據(jù)外媒報(bào)道，由伊隆-馬斯克(Elon Musk)創(chuàng)立的太空探索科技公司SpaceX正在努力開展一個(gè)雄心勃勃的項(xiàng)目：讓人們永久定居在火星上。

　　為了幫助實(shí)現(xiàn)這一愿景，馬斯克的公司正在開發(fā)一種巨大的、完全可重復(fù)使用的發(fā)射系統(tǒng)，稱為Starship。

　　據(jù)馬斯克的最新描述，Starship被設(shè)想為一艘180英尺高的宇宙飛船，將在大約220英尺高的火箭助推器Super Heavy的推動(dòng)下進(jìn)入軌道。這艘宇宙飛船可以在低地球軌道上補(bǔ)充燃料，以便一次性將100名乘客和100噸以上的貨物送往火星。

　　但是，發(fā)射系統(tǒng)的成敗——以及馬斯克的火星移民計(jì)劃——可能取決于最近兩個(gè)重大設(shè)計(jì)變化的可靠性。馬斯克形容這兩個(gè)變化是“激進(jìn)的”和“違反直覺(jué)的”。

　　其中一個(gè)變化是用不銹鋼合金代替碳纖維復(fù)合材料來(lái)建造這個(gè)宇宙飛船。但根據(jù)航天工業(yè)專家，最令人驚訝的變化，則是避免Starship在火星和地球大氣中燃燒的方法。

　　馬斯克說(shuō)，Starship不會(huì)像美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)那樣依靠數(shù)千塊厚重的瓷磚來(lái)保護(hù)避免高溫，而是會(huì)通過(guò)微小的孔洞來(lái)“排放”火箭燃料降溫。從理論上來(lái)說(shuō)，在Starship的鋼殼和它通過(guò)大氣時(shí)產(chǎn)生的熾熱的等離子體之間注入液體，可以防止它被燒毀。

　　但是，航空航天工程師、美國(guó)宇航局太空技術(shù)與探索理事會(huì)主任沃爾特-恩格隆德(Walt Engelund)表示，SpaceX能否實(shí)現(xiàn)這種大小和設(shè)計(jì)均前所未有的發(fā)射系統(tǒng)，還有待觀察。

　　“龐大的航天器進(jìn)入大氣層、下降和著陸是NASA幾十年來(lái)一直面臨的挑戰(zhàn)。我們花了很多時(shí)間，也考慮了很多在火星上做這件事的方法。”恩格隆德說(shuō)，“我們著陸了大約一噸重的好奇號(hào)漫游者火星探測(cè)器——這是我們?cè)诨鹦潜砻娼德溥^(guò)的最大的東西。”

　　恩格隆德說(shuō)，從一個(gè)汽車大小的火星探測(cè)器到一艘滿載人類的建筑物大小的飛船，這是一個(gè)巨大的變化，這比“好奇號(hào)”著陸“困難幾個(gè)數(shù)量級(jí)”——大約是100倍——他說(shuō)，讓“好奇號(hào)”在火星上著陸“可以說(shuō)是我們?cè)贜ASA做過(guò)的最困難的事情之一。”

　　“這對(duì)我們和SpaceX來(lái)說(shuō)都不是一件容易的事。”恩格隆德說(shuō)。

　　Starship為啥變成超重火箭

　　馬斯克認(rèn)為，到2050年，他可以在這個(gè)紅色星球上建立一個(gè)自給自足的城市。他希望讓人們?nèi)セ鹦堑膯纬唐眱r(jià)像地球上的房子一樣便宜，而且返程是免費(fèi)的。

　　“Starship超重型發(fā)射系統(tǒng)”是馬斯克計(jì)劃實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法。他說(shuō)，改用不銹鋼合金是一種降低成本和更快地建造該系統(tǒng)的方法。

　　“Starship將看起來(lái)像水銀。”馬斯克在去年12月談到這一變化時(shí)說(shuō)。他還補(bǔ)充說(shuō)，Starship將進(jìn)行鏡面拋光，以幫助反射熱量——這也可以幫助制冷。

　　在接受《大眾機(jī)械》(Popular Mechanics)雜志采訪時(shí)，馬斯克解釋說(shuō)，不銹鋼的重量大約是SpaceX計(jì)劃在9月份使用的輕質(zhì)超強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料的67倍。與碳纖維相比，鋼更容易加工，可以更快地成型，并可以更好地經(jīng)受住極端高溫。

　　更重要的是，馬斯克說(shuō)，當(dāng)不銹鋼接觸到超冷液體，包括Starship在太空中用于自我推進(jìn)的低溫甲烷和氧氣時(shí)，它的強(qiáng)度“會(huì)提高50%”。

　　然而，鋼的問(wèn)題在于，它的材料密度很大，而且很重。通用動(dòng)力公司(General Dynamics)至少有一個(gè)早期版本的Atlas導(dǎo)彈是用這種金屬制成的，在發(fā)射臺(tái)上，它在自己的重量壓力下變形了。

　　然而，馬斯克表示，SpaceX對(duì)鋼材的使用方法有很大不同，它將使重新設(shè)計(jì)的Starship變得更結(jié)實(shí)、更耐用以及相對(duì)更輕。最終，他說(shuō)，材料的改變將使Starship的性能超過(guò)以前的設(shè)計(jì)。

　　馬斯克今年1月在微博網(wǎng)站Twitter上寫道：“我相信，不銹鋼Starship將比先進(jìn)的鋁或碳纖維更輕。”

　　但是，盡管鋼很堅(jiān)韌，但它并不是無(wú)敵的，尤其是當(dāng)它作為在大氣中穿行的航天器的外殼時(shí)。

　　流出液體制冷

　　Starship能以每小時(shí)1.9萬(wàn)英里的速度進(jìn)入火星和地球的大氣層。馬斯克說(shuō)，在這樣的速度下，這艘船的薄弱部分，比如它的鼻子，可能會(huì)暴露在大約2700華氏度的溫度下。

　　馬斯克說(shuō)，這樣的高溫足以破壞SpaceX用來(lái)做Starship外殼的鋼合金。這種材料被稱為310S，通常被稱為耐熱金屬，因?yàn)樗�含有大量的鉻和鎳。(這與廚房的鍋和盤子用的鋼沒(méi)什么兩樣。)盡管如此，310S鋼仍然會(huì)與氧氣發(fā)生反應(yīng)，在2000度左右腐蝕，在2400度左右熔化。

　　Starship需要隔離高溫，這就是為什么馬斯克計(jì)劃讓Starship在著陸時(shí)滲出液體燃料來(lái)冷卻自己。

　　馬斯克告訴《大眾機(jī)械》，他決定放棄類似航天飛機(jī)的隔熱瓷磚，以減輕重量，防止損壞或丟失的瓷磚損害隔熱層。

　　相反，他解釋說(shuō)，Starship將從其鋼皮上的小洞滲出火箭燃料。這層液體將帶走Starship進(jìn)入大氣層時(shí)摩擦產(chǎn)生的巨大熱量。

　　“在迎風(fēng)一側(cè)，我想要做的是擁有有史以來(lái)第一個(gè)蓄熱式隔熱板。一種雙壁不銹鋼外殼——就像不銹鋼三明治一樣。”馬斯克說(shuō)，“你在夾心層之間流動(dòng)燃料或水，然后你在外殼中留出微小的孔，讓燃料或水流出。如果你不湊近看，你就看不到這些小孔。”

　　他補(bǔ)充說(shuō)，隔熱層還可以強(qiáng)化Starship的鋼體。

　　馬斯克說(shuō)：“據(jù)我所知，這是以前從未有人提出過(guò)的方法。”

　　專家稱，馬斯克是對(duì)的，沒(méi)有任何宇宙飛船在發(fā)射進(jìn)入軌道和返回地球使用這樣的隔熱裝置。但通過(guò)排液來(lái)隔熱的概念并不新奇，而且這個(gè)方法在歷史上一直是一個(gè)非常棘手的工程挑戰(zhàn)。

　　洲際彈道導(dǎo)彈的蒸騰冷卻設(shè)計(jì)

　　馬斯克說(shuō)，Starship的發(fā)射系統(tǒng)將被拋光到像鏡子一樣的程度。

　　數(shù)百萬(wàn)年來(lái)，哺乳動(dòng)物皮膚就具有蒸騰冷卻的作用。例如，當(dāng)人體溫度過(guò)高時(shí)，微小的毛孔就會(huì)排出汗水。這些液體隨后蒸發(fā)，以帶走多余的熱量，防止過(guò)熱。

　　在將宇航員送上月球之前，NASA受大自然的啟發(fā)開始嘗試蒸騰冷卻系統(tǒng)。

　　“蒸騰冷卻的想法并不新鮮。這已經(jīng)存在了幾十年了。”恩格隆德說(shuō)。

　　美國(guó)宇航局在1965年申請(qǐng)的一項(xiàng)專利建議使用宇航員的尿液來(lái)冷卻太空艙底部的隔熱層。早在2006年，美國(guó)宇航局就花費(fèi)了至少7萬(wàn)美元用于研究一種可充氣的、蒸騰冷卻的隔熱裝置，以幫助航天器在火星上著陸。

　　“流汗的”的航天器也在冷戰(zhàn)軍備競(jìng)賽中發(fā)揮了作用。1976年3月，美國(guó)國(guó)防部為重新進(jìn)入大氣層的航天器設(shè)計(jì)了一種具有蒸騰冷卻作用的鼻尖。這種航天器乘坐洲際彈道導(dǎo)彈進(jìn)入太空，然后以每小時(shí)數(shù)千英里的速度重返地球大氣層，并用核彈頭攻擊遙遠(yuǎn)的目標(biāo)。

　　但根據(jù)美國(guó)空軍的歷史文件顯示，該項(xiàng)目在20世紀(jì)70年代后期被取消，原因是資金有限和“設(shè)計(jì)問(wèn)題一直困擾著開發(fā)工作”。相反，工程師們選擇了更簡(jiǎn)單的“燒蝕”防熱材料，在重返大氣層時(shí)通過(guò)燒蝕材料受熱分解和氧化燃燒帶走熱量。

　　與美國(guó)國(guó)防有關(guān)的蒸騰冷卻隔熱裝置的設(shè)計(jì)及其存在的問(wèn)題大多數(shù)屬于機(jī)密信息。但研究太空運(yùn)載火箭軍事用途的航天工程師喬治-赫伯特(George Herbert)稱，“它被報(bào)道的和已知的問(wèn)題包括蒸騰氣孔堵塞問(wèn)題等。”

　　換句話說(shuō)，青少年皮膚普遍面臨的問(wèn)題是：毛孔堵塞。

　　“如果鳥在你的火箭上拉屎怎么辦？”

　　幾位專家稱，他們對(duì)Starship隔熱設(shè)計(jì)中的微孔堵塞問(wèn)題感到擔(dān)憂。

　　恩格隆德說(shuō)：“你可以想象，如果它們是微小的孔洞，它們不需要太長(zhǎng)的時(shí)間就會(huì)被堵塞。”

　　德維恩-戴伊(Dwayne Day)曾幫助調(diào)查了美國(guó)宇航局哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)及其機(jī)組人員墜毀之謎。他設(shè)想了一種令人煩惱的常見(jiàn)情況，即Starship在地球上的任何發(fā)射場(chǎng)都會(huì)面臨小孔堵塞的情況。

　　“如果一只鳥在你的火箭上拉了屎，堵塞了幾個(gè)洞，然后當(dāng)它重返大氣層時(shí)，這幾個(gè)小洞里沒(méi)有滲透液體降溫，那么這部分就會(huì)變得過(guò)熱。這該怎么辦呢?”戴伊寫道。

　　恩格隆德說(shuō)，在NASA的高超聲速風(fēng)洞中進(jìn)行的測(cè)試中，他看到了冷卻系統(tǒng)堵塞的問(wèn)題。在這些實(shí)驗(yàn)中，航天器的比例模型被放置在風(fēng)洞中——風(fēng)洞能以每小時(shí)數(shù)千英里的速度吹氣——以研究它們的性能。一些測(cè)試項(xiàng)目涉及到使液體從模型外殼下方的通道流出以降溫，但并不是所有的模型都通過(guò)測(cè)試。

　　恩格隆德說(shuō)：“我見(jiàn)過(guò)這樣的情況：當(dāng)一個(gè)通道堵塞時(shí)，它會(huì)立即被燒穿。”

　　馬斯克曾說(shuō)過(guò)，用甲烷作為冷卻劑可能比用水更好。

　　他在上個(gè)月的一條推文中說(shuō)：“水的快速蒸發(fā)可能會(huì)導(dǎo)致水凍結(jié)，并堵塞冷卻通道。”

　　但恩格隆德也看到了甲烷選擇的挑戰(zhàn)。當(dāng)暴露在高溫下時(shí)，碳?xì)淙剂?如甲烷)中的碳原子可能會(huì)“結(jié)焦”或粘在一起變成固體。這樣的碎片也可能堵塞微孔。

　　“我會(huì)非常擔(dān)心這一點(diǎn)。”恩格隆德說(shuō)。他還補(bǔ)充說(shuō)，另一個(gè)大問(wèn)題是燃料中的雜質(zhì)，這也可能導(dǎo)致堵塞。

　　恩格隆德說(shuō)，解決這些問(wèn)題的一種可能的方法是留置多余的微孔，以防止某些微孔被堵塞，或流向這些微孔的冷卻劑通道被堵塞。”

　　除了鳥糞和堵塞等問(wèn)題外，火星上還有細(xì)小的灰塵。這可能會(huì)堵塞Starship滲出燃料的微孔，而且在紅色星球上可能很難發(fā)現(xiàn)和清除這些堵塞物。

　　恩格隆德說(shuō)：“一般來(lái)說(shuō)，檢查和鑒定對(duì)于這樣一個(gè)大型主動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題——尤其是在火星上，在那里你無(wú)法爬上塔樓進(jìn)行檢查。我想你可以用無(wú)人機(jī)。也許這就是他正在考慮的事情。”

　　Starship能承受高溫嗎？

　　馬斯克只分享了Starship最新設(shè)計(jì)的小部分，并沒(méi)有像過(guò)去那樣向公眾展示一幅完整的圖片。(本文中的效果圖是由3D藝術(shù)家基米-塔爾維蒂提供的。)。

　　但馬斯克在去年12月說(shuō)，等到三四月他的公司在得克薩斯州制造的原型火箭成功發(fā)射后，他將“提供詳細(xì)的解釋”。

　　與此同時(shí)，馬斯克分享了一段視頻，看起來(lái)似乎是在測(cè)試Starship的金屬隔熱材料。目前還不清楚SpaceX在蒸騰冷卻設(shè)計(jì)方面做了多少研究。

　　“如果他們沒(méi)有測(cè)試和驗(yàn)證他們想做的事情，那么這將是一個(gè)巨大的風(fēng)險(xiǎn)。”赫伯特說(shuō)。“但如果他們已驗(yàn)證有效，那么他們的新設(shè)計(jì)將是真正的贏家。”

　　恩格隆德說(shuō)，即使不成功，馬斯克的Starship也不一定就走進(jìn)了死胡同。

　　“如果他發(fā)現(xiàn)這個(gè)方法站不住腳或太昂貴，那么他可能會(huì)想出一個(gè)更好的辦法。”恩格隆德說(shuō)，“在他的職業(yè)生涯中，他真的很擅長(zhǎng)這一點(diǎn)。”

　　SpaceX還期望通過(guò)工程師們的努力不斷地進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，以使Starship成為現(xiàn)實(shí)。

　　該公司一位發(fā)言人在談到Starship的設(shè)計(jì)時(shí)稱：“我們現(xiàn)在采用的設(shè)計(jì)方法也是曾導(dǎo)致獵鷹1號(hào)、獵鷹9號(hào)、獵鷹重型和龍火箭計(jì)劃取得成功的方法，而且我們采用的是相同的快速更新速度。”

　　但SpaceX拒絕將Starship與美國(guó)宇航局的“好奇號(hào)”漫游者進(jìn)行任何比較。

　　SpaceX說(shuō)：“好奇號(hào)突破了上世紀(jì)70年代火星[進(jìn)入大氣層、下降和著陸]技術(shù)的極限，包括一種特定的基于降落傘的EDL架構(gòu)。我們借鑒了我們?cè)O(shè)計(jì)獵鷹9號(hào)的經(jīng)驗(yàn)，采取了與好奇號(hào)完全不同的方法。在它飛往火星之前，我們有足夠多的機(jī)會(huì)在地球上進(jìn)行演示。”

　　盡管SpaceX發(fā)射Starship并在火星上著陸的任務(wù)似乎面臨著很多的障礙，但沒(méi)有專家說(shuō)，SpaceX的系統(tǒng)是不可能實(shí)現(xiàn)的。

　　恩格隆德說(shuō)：“他們已做出了很多讓人感到驚訝的事情，他們有很多聰明的人為他們工作，馬斯克似乎真的很上心。也許我們可以和他們合作做一些事情。我想會(huì)有機(jī)會(huì)的。”