“硅谷钢铁侠” 答疑 15 问：科幻的火星殖民计划如何实现？
不到一个月前，Elon Musk 在国际宇航大会（IAC）上发表了一篇演讲，主题为 “让人类成为星际公民”。这也是因为他自己一直有个夙愿：殖民火星。
题图来自 Chuansong
在演讲中他也详细地讲述了火星计划——“星际运输系统” 的详细内容：比现有火箭大整整一圈、有着 42 个火箭发动机、还能循环使用 1000 次的 BFR 火箭；能够自行降落起飞、单次中途补给就能往火星运输 450 吨负载的 MCT 飞船；采用全新燃料的星际发动机等等。
除了系统组件之外，Elon Musk 也整体性对整套系统关键要点、规划时间表等数个内容进行了详细说明。（想详细了解那次演讲，可以点击查看爱范儿之前文章）
图片来自 Reddit
昨天（美国时间前天下午 3 点），Elon Musk 亲自登录了著名社交新闻网站 Reddit AMA（Ask me anything）页面，就 “如何成为星际公民” 回答了网友的一系列问题。网友也相当踊跃，在页面中一共留下了 5301 条留言（包括 Elon Musk 自己的留言）。
以下是 Elon Musk 作出的答复以及对应问题（一共 15 条）：
国际宇航大会（IAC）上公布的时间表
1、火星燃料补充需要什么样的设备和程序？初期的无人测试飞行中他们是否会具备 “自主运行” 的能力？是否有计划往 “星际运输系统” 中加入第三个变体，预留一个大的载荷舱，从而允许运输更多货物？
Elon Musk：我们远没有到详细说明计划的时间点，但我们现在的计划是：
1、进行 Dragon（龙飞船）侦测任务，初步确定如何在火星上安全着陆，然后寻找获取水，以便实现在火星表面制作液态甲烷液氧火箭燃料（LOX/Liquid methane）；
2、发射 “金心（Heart of Gold）” 飞船，只搭载火箭燃料工厂所需要的装备；
3、进行第一次有人任务，同时携带必须的装备，完成最基础基地和燃料工厂的建设；
4、尝试在每 26 个月一次的火星发射窗口期加倍发射的飞船数量，直到火星表面能够自我维持。
2、作为一个重要的后续问题，同时也考虑到 “星际运输系统” 飞船结构件的重复利用，火星永久居住设施会采用什么样的结构？
Elon Musk：一开始我们会使用碳纤维骨架在火星地表建造网格拱顶，同时还会加入很多矿道和隧道。通过后者我们能够在增压环境中进行工业作业，并且将玻璃拱顶留给绿色植物。
今年 9 月底 SpaceX 测试的 Raptor 火箭发动机，图片来自 马斯克 Twitter
3、请问 “星际运输系统” 中最为关键也是最为需要的技术是什么？
Elon Musk：我们开发了一种全新的金属合金，它在高温富氧的火箭发动机中仍然具有良好抗氧化性。也让主燃烧室达到了 300 巴的高压，在那种环境中，任何东西都会烧起来。但我们的 Raptor 引擎在测试运行中并没有显示出侵蚀现象，并且还有优化的余地
目前的最大问题是如何密封碳纤维储存罐，因为其保存着低温状态下的燃料，吸收热量之后就会增加内部压力。同时氧气罐也要做好预防措施，因为要对纯氧进行加压，必须在罐体外部应用惰性气体层。希望能够通过喷涂某种材料达到这一目的。如果实在没办法，我们就用几层 “殷瓦钢（含镍元素量 36% 的特殊钢，膨胀系数极小，在 LNG 运输船舱中同样有应用）” 在里面焊接在一起。
4、你认为你们目前已经搞定了什么技术？
Elon Musk：我无法确认现在已经完全搞定了哪一个技术，或许是启动引擎（SpaceX 在 9 月底进行了新 Raptor 引擎的点火测试）……
MCT 飞船
5、目前 “星际运输系统” 内部的可居住区域怎么布局，我们什么时候可以看到效果图？
Elon Musk：我觉得我们需要一个新名字，ITS 这个名字不太行。对于火箭和飞船，我也叫他们 BFR（big fxxking rocket）和 BFS（big fxxking ship），从结果来看还不错，但是……
当我们建立起实际的模型之后，我们应该就会发布居住区的更多细节，可能还需要 1-2 年。
6、作为一个附加问题，“星际运输系统” 中宇航员数量不同的情况（比如 1 个人对比 100 个人）下，配置究竟有多大不同？
Elon Musk：可能只是和货物共享加压空间。早期任务还是主要聚焦在货物之上。第一个有人任务应该会含有 12 名船员，他们的目标是建立和解决燃料工厂，以及火星基地的第一代能源系统。
7、可以透露下 Raptor 发动机在海平面高度的真空推力，以及比冲数据么？“星际运输系统” 火箭可以悬停，它是否会利用这种能力去保证降落成功？“星际运输系统” 的推进器在发射/着陆期间可以承受的最大加速度是多少？
Elon Musk：发动机比冲大致为 360s、推力为 290 吨；高加速度的降落更有效率。除非遇到问题或者意外的风力情况，否则不会有任何悬停。 慢慢着陆的火箭会浪费了大量燃料；我们希望最终的结果能够达到 20g（20 倍地球表面重力加速度）。
“星际运输系统” 执行全过程
8、如果我没记错（网友原话），演示文档中提到飞船返回的时实际加速度会达到 4-5g，这种速度下的飞船不会燃烧并且在空中解体么？
Elon Musk：飞船的加速度一般会被限制在 5g 左右，但也具有 2-3 倍于前面这个数字极限能力，当然前提是不会空中解体。推进器则更厉害一点，一般都能够抵御 20g 以上的加速度，只考虑不解体的话，加速度能够放宽到 30-40g。
9、我很熟悉火星 “控制进场、下降和着陆系统（Entry, descent and landing system, EDL，应用在 ExoMars 探测卫星之上）”。在之前宇航大会上，你曾介绍了新强力推进器 Raptor，它能很好的控制火箭的垂直状态。相对于量身定做的火星环境，“星际运输系统” 在地球环境中的表现如何？原来火箭上的格栅尾翼也没有了，你们将用什么手段来控制火箭的姿态？
Elon Musk：其实飞船拥有特殊的襟翼，能够做出俯仰和滚转，同时我们也将尝试利用推进器来控制火箭的姿态。
10、“星际运输系统” 演示中最令人震惊的事情之一是 SpaceX 准备用碳纤维制作那么大的宇宙飞船。可否介绍更多设计、建造和具体测试的更多信息么？
Elon Musk：没错，对于那些真正理解它意义的人来说，的确是个大新闻。飞船的舱体实际上比已经展示的开发中舱体还要长一点，但是直径完全相同。
他们都是用世界上最新、最大碳纤维预浸料建造的。在理论上，它能够保存低温状态下的火箭燃料，同时还能在没有密封环的情况下保持密闭。从早期测试结果来看，达到预期目标是可以实现的。在接下来的几周里，它将在驳船上承受 2/3 爆炸压力测试。
图片来自 RT
11、可以透露下最终版的 Falcon 9（V1.3）火箭有什么不同？除了火箭的推力从 17 万磅推力上升到 19 万之外，还有什么？Gwynne 前两周曾经提到目前的 Falcon 9 火箭重复使用次数只有 1-2 次，而 V1.3 则可以提升到 10 次。你可以跟我们说下究竟什么因素在限制 Falcon 9 火箭的重复利用么？
Elon Musk：“星际运输系统” 的 BFR 火箭肯定比 Falcon 好不少，因为它的质量和密度都更低，最终的结果是它不会像 Falcon 那么热和快。所以 Falcon 应该作为 BFR 火箭的补充。
最终版的 Falcon 9 火箭经过了很多细微的改进，这些改进都很重要，但是更高的推力和降落脚架是重中之重。
实际上，我认为 Falcon 9 火箭可以机务无限期使用，只要定期维护和仔细检查。Falcon 系列的最终版本会是 Block 5，性能最强并且最易于重复利用，所以用它来替换早期型号肯定是有意义的。Block 5 将在未来 3 个月左右开工生产，并且在未来 6-8 个月进行初次试飞，所以也不会有什么超越 Block 3 和 Block 4 的地面测试，除了实现几次重复飞行。
12、“星际运输系统” 中有两个神秘的球形舱体，在编辑的图片中被标记为绿色。请问他们是用来存储燃料么？还是说他们储存加热之后的气体火箭燃料，并且作为燃料自动加压系统的一部分？或者是他们用来防止轨道推进剂再次液化？
Elon Musk：这些是保存着陆燃料的舱体，他们是分开的，为了能更好的绝缘同时避免蒸发。同时也能减轻震动，避免整个燃料主容器受推进器反作用力向上移动。
13、为什么推进器只有一个燃料仓？
Elon Musk：推进器中的氧气转化管道同时也是头部的液氧存储位置。
BFR 火箭底部的火箭发动机布局
14、“星际运输系统” 的 BFR 火箭有 42 个发动机，所以这会用一个 “虚拟喷嘴” 或 “虚拟空气动力标枪的效果”，这样一来他们可以使用较短的喷嘴，同时内部发动机方向仍然是轴向的。——这个猜测有什么道理么？
Elon Musk：一定要选择 42，有重要的科学和科幻小说（科幻小说《银河系漫游指南》中生命、宇宙以及任何事情的终极答案）原因！
密集的喷嘴排布只是为了最大发挥火箭发动机的推理，但如果能有一个虚拟喷嘴作用，它会更酷。
15、根据在宇航大会上的展示，“星际运输系统” 在携带 150 吨载荷时，返回地球时的速度大约为 7.5 公里/秒。如果载荷进一步减少，它的飞行速度将会超过 9 公里/秒。
可否理解为因为 “星际运输系统” 因为利用一个前所未有的速度在火星和地球之间飞行，哪怕载荷不是关键性物资，也能够在发射窗口之外发射（目前的火星探索有周期性发射窗口，大致间隔为 26 个月）？是否能运输一些紧急物资：医疗器械、专家、或者其它关键性替代品，那些优先但是不重的物资。
Elon Musk：是的。
假如 “硅谷钢铁侠” 在吹牛，这也是一个高质量的牛
题图来自 Businessinsider
看完这些回答，你也许会不禁感叹：Elon Musk 这说的都是啥？为什么我听不懂。
这 15 条回复中不仅含有大量航空学上的术语，同时还有很多非常具体的方案内容，这也与当时 Elon Musk 在宇航大会进行展示上详尽飞船设计结构图所对应。如果，注意是如果，这次回答的真是 Elon Musk 本人，其对整个 “星际运输系统” 的了解完全堪比设计者。
而这一点也可以从 Business Insider 今年 7 月底收集的一份马斯克推荐书单中体现，因为其中不仅有《银河系漫游指南》的著名科幻小说，同时还有两本专门关于火箭方面的书：
- 《结构：为何不倒》（Structures: Or Why Things Don’t Fall Down）
- 《点火！：液体火箭推进剂的非正式史》（Ignition!: An informal history of liquid rocket propellants）
毫无疑问，Elon Musk 的火星殖民之路上还有非常多的障碍，包括 “星际运输系统” 本身需要解决的一系列技术问题，他最终能否成功仍然是一个未知之数。
但至少，他吹的 “牛” 还算合乎科学原理，即便他无法实现也将成为人类宇宙探索的下一个目标。
关于 Elon Musk 以及其 “火星殖民” 计划，你有什么看法？欢迎在评论区与我一起讨论。
