(原标题:聊聊星舰——写给每一位抬头仰望星空的少年)
对于这颗蓝色星球上的每一位航天爱好者来说,今晚都是个特别的时刻。无数人心心念念的星舰,将开启自己的第一次轨道发射尝试。
当然,按照以往的经验,发射前宣布延期的概率不小,而即使能够成功点火、离开发射台,这个重达几千吨的庞然大物,也不见得有机会飞入预定轨道——实事求是的说,各种可能性都是存在的。马斯克预测成功概率有50%,已经是很乐观的估计了。
但,无论如何,想要让飞向火星的梦想照进现实,人类就总归需要迈出第一步。
写一点东西作为纪念,留给二十年后的自己,也分享给雪球上每一位曾经抬头仰望星空的少年。
一、星舰的基本概念
注:这部分内容主要是写给对星舰和航天感兴趣,但之前没有太多了解的人。资深航天迷可以直接跳过。等第一次发射(成功?)结束,我会另开一篇,写写自己的感受和展望。
1、星舰是人类有史以来建造的最大的航天器,尺寸和重量都超过了阿波罗登月所用的土星五号。具体来说,120米的高度大概相当于40层楼,5000多吨的起飞重量,大致上和一艘中型的导弹驱逐舰近似,所以称作“星舰”并不存在任何的夸大。整个星舰运输系统可以分为三部分:第零级是指地面的发射架/回收所用的筷子,第一级是指超重助推器,第二级则是星舰本体,也就是真正进入轨道的航天器。
2、星舰是人类历史上第一个完全可重复使用的航天载具。在星舰之前,航天飞机的机体是可重复使用的,但主燃料箱和助推器都是一次性的。SpaceX引以为傲的猎鹰九号,实际上也只实现了第一级和整流罩的可重复使用,而上面的第二级仍然是一次性的。可重复使用的意义,主要是不需要每发射一次都得报废一个完整的火箭,因此可以极大的降低载荷的入轨成本。
3、星舰的最终设计目标,是把每公斤载荷的入轨成本降低2-3个数量级,也就是达到目前成本的百分之一到千分之一的水平。目前我们往近地轨道发射1公斤的载荷(譬如把我现在使用的这台笔记本发射到轨道上),成本大概在2万美金左右(不精确,大致范围),相当于,把一个体重100kg的胖子(好吧,就是我)射入轨道,单纯发射这部分的成本就得200万美元(实际要去空间站上玩一圈,票价还要高得多,通常是几千万美元/人),而在星舰大规模使用之后,入轨成本有望将降低到几千美元的量级(按上面的比例大致估算,太空游的票价有可能会降到几十万人民币的水平)
4、之所以能实现如此巨大的成本降幅,主要是基于一个很简单的事实:在人类现有的一次性火箭的发射过程中,因为燃料的消耗所产生的成本,通常不超过整体成本的1%,打个比方这枚火箭发射一次的价格是1亿美元,真正消耗在液氧和煤油/甲烷/液氢上的成本,可能也就不超过100万美元,其余的9900万美元实际上是被只能使用一次的舰体制造成本给白白消耗掉了。所以,如果这枚火箭有办法重复使用10次(先不考虑每次发射后的保养维护),那么每次的发射成本可能就降低到了1090万美元,如果能重复使用一百次,则可以降低到199万美元,而星舰的设计,是以能重复使用上百次甚至更高的次数为目标的,这样就可以带来入轨成本的巨幅下降。
5、星舰的设计当中有两个特征是非常激动人心的,第一个是快速重复发射能力,譬如说超重助推器发射并回收之后,经过简单的检查马上再次加注燃料,进行第二次发射,有可能前一艘星舰还在轨道上没回来,下一艘星舰又飞上去了,有点像是每小时发一班的城际客车的感觉;第二个是在轨加油能力,打个比方我想坐星舰飞往火星,但是燃料不够,可以先把火星星舰发射上去,在地球轨道上待命,然后快速的循环发射若干个轮次的加油舰上去,给轨道上的星舰进行“空中加油”,等燃料装满之后,再让星舰离开地球轨道飞往火星。基于这样的方式,理论上说,星舰可以成为穿梭于整个太阳系内的重型运输工具。
二、星舰的首次发射会成功吗?
首次发射能否成功,主要取决于你对于成功的定义。
先说明一下,首次发射时,超重助推器和星舰舰体都不会进行回收,所以第一次发射主要就是验证两件事:是否能够成功入轨、以及再入大气层时会不会解体。
从目标实现的难度上排序,大概是这样:
1、成功离开发射架没有原地爆炸(很重要,意味着马斯克不需要花钱重新盖一个)
2、越过Max-Q最大动压点(至少起飞阶段应该就不会炸掉了)
3、一二级顺利分离(意味着超重助推器的首次飞行基本成功了)
4、星舰进入预定轨道(大成功!测试目标实现了80%)
5、一级助推器受控降落(最终还是会掉海里,但是到海平面的时候速度基本降到零,而不是啪的一声砸到海里,考虑到猎鹰九的丰富经验,这事儿挑战其实不算太大)
6、星舰再入大气层,成功减速而没有发生空中解体(近乎完美,可以说实现了99%的目标)
7、星舰受控降落(这个环节据说第一次发射不会有,但假如有1%的可能性呢……小小期待一下)
作为一个星舰的死忠粉,我个人的期待是,第一次试飞,能够越过MAX-Q,就算功德圆满了。其他的目标,每多实现一个都是白赚的。
如果今晚的发射能够顺利入轨并返回大气层,那么保守估计,SpaceX仍然需要1-2年的时间,完成首次真正意义上的两级全回收的发射,那个点上才能说星舰这东西真正做成功了。
而要做到载人飞行, 以及传说中的间隔时间48小时以内的快速重复发射,我个人预计,大概还得有3-5年的时间。
三、星舰将如何影响普通人的生活?
说实话,相对于计算机、移动互联网以及今年火热的AI,三五年内,星舰对于普通人的生活并不会产生那么剧烈的影响。但长期来说的话, 还是会给整个人类社会产生不少全新的可能性:
1、太空旅游。包括纯粹为私人开设的近地轨道太空酒店和月球度假酒店,让普通人也可以体验一把当宇航员的感觉,这个应该在20年内就可以实现了。下一代的小孩子们,可以憧憬一下长大后去月球上度个假什么的;
2、外星探索。严格说包括月球、火星、木星和土星的卫星等地外星球的探索,以及载人登陆,这个感觉有点像现在普通人谈起南极科考站那种,虽然绝大多数人还是去不了,但是还是可以有少数的精英去进行科学研究和探索。马斯克的火星殖民也包含在这个范畴当中。
3、商用和私人太空站。最顶尖的富豪,将会以拥有私人空间站为荣,有点像是现在顶级富豪买一艘豪华的私人游艇那种感觉,应该也会有私人太空船,但并不是说自己买一艘星舰,而是会出现某种私人使用的轨道驳船,有钱人先乘坐大号的星舰飞往公共空间站/太空码头,然后在公共空间站开着自己的私人轨道驳船前往自己的私人空间站,这应该会成为某种身份和权势的象征。
4、科学研究。靠着星舰巨大的载荷仓和低廉的入轨成本,像詹姆斯韦伯那种科学研究神器可以像下饺子一样的大批发射,人类对于整个宇宙的研究和探索会进入一个全新的阶段。然后基于太空的微重力环境,据说也能够给材料科学研究带来一些全新的可能,这个我也不专业,就不展开了。
5、星链通讯。这方面有SpaceX的星链打样,就不用再啰嗦了。各种各样的类星链服务会不断的冒出来,人类的网络连接能力会被进一步加强,不管你在深山老林还是在万米高空。
6、太空能源和采矿。这个就比较科幻小说流了,理论上可行,实际上多久能实现说不好。主要是从经济上能否算得过账来。
四、一点感想与补充
1、SpaceX是美国公司,员工貌似也都是美国籍,所以很多小伙伴对于星舰的看法有点矛盾。但你要知道,长征九号的最新构型设计其实就是对标星舰的,星舰如果能成功,就相当于长征九号节约了可行性研究的时间和成本,这对于中国航天是好事而不是坏事。何况,面对这无垠的太空,我们首先是人类,其次才分为不同的国籍。科技的进步,最终一定是属于全人类的。
2、受科幻小说和热门电影的影响,有些朋友认为太空电梯和无工质推进才是“正道”,而“落后的化学火箭”是要被淘汰的……哈哈,这个,如果太空电梯和无工质推进真的实现了,我绝对赞成把星舰扔到历史的垃圾堆里,马斯克肯定也是这么想的。但首先我们需要区分科学和科幻的区别,太空电梯和无工质推进目前都属于纯正的科幻,其背后所需要的材料以及物理学原理还没有被发现,所以起码在可预见的未来(远了不敢说,五十年之内),人类还是要依赖于力大砖飞的化学火箭的。那句话怎么说的来着,要仰望星空, 也要脚踏实地,对吧。
3、今年,我们已经看到了AGI的第一束曙光,很快,又要亲眼见证全新的太空工业时代拉开序幕。作为寿命短暂的碳基生命,有幸生在这个时代,能够见识到各种伟大的科技进步,能够看到人类文明不断的扩展和进化,这是一桩令人兴奋的事情。每当仰望星空,我总觉得,在这浩渺无垠的宇宙当中,我虽然只是一粒不值一提的尘埃,却也自有其存在的意义所在。
今晚,以及之后的许多个日子里,让我们一同见证历史。祝星舰好运!
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