超级复用火箭BFR能否开启火星征途?

乐橙备用

2018-10-16

  今年年初的重型猎鹰火箭刷新了目前的运载火箭排行榜,但是马斯克的新计划显然更大更强。 他计划着建造史无前例的超级复用火箭BFR,并希望以此开始他的火星征途。 图为BFR超级火箭(来源:SpaceX)  SpaceX的创始人埃隆马斯克多次表达了自己的雄心壮志——“让人类成为多行星的文明”,而SpaceX也正在为他的野心服务,这家公司包括红龙飞船和BFR火箭在内的多项计划都剑指火星。   BFR火箭致力于一次性将大量物资和人员送往火星,并且尽可能降低成本,这是个很复杂的目标,但是SpaceX显然有自己的解决方案。

  首先,前往火星必须要有足够的运载能力。 为满足这一条件,SpaceX公司在BFR一级火箭底部安装了31台“猛禽”甲烷液氧发动机。 图为正在进行地面试车的猛禽发动机  猛禽发动机具有非常卓越的性能,包括较高的推力和节流能力,前者让其能够把硕大无朋的BFR推入轨道,后者则让猛禽发动机能在真空中以尽可能节省燃料的方式启动。

  不过,猛禽发动机的单台推力虽然不小,但还是要比推动土星五号的J-1火箭发动机弱得多,同时,BFR的设计吨位是土星五号运载火箭的数倍之多。

为此,SpaceX的工程师们决定推力不够数量来凑——31台火箭发动机同时工作。   得益于现代的计算机技术,SpaceX能够合理协调多个发动机之间的关系,从而避免出现N1火箭那样的惨剧。   此外,BFR使用了轨道加注技术来增大飞船的行星际运力——BFR火箭将拥有两种载荷,一种是BFS远航飞船,另一种则是近地轨道的加油船。   远航飞船被发射进入地球近地轨道时,其内部的燃料仓事实上没有进行加注,并不能启动发动机前往其他星球。

接下来,BFR会发射多艘无人加油船,这些飞船将与远航飞船进行轨道对接,然后将燃料注入其中。 图为其前往火星的计划(来源:SpaceX)  每艘BFS飞船都能运输上百吨物资和数十名宇航员,飞船上搭载有真空型猛禽发动机来推动飞船加速。 按照计划,飞船在地球-火星轨道窗口期时能仅仅用时一百天抵达火星。   BFS飞船装备有两片扇形太阳能电池板,这些电池板在进入轨道之后会打开,以提供给飞船内部足够的电能。

图为BFS飞船运行于土星轨道的想象图(来源:SpaceX)  多艘满载人员和物资的飞船足以形成一个“远征舰队”,按照计划,他们将在一个窗口期前往火星,随后在火星建设一个小型殖民地。

  殖民者们很容易就能从火星采集到水和二氧化碳,接下来就通过核反应堆或者太阳能板的能量开始催化制造甲烷和液氧,最后将这些甲烷和液氧填装进入BFS的猛禽火箭发动机中,完成从火星到地球的返航。 图为在火星表面发射的BFS飞船的想象图(来源:SpaceX)  最后,为了节约成本,BFR火箭和BFS飞船都沿用了之前的可以进行回收。

据SpaceX称,如此重复使用的BFR火箭单次发射成本仅仅为几千万美元,与一枚猎鹰九号运载火箭的制造成本相似。

  这样的低成本很大程度上得益于猛禽火箭的甲烷燃料,作为一种清洁燃料,其在发动机中很少会留下积碳,大大降低了清理发动机所需的费用和时间。

甲烷的价格相较于航天煤油而言也非常的廉价,甚至有传言称SpaceX考虑直接使用液化天然气作为燃料。

  SpaceX还提出了24小时复用的计划,即为发射升空的BFR火箭降落至着陆场后,进行燃料的再次加注和与二级结构的组装,然后立刻准备再一次发射,这样的一个流程总时长应当被压缩至24小时之内。

  不过,BFR火箭计划看起来虽然很好,但是也有很多人表示了质疑。

首要的问题就是关于经费,众所周知的是,NASA也有自己的超重型火箭和火星探索计划,但是其费用预算却比SpaceX的BFR计划要高出数十倍。

而SpaceX的技术和资源储备显然无法与NASA相比,因此很多人都认为这是一个纸上谈兵的计划。

  另一方面,猛禽发动机所使用的甲烷燃料密度过低,想要制造储存甲烷燃料的储箱并不是一个简单的事情,SpaceX公司正在努力解决这个问题。

图为用于测试的碳纤维燃料储箱(来源:SpaceX)  不管怎么说,SpaceX公司在过去的十几年里一直给大家无数的惊喜,或许这一次,也将还是由他们来完成人类踏上其他星球的历史伟业。   出品:科普中国  作者:矛隼工作室  监制:光明网科普事业部[责任编辑:赵清建]。