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人类离成为跨行星物种还有多远? 精选

已有 2749 次阅读 2024-3-21 06:28 |系统分类:观点评述

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凯文·凯利曾经指出,同步独立创新是常态,区别在于执行。天才企业家的独到之处不止于发明了某款产品,而是创建了整个系统。在爱迪生之前,有32位电灯泡发明家,但爱迪生发明了电力系统。他的天才之处在于他设计的不是灯泡而是由电网、发电机等组成的整个电力系统。他是一位营销天才,他让电灯泡变得实用而真实。但他不是唯一这样做的人。马斯克和乔布斯在某种程度上也是这样的人。iPhone不是第一台智能手机,在它之前还有其他智能手机。乔布斯也是一个营销天才,他开发出了最适合市场的特殊产品。同样,马斯克并不是第一辆电动汽车的创造者,他所从事的火箭发射也并不新鲜,他并没有发明什么,但他成功制作了特斯拉这个很吸引人的电动车版本,他的规划和驱动力也为Space X打下了个人印记,所以我们记住了他。系统、产品、品牌……这涉及到很多方面,是一个商业问题。即使这些人没有做出这些产品,也会有人做出类似的产品。设计在很大程度上是由个人驱动的,不是必然的。

3月20日,我国鹊桥二号中继通信卫星由长征八号遥三运载火箭在中国文昌航天发射场成功发射升空。据介绍,随着中国探月四期工程拉开序幕,未来,鹊桥二号将承载多项使命,助力开展人类首次月球背面自动采样返回工作,后续也将为探月工程提供多项支持。在当晚举行的主题为《星舰:跨行星物种的过去、现在和未来》的思想脱口秀中,中国航天科普大使、中国科学院国家空间科学中心研究员周炳红表达了与凯文·凯利类似的观点。他认为,许多国家都在竞争中发展着火箭技术,包括对火星的探测,这些都为星舰的发展提供了基础。马斯克并非从零开始研制星舰,星舰的发展本质上吸收了全人类火箭发展历程中的相关知识和规律、继承了前人的火箭技术。马斯克能够创造市场需求、说服全世界的人为他的Space X投钱,这其实是比研发火箭技术更困难的一件事。也正是凭借于此,他站到了火箭发射技术的世界顶端。

为什么要发展超重星舰?

人类要成为跨行星物种,移居到别的星球上去,首先需要发现可以移居的星球。但由于距离太遥远了,肉眼根本看不清,要发现太阳系外的可移居星球目前还非常困难。这正是人类需要发展超重星舰的重要原因——对于人类而言,跨行星最重要的一点是要逃离地心引力的作用跨出地球;如果想要离得更远,就得要摆脱太阳的引力。这个过程中,难点在于用足够的能量克服地球或太阳的引力。然而,火箭在漫长时间里的技术突破非常缓慢,人类目前所拥有的火箭就人类移居其他星球的需要而言,还存在很多不足。

几天前,Space X的公司建造的巨型火箭——超重星舰进行了第三次试飞。作为一名专门研究太空重力条件下流体的流动,特别是推进剂的流动及其压力变化的研究人员,周炳红指出,尽管整个试飞过程看起来很顺利,他发现有一个测试目标是仓促添加上去的,那就是——在太空中进行推进剂的转移和加注。在周炳红看来,美国要完成让星舰在2026年9月前飞到月球去的目标,技术上没有问题,时间上却不容乐观,因为星舰要用现在这样两级火箭的构型直接去月球,是不可能实现的——它能提供的速度或能量太少了,当它离开地球的时候,能量就几乎已经要用完,可能还需要经过将近10次的太空推进剂补加(太空加油)。Space X之前接了NASA几亿美元的项目,但一直没有进行推进剂补加,因此很仓促地在第三次试飞中增加了一个相对比较简单的试验,即:在舱内进行推进剂的转移。尽管Space X宣称自己取得了成功,周炳红却认为这次试验是失败的。因为在补加推进剂之前,星舰的姿态已经失控,这会产生离心力,但星舰未来真正要在太空加注推进剂时,整个飞船需要在太空微重力环境下保持静止悬浮的状态,这和这次试验的状态有所差异。其二,星舰返回地球时,按理它的发动机需要反复多次启动,但这次却没有启动,因为舰体已经旋转了起来。周炳红由此判断推进剂已经飘起来了,这使得启动发动机几乎不可能成功。而且,由于推进剂已经飘起来,如果要把小箱子里的推进剂挤到大箱子里去,也无法判断被挤到的位置是不是预期的位置。

周炳红认为,外形和历史上的火箭差异不大的Space X采取了一种不同以往的方式来解决问题,即:反复地大胆试验。

同时,他也指出,世界上几个主要大国都曾在某一历史阶段引领过全世界火箭技术的发展。过去火箭去得最多的是月球,对其他星球很少探测;现在各个国家都在竞争中发展着火箭技术,包括对火星的探测。这些也为星舰的发展奠定了基础。星舰在许多方面很好地继承了前人的火箭技术,它最重要的一个改进,或者说最重要的目标是——降低单位重量载荷的发射成本。人们可以看到,近十年来,由于Space X的重复使用,单位质量发射的成本从1万美元左右降到了两三千美元,未来期望用星舰降到100美元左右,甚至几十美元,这样就有更多人可以进入太空,甚至使月球和火星旅游成为可能。火星上有个好条件就是那上面有稀薄的大气,星舰如果有翅膀,就可以在火星大气中进行减速,从而减少推进剂的使用。

即便如此,周炳红也不认为马斯克说“再过几年就可以把人类送上火星”的话,从目前的技术方案看来是真的可能实现的。因为现在即使是星舰,去火星需要六七个月,回来也要六七个月,但宇航员在有食物的情况下,在载人舱里耐受时间的最高世界纪录也只有438天。因此,这只是马斯克用来营销和吸引投资的广告语。但他确实大大降低了火箭的成本,又把相关技术发挥到了极致,取得的进展是实实在在的。

星舰还有其他更迫切、更大量的需求,可以发挥它的作用。”周炳红说,一个作用是在近地轨道建由几万颗卫星组成的巨型星座,用来改善地球生活。此外,星舰还可以用于开发月球基地、开展小天体采矿、发展特殊的太空工业等。相形之下,波音公司虽然也拿到了美国政府100亿美元的支持,却至今还未有产品入轨。

中国能否发展出“星舰”式火箭?

许多人会问:中国未来有没有可能发展出星舰这样的火箭?周炳红介绍说,中国目前已经有20多家民营火箭公司在研制和星舰或“猎鹰9号”类似的火箭,将在今明两年集中进行首飞。火箭技术其实依赖于一个国家或全球的工业基础,所以中国的民营火箭公司如果有足够的资源投入,在目前已有的工业基础下,技术并不是最难功攻克的问题。这就像国内的电动汽车可以学习特斯拉一样。最困难的其实是大家对这些民营的火箭公司是否有足够的信心和资金注入,在他们的试验失败时,是否还能有信心让它们持续地试错。Space X的投入大约是300亿美元,目前中国民营火箭的投入大约只有10—20亿美元,不到Space X的1/10,但进展效率其实比Space X更高真正值得关注、分析的是,美国政府把钱花在了哪里,这些钱是如何培养他们的人才的?这些人才后来又如何通过服务于Space X等企业的方式促进了美国科技的发展?

未来我们不可能完全依赖星舰式的火箭跨越行星,应该采用多种火箭类型的叠加,追求更多的能量、更高的速度,以及更高的效率。”周炳红指出,尽管技术不是最难攻克的问题,依然有许多技术需要发展。第一项需要发展的技术是建有圆环形结构的大型空间站,可以像过山车一样缓慢地旋转起来,从而模拟地球上的重力。第二是要解决给养问题,因此要发展全密闭的生态系统。这方面,美国曾进行“生物圈I号”和“生物圈Ⅱ号”实验,但当时都失败了。现在做得很好的是北京航空航天大学的“月宫一号”,其闭合度是最高的,超过了美国的“生物圈I号”和“生物圈Ⅱ号”,人可以在其中呆的时间也最长,现在仍继续在进行研究。那里面不仅有植物,还有动物、微生物,可以全链条循环起来,相信先在地面上试验以后,未来可以在月球上由小规模实验逐渐放大,发展人工生态圈技术。

除了这两项技术,还需要有更多的能量,火箭才能更快地飞到火星上去。第一种能量来源是用核裂变的能源烧液氢,这样,只要一个月就可以抵达火星。第二种是用离子推进,它的能源是太阳能,可以实现更多能量的目的。另外,它的效率要高,需要用电磁场来加速。一公斤的推力,只要能连续工作一个月,就可以到达火星。但是现在离子推进的推力还很小,中国和美国都实现了推进一瓶矿泉水的重量,但都还未实现长时间的推进。此外,Space X的推进剂补加是另一个路线,即在人到火星之前,先在火星上用机器人建一家无人工厂。因为在火星的大气中有甲烷,也有二氧化碳,可以把它们做成液氧和甲烷推进剂,这也是马斯克声称他的火箭必须使用液氧甲烷的一个很重要原因,就是为了之后能够在火星上制成推进剂。



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