马斯克详解火星移民计划：2024年火星上将有6艘飞船

图1、SpaceX创始人埃隆·马斯克

凤凰网科技讯 据国外媒北京时间3月27日报道，SpaceX和特斯拉创始人埃隆·马斯克（Elon Musk）曾在去年9月份提出了雄心勃勃的火星移民计划，当时便引起全世界的关注。近日他又在《新太空》（New Space）杂志网站上撰文，详细阐述了这一计划。以下即为文章全文：

成为多行星物种

本次报告将涵盖我们当前所称的BFR重型火箭的最新设计。在此次报告中，我想传达的最重要的信息是，我认为我们已经找到了为建造BFR重型火箭筹集资金的方法。这一点非常重要。在去年的陈述报告中，我们确实正在想方设法为BFR重型火箭募集资金，并且提出了各种各样的方法，比如众筹等。这些方法都没有取得成功，但现在我们认为已经找到了实现这一目标的方法。

我们的最新设计充分利用了一款更小型的运载火箭，但实际上它依旧相当庞大，可以做一切进行更大规模地球轨道活动所需要的事情。我们基本上想让现有的运载火箭变得“无足轻重”，希望建立一套系统（由火箭推进器和飞船组成）来替代“猎鹰9号”、“猎鹰重型”火箭以及“龙”飞船。如果我们能做到这一点，那么所有用于“猎鹰9号”、“猎鹰重型”火箭以及“龙”飞船的资源，都可以应用于这套系统。这是最基本的条件。

具体进展

深冷液氧罐

这个深冷液氧罐其实是一个直径达12米的庞然大物——从图1中可以看到它的相对大小——体积达到1000立方米，加压体积超过A380。我们还开发出全新的碳纤维矩阵，而且比以前的任何东西都更坚实，在深冷状态下的性能也空前强大，可以储存1200吨液氧。

图2、SpaceX开发的深冷液氧罐

我们成功测试了深冷液氧罐的设计压力，还在此基础上更进一步。我们想知道它会在何种情况下裂开，我们成功地做到了这一点。它向上飞了大约300英尺（约合100米），然后降落在海里，我们把它打捞了出来。如今，对于如何制造能盛放低温液体的巨型碳纤维氧气罐的方法，我们已经有了充分了解。这对于制造轻型载人飞船来说确实极为重要。

“猛禽”火箭引擎测试

下一个关键因素就是火箭引擎。我们必须造出非常高效的火箭引擎，而我们认为“猛禽”将是有史以来推力重量比最高的火箭引擎。我们已经在42次“猛禽”主引擎测试中累计点火1200秒，最长一次持续100秒的时间。它还可以持续点火超过100秒——这取决于测试燃料罐的大小。在火星上着陆的持续点火时间大约是40秒。“猛禽”测试引擎目前可在200个大气压下运行，飞行引擎则可承受250个大气压，我们相信随着时间推移，最终可能会承受超过300大气压。

不断完善推进着陆系统

再下一个关键因素便是推进着陆（propulsive landing）。为了能在月球这样没有大气层、也没有跑道的地方降落，或是在火星上降落（大气太稀薄，即使上面有跑道，固定翼飞机也无法安全降落），我们也必须要拥有完美的推进着陆系统。

我们已经在“猎鹰9号”火箭上测试了推进着陆。在我做本次报告之前，SpaceX已经16次成功着陆。“猎鹰9号”的最终着陆总是利用单一引擎完成的——如果有了BFR重型火箭，我们便将始终具有多引擎能力。如果你能在单引擎情况下实现非常高的可靠性，而且还可以使用两个引擎中的任何一个着陆，那么我认为我们可以实现媲美最安全的商用客机的着陆可靠性。

图3、“猎鹰9号”成功完成推进着陆

“猎鹰9号”也可以实现高精度着陆。事实上，我们相信当前的精确度已经足够高，甚至在下一个版本中不再需要着陆架。

发射率

当你认真考虑在火星、月球或其他地方建立自给自足的定居点时，你最终需要数千艘太空船以及上万次燃料加注行动。这意味着，你每天必须保证多次发射。在计算太空船起降时，你需要做到分秒必争，而不是去查看日历。因此，尽管按照常规标准SpaceX发射率已经相当高，但与最终需要的发射率相比，仍然很低。

图4、目前为止的发射率以及2017/2018年预期发射率

交会与对接

自动交会与对接同样是一项至关重要的技术。为了在轨道上为太空船加注燃料，你必须能够与太空船进行高精度交会对接，而且还要确保推进剂的安全加注。正因为如此，我们在不断对“龙”飞船的相关技术进行完善。“龙1号”飞船将可以实现自动交会与对接，不需要国际空间站中的宇航员进行任何操控。

“龙1号”飞船目前使用加拿大机械臂（Canadarm）与国际空间站对接。“龙2号”飞船将于2018年发射，它将不再需要使用加拿大机械臂，而是直接与国际空间站对接，而且整个对接全程都无需宇航员帮忙。你只要按下“go”按钮，它就会进行对接操作。

“龙”飞船还让我们不断完善热屏蔽技术。当飞船高速进入大气层时，它几乎会融化任何东西。流星之所以没有到达地球，原因就是它们在到达地面之前就被融化或分解了，除非它们的体积非常大。我们必须开发出先进的热屏蔽技术，以便能承受难以置信的高温——这是我们一直在完善的一项技术，也是任何行星殖民系统的重要组成部分。

运载火箭演变过程

“猎鹰1号”

“猎鹰1号”是我们一切太空探索工作的起点。很多人最近才听说SpaceX，所以他们可能认为“猎鹰9号”和“龙”飞船是凭空出现的，但事实并非如此。我们的团队在最初组建时只有几个人，并且不知道怎么造火箭。我之所以成为SpaceX首席工程师或首席设计师，原因不是我想承担这种角色，而是因为招不到人。

没有人愿意加入其中，我只好勉为其难，发挥这种作用。我搞砸了前三次发射——三次发射都失败了。幸运的是，第四次发射成功了，那次发射耗尽了我们为“猎鹰1号”筹集到的最后一笔钱，如果没有发射成功，SpaceX的命运恐怕会被彻底改变。有意思的是，今天是第四次发射的九周年纪念日。在有人提醒我之前，我并未意识到这个不同寻常的日子，的确让人激动不已。

“猎鹰1号”是一种小型火箭。在开发“猎鹰1号”的时候，我们真的在想：“我们能送入地球轨道上的最小有效载荷是多少？”我们认为，将大约半吨重的物体发射到近地轨道，应该是没问题的。这恰恰就是“猎鹰1号”的有效载荷，与“猎鹰9号”相比，它的尺寸真的很小。

“猎鹰9号”

具体到有效载荷，“猎鹰9号”比“猎鹰1号”多出30倍。“猎鹰9号”已经可以重复使用主助推器，后者也是火箭中最昂贵的部分。幸好，“猎鹰9号”不久也将可以重复使用整流罩，即火箭的前锥体。我们认为，“猎鹰9号”火箭有70%到80%的部分可以重复使用。

猎鹰重型火箭

我们希望能在今年年底时发射猎鹰重型火箭。事实上，这种火箭比我们最初想象的要复杂。听起来，发射猎鹰重型火箭似乎很容易，因为它是两个“猎鹰9号”第一级与作为助推器的中间第一级绑在一起的。但实际上并不是那么轻松，除了上面级，我们不得不重新设计其他所有部分，以增加有效载荷。猎鹰重型火箭比我们预想的更新，所以我们花了更长时间才开发完成。但助推器现在已经过测试，它们正在被运往卡纳维拉尔角的路上。我们现在开始全力开发BFR重型火箭。

图5、从左至右分别是“猎鹰1号”、“猎鹰9号”、“猎鹰重型”火箭和BFR重型火箭

BFR

从图6可以看出，BFR和其他运载火箭的有效载荷差异非常显著。BFR是一种可完全重复使用的运载火箭，在不经过轨道燃料加注的情况下，我们预期它可以将150吨的有效载荷送入近地轨道。相比之下，猎鹰重型火箭的有效载荷约为30吨，而且只有部分组件可重复使用。这在很大程度上造成了巨大的成本差异。

图6、“猎鹰1号”、“猎鹰9号”、“猎鹰重型”火箭和BFR重型火箭的有效载荷（单位：吨）

BFR确实是一种十分庞大的运载火箭，主体部分直径约为9米，助推器由31台“猛禽”引擎驱动，可产生约5400吨推力，将4400吨重的火箭笔直升起。

BFR飞船概述

BFR飞船长约48米，净重约为85吨。从技术上讲，我们在设计时BFR飞船是75吨，但质量增加是不可避免的事情。这艘飞船将可以携带1100吨推进剂，发射时有效载荷为150吨，返回地球时有效载荷50吨。你可以把它想象成是“猎鹰”火箭上面级与“龙”飞船的结合物。

在图7，你可以看到BFR飞船后面的引擎部分、中间的推进剂舱和前面的有效载荷舱。有效载荷舱实际上有8层楼那么高。事实上，你可以将一大堆“猎鹰1号”火箭放入BFR有效载荷舱。与我上次展示的设计相比，大家会看到BFR火箭后面有个小三角翼，它可以扩大BFR飞船的用途。

根据你是着陆还是进入行星或卫星是否有大气层（分为没有大气层、稀薄大气或浓密大气层等三种情况），以及根据你重返地球时前面是否有有效载荷（没有有效载荷、有少量有效载荷、有大量有效载荷），你必须在火箭重新进入大气层时保持平衡。火箭后面的三角翼可以让我们控制俯仰角（pitch angle），尽管在最前端有不同的有效载荷或大气密度。我们尽量避免使用三角翼，但它是必要的装置，可以增强飞船的能力，这样它就可以在太阳系的任何地方着陆。

图7、BFR主体部分

BFR货物/客舱区

BFR货物区的压力体积为825立方米，超过了A380的增压区域。BFR能够携带巨量有效载荷。在探索火星的任务中，你在理想状况下至少需要3个月时间，甚至最多6个月时间，所以你可能需要小舱室而不仅仅是一个座位。这种情况下，BFR将由40个太空舱组成。如果在每个太空舱能塞下五六个人，那么会装很多人，但我认为大多数情况下每个太空舱只会装2到3人，或者每次将100人送入火星。BFR上面有中央储存区和厨房，以及预防太阳风暴侵袭的区域和娱乐区，我想搭乘BFR进行太空游，会是一种美好的体验。

BFR主体

BFR飞船主体也是推进剂所在的位置——推进剂由经过冷却的甲烷和氧组成。当你把甲烷和氧气冷却到一定程度的时候，它们的密度会大幅增加，增幅可达10%到12%，这对推进剂有很大影响。我们预计BFR飞船将携带240吨甲烷和860吨氧气。当飞船着陆的时候，方位可能会发生很大的变化，但是你不能让推进剂在主油箱里到处晃动，你必须有能够精确地给主引擎供电的扩油器，也就是在图7中看到的浸泡在燃料箱中的东西。

BFR引擎

BFR飞船引擎由四台真空“猛禽”引擎和两台海平面引擎（sea-level engine）组成。这6台引擎都有万向支架连接。高膨胀比（expansion ratio）的引擎具有相对较小的万向架范围和较慢的万向平衡率。而两台中心引擎都有非常高的万向架范围和非常快的万向平衡率。你可以用两台中心引擎中的一个来实施降落。

当BFR着陆时，会有两台引擎点火，如果两台中心引擎中的一个点火失败，它将能够成功地依靠另一台引擎着陆。每台引擎中都有很大的冗余度，因为我们希望着陆风险尽可能接近于零。海平面引擎在海平面上大约有330比冲（ISP），上面级引擎是375比冲。随着时间的推移，有可能在5到10秒内增加特定的脉冲，同时太空舱压力会增加50个大气压左右。

图8、BFR引擎

BFR加注燃料

为了加注燃料，两艘飞船的尾部将进行对接。它们使用的是相同的对接界面（mating interface），在飞船发射升空时与助推器连接。我们将会重复使用对接界面，重复使用推进剂填充线。为了传输推进剂，整个过程非常简单——利用控制助推器，让你想要排空燃料的方位加速。如果你朝着这个方位加速，助推剂也会朝着那个方向运动，你就可以很容易地将推进剂从油箱传输到飞船。

火箭性能

图9向我们大致展示了火箭性能——“猎鹰1号”的有效载荷为半吨，BFR重型火箭的有效载荷可达到150吨。我认为很重要的一点是，BFR比“土星5号”运载火箭还强大，而且可重复使用。但更重要的是，发射成本更低。

图9、火箭将有效载荷送到近地轨道的能力。BFR的有效载荷能力超过“土星5号”运载火箭，而且可以完全重复使用

当你分析这些火箭的边际发射成本时，次序就颠倒过来。乍一看可能很可笑，但事实并非如此。飞机也是如此。如果你买了一架小型单引擎涡轮螺旋桨飞机，可能花费150万到200万美元。而从美国加州到澳大利亚的747往返包机需要50万美元。单引擎涡轮螺旋桨飞机甚至无法到达澳大利亚。因此，像747这样完全重复使用的巨型飞机，其成本是小型飞机的1/3。

有些时候，你必须制造整架飞机。也有些时候，你只需给飞机加注燃料。令人感到疯狂的是，我们费尽心力造出这些复杂的火箭，但每次飞行都会坠毁。我无法强调可重复使用是多么重要，但我经常被告知，“如果你让它具有可重复使用性，便可以获得更多的有效载荷，”我承认，“如果你把起落架、襟翼以及降落伞卸下来，你还可以从飞机上得到更多的有效载荷。但此举是疯狂的，你可能卖不出去一架飞机。因此，可重复使用性绝对是重要的。”

图10、发射成本：由于完全可重复使用，BFR每次发射的边际成本都最低，尽管其有效载荷远远高于现有火箭

加注燃料的价值

现在，我想谈谈轨道加注燃料的价值，这一点也是非常重要的。如果你只让BFR飞船飞到轨道，并且不加注燃料，这是相当好的。你可以将150吨有效载荷送到近地轨道，却没有燃料去其他任何地方。

然而，如果你将油箱送入轨道并加注燃料，你就可以重新加满油箱，然后再把150吨有效载荷运送到火星。如果油箱具有很高的可重复使用性，那么你只需支付推进剂的费用——氧气和甲烷的成本都非常低。如果这一切你都可以应对，那么在轨道为飞船加注燃料的花费很少，你可以将150吨有效载荷送入火星。所以，自动对接和轨道加注燃料是非常重要的事情。

为BFR筹集资金

再次回到“我们如何给这个系统筹集资金？”的问题。这的确是一个意义深远的问题——我不会称之为突破，而是想要实现的事情——如果我们能建造一套能利用自有产品的系统，让我们的自有产品变得多余，那么我们所有的资源都可以应用于一套系统，无论是“猎鹰1号”、“猎鹰9号”、“猎鹰重型”火箭，还是“龙”飞船。

我们有些客户是保守的，他们希望看到BFR多次飞行，然后才可以放心发射。所以，我们的计划是同时制造“猎鹰9号”和“龙”飞船，给客户选择的余地。如果他们想使用旧火箭或旧飞船，他们可以这样做，我们有很多火箭库存。但是，我们所有的资源都会转向BFR制造；我们相信，我们可以通过发射卫星和为空间空间站服务获取收入来实现这一目标。

卫星

直径达9米的新一代巨型运载火箭实在是太大了。实际上，我们确实可以把直径近9米的东西送入轨道。例如，如果你想制造新一代“哈勃”望远镜，你可以发射10倍于当前“哈勃”表面面积的整块镜片，而不再需要折叠。你还可以发射大量小型卫星，到处收集旧卫星或者清理太空垃圾，这可能是我们将来要做的事。

图11、地球轨道上的卫星

国际空间站

根据设计，BFR也可以为国际空间站提供服务。我知道，相对于国际空间站来说，BFR看起来有点儿大，但是航天飞机看起来也很大，所以大小并不是问题的关键。BFR将可以接手“龙1号”飞船向国际空间站运送补给的任务，也可以代替“龙2号”飞船运送船员和货物。它甚至可以前往更远的地方，比如月球。

图12、与国际空间站对接

登月任务

图13、建立月球基地

根据计算，我们实际上可以实现登陆月球表面的任务，即使月球表面无法生产推进剂。如果我们在高椭圆轨道上为飞船和油箱做个高椭圆形的停泊轨道，我们就可以一路飞到月球，而且无需在月球上补充推进剂即可返回。我认为这将有助于建立月球基地或某种卫星基地。

图14、登月任务

火星

成为多星球物种，比成为单一行星物种更重要。我们将从发射火星探测器开始这一使命——在火星上，飞船显然会降落在布满岩石或尘土飞扬的地面上。

火星运输系统

这和我之前提到的方法一样，就是把飞船送入轨道，重新加注燃料，直到加满燃料，然后再飞到火星并着陆。对于火星任务来说，你需要在火星表面生产推进剂。火星上有含二氧化碳的大气层和大量水冰，这会给你带来CO2和H2O，进而采用某种工艺来生成CH4和O2。我应该强调一下，从长期来看，这个过程也可以在地球上完成。

有时，我会听到一些批评的声音：“为什么你在火箭里使用燃料，却又在制造电动汽车?”我也希望能造出电动火箭，只是现在还不行。从长期来看，你可以使用太阳能系统从大气层中提取二氧化碳，并将其与水结合，给火箭制造燃料和氧气。我们在火星上可以做这样的事情，将来在地球上也可以。

图15、火星运输系统

与月球相似，你也可以登陆火星，但棘手之处在于，我们需要在火星上建造推进剂补给站，重新为燃料箱加满燃料以返回地球。因为火星的重力比地球要低，所以你不需要推进器——你可以使用飞船从火星表面一直飞到地球表面。你返回返回时需要的最大有效载荷为20到50吨。

进入火星大气层

若想在火星表面登陆，飞船进入火星大气层的速度必须非常快，每秒达到7.5千米。对于火星来说，其大气层会烧蚀隔热罩，这有点儿像刹车垫慢慢磨损。它是个多用途隔热罩，但与地球探测任务不同的是，它的热度足以让你看到隔热罩出现磨损。

在火星登陆

因为火星有大气层，即便不是特别稠密，你也可以从空气动力学上移除几乎所有能量。我们已经用“猎鹰9号”多次证明了超音速反推进（retropropulsion）技术，所以我们对此并不担心。

火星任务目标

我们的目标是在2022年完成第一次火星货运任务。我们已经开始建造这个系统，主燃料罐的制造工作已经启动，相关设施也在建造中，我们将在明年第二季度开始建造第一艘飞船。因此，我们有望在6到9个月内开始建造这艘飞船。我相信我们能完成这艘飞船的建造，并准备在5年内发射。对我来说，5年似乎很漫长。在这段时间内，资源应该能够满足这个时间框架，即使不能满足，我想很快也会实现。地球与火星的运行轨道大约两年同步一次，所以每两年就有一次飞往火星的机会。

图16、火星任务初始目标

接下来是2024年，我们想要发射四艘飞船前往火星，其中包括两艘载人飞船和两艘货运飞船。第一个任务的目标是找到最好的水源地，第二个任务的目标是建造推进剂工厂。届时，我们在火星上将有6艘飞船，有足够的物资建立推进剂工厂，包括大型太阳能电池板，然后进行采矿和净化水，获得大气层中的二氧化碳，然后制造和存储深冷甲烷和氧气。

火星基地

火星基地最初可能只是一艘飞船，然后是多艘飞船，接着我们开始在火星上建造城市，并不断扩大城市规模。随着时间的推移，在我们的不断改造下，火星将成为一个适合人类生存的地方。

图17、火星基地建设步骤

这是一幅相当美丽的场景。在火星上，天空在黎明和黄昏时是蓝色的，在白天则是红色的，地球则恰恰相反。

图18、火星定居点

地球运输

再谈一谈别的东西。如果你建造了一艘能够到达火星的飞船，如果你想乘坐这艘飞船从地球上的一个地方飞到另一个地方，那又会怎么样呢？我们分析了这件事，结果非常有趣。

图19、地球主要城市时间比较

地球飞行

在地球上使用BFR系统，我们能够以每小时2.7万公里的速度行驶。在最后的降落过程中，推进着陆会变得非常重要。大多数人认为的长途旅行将在不到半小时内完成。太空旅行不再是科学幻想，即使你离开了地球大气层，也不会有任何不适感，没有湍流。如果我们能成功建造这种飞船，用以探索月球和火星，那为什么不去地球上的其他地方呢？（编译/清辰）

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