鷹 1 號

獵鷹 1 號是我們取得的所有後續成就的起點。很多人最近才聽說 SpaceX，所以他們可能會認為獵鷹 9 號和龍飛船一夜之間就出現了，但事實並非如此。我們剛開始的時候只有幾個人，並且也不知道怎麼製造火箭。我最終成為首席工程師或首席設計師的原因不是因為我想去做，而是因為我僱傭不到任何人。

沒有人願意加入，我最終只能默認擔任這些角色。我搞砸了前三次發射，前三次發射都失敗了。幸運的是，第四次發射（這是我們為獵鷹 1 號發射而籌集到的最後一筆錢）成功了，這標誌着 SpaceX 和我們的命運都被改變。

獵鷹 1 號是個相當小的火箭。當我們在開發獵鷹 1 號時，我們真的在想：「我們能送到軌道上的最小有效載荷是什麼?」我們想，好吧，可以發射大約半噸重的物體到近地軌道。這就是獵鷹 1 號的尺寸，與獵鷹 9 號相比它真的很小。

獵鷹 9 號

提及到有效載荷時，獵鷹 9 號有了巨大進步，它的負載比獵鷹 1 號要高 30 倍。獵鷹 9 號已經可以重新使用主助推器，這是火箭中最昂貴的部分。幸運的是，獵鷹 9 號不久也將會重新使用整流罩，即火箭前面的大鼻錐。我們認為，最終獵鷹 9 號火箭的可重用性可能可以達到 70% 到 80%。

獵鷹重型火箭

獵鷹重型火箭計劃比我們想象的要複雜得多。聽起來研發獵鷹重型火箭應該很容易，因為它是兩個獵鷹 9 號第一級與中心第一級綁定作為助推器。但這實際上並不容易，我們不得不重新設計所有的東西，除了上面的部分，以承受增加的負荷。獵鷹重型火箭最終比我們預想的要重要得多，所以我們花了很長時間才完成它。但這些助推器現在已經被測試了，他們正在前往卡納維拉爾角的路上。我們現在開始認真研究 BFR 火箭。

火箭概況，分別是獵鷹 1 號、獵鷹 9 號、獵鷹重型火箭和 BFR

BFR

從下圖中可以看出，BFR 和其他運載火箭之間的有效載荷差異非常顯著。BFR 完全可重複使用，在沒有任何軌道加注燃料的情況下，我們預期它可以將 150 噸的有效載荷送至近地軌道。相比之下，獵鷹重型火箭的有效載荷約 30 噸，部分可重複使用。這在很大程度上造成了巨大的成本差異。

火箭有效載荷比較（單位：噸）

在 BFR 中，你可以通過觀察下圖中的人物對比來感受它的龐大。它真的是體積十分龐大的運載火箭，主體直徑約 9 米，助推器由 31 個猛禽引擎提供升力，可產生約 5400 噸推力，將 4400 噸重的火箭直接舉起。

BFR 飛船概述

這艘飛船的長度為 48 米，凈重約為 85 噸。從技術上講，我們的設計是 75 噸，但研發過程中不可避免地會有所增長。這艘飛船將攜帶 1100 噸推進劑，有效載荷為 150 噸，返回質量為 50 噸。你可以把它想象成是火箭的上一級和龍飛船結合起來的產物，就好像獵鷹 9 號的上一級和龍飛船的結合體。

在圖 6 中，你可以看到後面的引擎部分，中間的推進劑艙和前面的有效載荷艙。有效載荷艙實際上有 8 層樓高。事實上，你可以在有效載荷艙內裝上一堆獵鷹 1 號火箭。與上次我們展示的設計相比，你會看到火箭後面有個小三角翼，它可以擴大 BFR 飛船的用途。

根據你降落或者進入行星或衛星是否有大氣層（沒有大氣層、稀薄大氣或濃密大氣層），你重返地球時前面是否有負載（沒有負載、少量負載、沉重負載），你必須在火箭重新進入大氣層時保持平衡。後面的三角翼（包括分瓣用於俯仰和滾動控制）允許我們控制俯仰角度，儘管在鼻端有大量載荷或濃密大氣層。我們儘量避免使用三角翼，但它是必要的裝置，可以增強飛船的能力，這樣它就可以降落在太陽系的任何地方。

BFR 主體

BFR 貨物 / 客艙區

貨物區的壓力體積為 825 立方米，比 A380 的增壓區域還要大。BFR 能夠承載大量的負載。在前往火星途中，因為你要至少花三個月甚至 6 個月的時間，你可能想要小艙室而不僅僅是一個座位。火星軌道交通裝置由 40 個船艙組成。如果在每個船艙擠塞入五六人，可能會顯得非常擁擠。我想，大多數情況下每個艙內有 2 到 3 人，或者每次送往火星 100 人。這裡有中央儲存區和廚房，還有太陽風暴庇護所、娛樂區，我想至少在 BFR 版本中人們會過得不錯。

BFR 主體

飛船的主體也就是推進劑所在的位置，推進劑由冷卻的甲烷和氧組成。當你把甲烷和氧氣冷卻到液化點下時，它們的密度會大幅增加，增幅可達 10% 到 12%，這對推進劑的負載有很大影響。我們預計將攜帶 240 噸甲烷 (CH4) 和 860 噸氧氣。當你着陸的時候，你的方向可能會發生很大的變化，但是你不能讓推進劑在主油箱裡到處晃動，你必須有能夠精確地給主引擎供電的油枕，也就是你在圖 6 中看到的浸泡在燃料箱中的東西。

BFR 引擎

飛船引擎部分包括四個真空猛禽親迎和兩個海平面靜態起飛引擎 (圖 7)。所有 6 個引擎都有萬向支架連接，具有高膨脹率的引擎具有相對較小的萬向架範圍和較慢的萬向平衡率。而兩個中心引擎有非常高的萬向架範圍和非常快的萬向平衡率。你可以用兩個中心引擎中的一個來降落。

當 BFR 着陸時，會有兩個引擎點火，如果一個中心引擎點火失敗，它將能夠成功地依靠另一個引擎着陸。每個引擎中都有很大餘力，因為我們希望着陸風險儘可能接近於零。海平面靜態起飛引擎在海平面上大約有 330 比沖（ISP），上一級引擎是 375 比沖。隨著時間的推移，有可能在 5 到 10 秒內增加特定的脈衝，同時艙室的壓力會增加 50 個大氣壓左右。

BFR 引擎

BFR 加注燃料

為了重新加注燃料，兩艘飛船將在後方交會。它們使用的是相同的交會界面，用來連接發射台上的助推器。我們將重複使用這種交會界面，並重複使用在推進器上使用的推進劑填充線。為了轉移推進劑，它變得非常簡單。你朝某個方向加速，推進劑也會跟隨，你可以很容易地將推進劑從油輪轉移到飛船上。

火箭能力

下圖為我們展示了火箭的大致有效載荷能力，從最低載荷開始，獵鷹 1 號有效載荷為半噸，最終 BFR 可達到 150 噸。我認為很重要的一點是，BFR 比 Saturn V 更強大，且可重複使用。但更重要的是，發射成本更低。

火箭負載能力，即將有效載荷送到近地軌道的能力。BFR 具有比 Saturn V 更大的有效載荷能力，同時可以完全重複使用

當你看到這些火箭的邊際發射成本時，它們可能與有效載荷顛倒過來。我知道，乍一看這可能很可笑，但事實並非如此。飛機也是如此。如果你買了一架小型的單引擎渦輪螺旋槳飛機，需要 150 萬到 200 萬美元。而從美國加州到澳洲的 747 往返包機需要 50 萬美元。單引擎渦輪螺旋槳飛機甚至無法到達澳洲。因此，像 747 這樣完全可重複使用的巨型飛機，其成本是可消耗的小型飛機的 1/3。

在某些情況下，你必須製造整架飛機。而在其他情況下，你只需要補充一些東西。我們製造這些複雜的火箭，然後每次飛行都讓它們崩潰，真是太瘋狂了。我無法強調可重用性是多麼重要，我經常會被告知，「如果你讓它（火箭）犧牲，可以得到更多的有效載荷。」我承認：「是的，如果你把起落架、襟翼以及降落傘卸下來，你還可以從飛機上得到更多的有效載荷。但那將是瘋狂的，你可能賣不出去一架飛機。因此，可重用性是絕對重要的。」

發射成本：由於完全可重複使用，BFR 每次發射時都提供最低的邊際成本，儘管其容量遠遠高於現有火箭

加注燃料的重要性

現在我想談談軌道加注燃料的價值，這也是非常重要的。如果你只讓 BFR 飛到軌道，並且不加注燃料，這是相當好的。你可以將 150 噸有效載荷送到近地軌道，但卻沒有燃料去其他任何地方。

然而，如果你發射了加油機並在軌道上重新加注燃料，你就可以重新加滿油箱，然後再把 150 噸有效載荷運送到火星。如果這艘油輪有很高的再利用能力，那麼你就只需要支付推進劑的成本，而氧氣和甲烷的成本都非常低。重新在軌道上為飛船加注燃料的花費很少，你可以將 150 噸有效載荷送到火星。所以自動對接和軌道加注燃料是絕對的基礎。

為 BFR 籌資

回到「我們如何為這個系統買單?」的問題。我們有些客戶是保守的，他們希望看到 BFR 飛行幾次，然後才可以放心地啟動它。所以，我們的計劃是按部就班進行，首先製造獵鷹 9 號火箭和龍飛船，這樣可以讓客戶放心。如果他們想使用舊火箭或飛船，他們可以這樣做，因為我們有很多庫存。但是我們所有的資源都會轉向建造 BFR：我們相信，我們可以通過發射衛星和為空間站服務獲取收入來實現這一目標。

衛星

對於衛星發射行業來說，這種直徑達 9 米的巨型運載火箭是十分龐大的。實際上，我們可以把直徑近 9 米的東西送入軌道。例如，如果你想製造新的哈勃望遠鏡，你可以發射 10 倍於當前哈勃表面的整塊鏡片，而不再需要摺疊。你還可以發射大量的小型衛星，四處飛行收集舊衛星或者清理太空垃圾，這可能是我們將來要做的事。將來，我們可以發射更大的地球衛星，或發射數量更龐大的衛星。

地球軌道上的衛星發射

國際空間站

BFR 也可以為空間站服務。我知道，相對於空間站來說，BFR 看起來有點兒大，但是航天飛機看起來也很大，而後者也發揮了巨大作用。BFR 將可以接手「龍飛船 1 號」向空間站運送補給的任務，也可以代替「龍飛船 2 號」運輸船員和貨物。它甚至可以延伸到更遠的地方，比如前往月球。

與國際空間站對接

月球任務

根據我們的計算，我們實際上可以實現登陸月球表面的任務，即使月球表面無法生產推進劑。如果我們在高橢圓軌道上為飛船和油輪做個高橢圓形的停泊軌道，我們就可以直飛到月球，然後無需在月球上補充推進劑返回。我認為這將有助於建立月球基地或某種衛星基地。現在（指去年）已經是 2017 年，我們應該有個月球基地了。

建立月球基地

月球登陸任務

火星

成為多星球物種比成為單一行星物種更重要。我們將從發射火星任務開始，在火星上，飛船顯然會降落在布滿岩石的地面或塵土飛揚的地面上。

火星運輸體繫結構

這和我之前提到的方法差不多，就是把飛船送入軌道，重新加注燃料，直到它加滿燃料，然後再飛到火星並着陸。對於火星來說，你需要在上面生產推進劑。火星上有含二氧化碳的大氣層和大量的水冰，你可以用薩瓦蒂耶爾工藝（Sabatier Process）製造 CH4 和 O2。我要提一下，從長期來看，這也可以在地球上完成這個過程。

有時我會聽到一些批評的聲音:「為什麼你在火箭里使用燃料，而你卻製造電動汽車?」我也希望有能製造電動火箭，只是現在還不行。從長期來看，你可以使用太陽能從大氣層中提取二氧化碳，並將其與水結合，為火箭製造燃料和氧氣。我們將來也可以在地球上這樣做。

火星運輸體繫結構

與月球相似，你也可以登陸火星，但火星面臨的棘手問題在於我們需要建造推進劑補給站，來重新為燃料箱加滿燃料以返回地球。因為火星的重力比地球要低，所以你不需要推進器，你可以使用飛船從火星表面一直飛到地球表面。你返回時需要的最大有效載荷為 20 到 50 噸。

進入火星

對於登陸火星，你進入其大氣層的速度非常快，每秒可達 7.5 千米。對於火星來說，其大氣層會燒蝕隔熱罩，這有點兒像剎車墊磨損。它是個多用途的隔熱罩，但與地球操作不同的是，它的熱度足以讓你親眼看到隔熱罩出現磨損。

火星登陸

因為火星有大氣層，雖然不是特別稠密的大氣層，但你可以從空氣動力學上移除幾乎所有能量。我們已經用獵鷹 9 號多次證明了超音速逆行推進技術，所以我們對此並不擔心。

火星任務目標

我們的目標是在 2022 年完成第一次貨運任務。我們已經開始建造這個系統，主燃料罐已經被訂購了，設施正在建造中，我們將在明年（指 2018 年）第第二季開始建造第一艘飛船，預計在 6 到 9 個月時間裡完工。我確信我們能完成這艘船，並準備在 5 年內發射。對我來說，五年似乎是很長的一段時間。在這段時間內，資源應該能夠滿足這個時間框架，即使不能滿足，我想很快也會實現。地球 - 火星同步大約每兩年發生一次，所以每兩年就有一次飛往火星的機會。

最初的火星任務目標

然後是 2024 年，我們想試着駕駛四艘飛船前往火星，包括兩艘客運飛船和兩艘貨船。第一個任務目標是找到最好的水源，第二個任務目標是建造推進劑工廠。屆時，我們在火星上將有 6 艘飛船，並有足夠物資建立推進劑倉庫，包括大型的太陽能電池板，然後進行採礦和提煉水，獲得大氣層中的二氧化碳，製造和儲存深度低溫的甲烷和氧氣。

火星基地

基地最初可能只是一艘飛船，然後是多艘飛船，接着開始建造城市，並不斷擴大城市。隨著時間的推移，我們將改造火星，並使之成為適合生存的地方。

火星基地建設進展

這是一幅美麗的場景。你知道在火星上，黎明和黃昏是藍色的，而白天則是紅色的。

火星殖民地

地球運輸

但還有別的東西。如果你建造了一艘能夠到達火星的飛船，如果你想乘坐這艘飛船從地球的一個地方飛到另一個地方會怎麼樣？我們研究了這個結果，結果非常有趣。

地球飛行

在地球上使用 BFR 系統，我們可以每小時 2.7 萬公里的速度行駛。在最後的下降過程中，推進着陸變得非常重要。大多數人認為的長途旅行將在不到半小時內完成。前往太空不再是科學幻想，即使你穿越了大氣層，也不會有任何不適感，沒有動盪。如果我們能建造這個東西去月球和火星，那麼為什麼不能去地球上的其他地方呢？

『新聞來源／華爾街見聞』