馬斯克詳解火星移民計劃：2024年火星上將有6艘飛船

SpaceX和特斯拉創始人埃隆·馬斯克（Elon Musk）曾在去年9月份提出了雄心勃勃的火星移民計劃，當時便引起全世界的關注。近日他又在《新太空》（New Space）雜誌網站上撰文，詳細闡述了這一計劃。以下即為文章全文：

成為多行星物種

本次報告將涵蓋我們當前所稱的BFR重型火箭的最新設計。在此次報告中，我想傳達的最重要的信息是，我認為我們已經找到了為建造BFR重型火箭籌集資金的方法。這一點非常重要。在去年的陳述報告中，我們確實正在想方設法為BFR重型火箭募集資金，並且提出了各種各樣的方法，比如眾籌等。這些方法都沒有取得成功，但現在我們認為已經找到了實現這一目標的方法。

我們的最新設計充分利用了一款更小型的運載火箭，但實際上它依舊相當龐大，可以做一切進行更大規模地球軌道活動所需要的事情。我們基本上想讓現有的運載火箭變得「無足輕重」，希望建立一套系統（由火箭推進器和飛船組成）來替代「獵鷹9號」、「獵鷹重型」火箭以及「龍」飛船。如果我們能做到這一點，那麼所有用於「獵鷹9號」、「獵鷹重型」火箭以及「龍」飛船的資源，都可以應用於這套系統。這是最基本的條件。

具體進展

深冷液氧罐

這個深冷液氧罐其實是一個直徑達12米的龐然大物——從圖1中可以看到它的相對大小——體積達到1000立方米，加壓體積超過A380。我們還開發出全新的碳纖維矩陣，而且比以前的任何東西都更堅實，在深冷狀態下的性能也空前強大，可以儲存1200噸液氧。

SpaceX開發的深冷液氧罐

我們成功測試了深冷液氧罐的設計壓力，還在此基礎上更進一步。我們想知道它會在何種情況下裂開，我們成功地做到了這一點。它向上飛了大約300英尺（約合100米），然後降落在海里，我們把它打撈了出來。如今，對於如何製造能盛放低溫液體的巨型碳纖維氧氣罐的方法，我們已經有了充分了解。這對於製造輕型載人飛船來說確實極為重要。

「猛禽」火箭引擎測試

下一個關鍵因素就是火箭引擎。我們必須造出非常高效的火箭引擎，而我們認為「猛禽」將是有史以來推力重量比最高的火箭引擎。我們已經在42次「猛禽」主引擎測試中累計點火1200秒，最長一次持續100秒的時間。它還可以持續點火超過100秒——這取決於測試燃料罐的大小。在火星上著陸的持續點火時間大約是40秒。「猛禽」測試引擎目前可在200個大氣壓下運行，飛行引擎則可承受250個大氣壓，我們相信隨著時間推移，最終可能會承受超過300大氣壓。

不斷完善推進著陸系統

再下一個關鍵因素便是推進著陸（propulsive landing）。為了能在月球這樣沒有大氣層、也沒有跑道的地方降落，或是在火星上降落（大氣太稀薄，即使上面有跑道，固定翼飛機也無法安全降落），我們也必須要擁有完美的推進著陸系統。

我們已經在「獵鷹9號」火箭上測試了推進著陸。在我做本次報告之前，SpaceX已經16次成功著陸。「獵鷹9號」的最終著陸總是利用單一引擎完成的——如果有了BFR重型火箭，我們便將始終具有多引擎能力。如果你能在單引擎情況下實現非常高的可靠性，而且還可以使用兩個引擎中的任何一個著陸，那麼我認為我們可以實現媲美最安全的商用客機的著陸可靠性。

「獵鷹9號」成功完成推進著陸

「獵鷹9號」也可以實現高精度著陸。事實上，我們相信當前的精確度已經足夠高，甚至在下一個版本中不再需要著陸架。

發射率

當你認真考慮在火星、月球或其他地方建立自給自足的定居點時，你最終需要數千艘太空船以及上萬次燃料加註行動。這意味著，你每天必須保證多次發射。在計算太空船起降時，你需要做到分秒必爭，而不是去查看日曆。因此，儘管按照常規標準SpaceX發射率已經相當高，但與最終需要的發射率相比，仍然很低。

目前為止的發射率以及2017/2018年預期發射率

交會與對接

自動交會與對接同樣是一項至關重要的技術。為了在軌道上為太空船加註燃料，你必須能夠與太空船進行高精度交會對接，而且還要確保推進劑的安全加註。正因為如此，我們在不斷對「龍」飛船的相關技術進行完善。「龍1號」飛船將可以實現自動交會與對接，不需要國際空間站中的宇航員進行任何操控。

「龍1號」飛船目前使用加拿大機械臂（Canadarm）與國際空間站對接。「龍2號」飛船將於2018年發射，它將不再需要使用加拿大機械臂，而是直接與國際空間站對接，而且整個對接全程都無需宇航員幫忙。你只要按下「go」按鈕，它就會進行對接操作。

「龍」飛船還讓我們不斷完善熱屏蔽技術。當飛船高速進入大氣層時，它幾乎會融化任何東西。流星之所以沒有到達地球，原因就是它們在到達地面之前就被融化或分解了，除非它們的體積非常大。我們必須開發出先進的熱屏蔽技術，以便能承受難以置信的高溫——這是我們一直在完善的一項技術，也是任何行星殖民系統的重要組成部分。

運載火箭演變過程

「獵鷹1號」

「獵鷹1號」是我們一切太空探索工作的起點。很多人最近才聽說SpaceX，所以他們可能認為「獵鷹9號」和「龍」飛船是憑空出現的，但事實並非如此。我們的團隊在最初組建時只有幾個人，並且不知道怎麼造火箭。我之所以成為SpaceX首席工程師或首席設計師，原因不是我想承擔這種角色，而是因為招不到人。

沒有人願意加入其中，我只好勉為其難，發揮這種作用。我搞砸了前三次發射——三次發射都失敗了。幸運的是，第四次發射成功了，那次發射耗盡了我們為「獵鷹1號」籌集到的最後一筆錢，如果沒有發射成功，SpaceX的命運恐怕會被徹底改變。有意思的是，今天是第四次發射的九周年紀念日。在有人提醒我之前，我並未意識到這個不同尋常的日子，的確讓人激動不已。

「獵鷹1號」是一種小型火箭。在開發「獵鷹1號」的時候，我們真的在想：「我們能送入地球軌道上的最小有效載荷是多少？」我們認為，將大約半噸重的物體發射到近地軌道，應該是沒問題的。這恰恰就是「獵鷹1號」的有效載荷，與「獵鷹9號」相比，它的尺寸真的很小。

「獵鷹9號」

具體到有效載荷，「獵鷹9號」比「獵鷹1號」多出30倍。「獵鷹9號」已經可以重複使用主助推器，後者也是火箭中最昂貴的部分。幸好，「獵鷹9號」不久也將可以重複使用整流罩，即火箭的前錐體。我們認為，「獵鷹9號」火箭有70%到80%的部分可以重複使用。

獵鷹重型火箭

我們希望能在今年年底時發射獵鷹重型火箭。事實上，這種火箭比我們最初想像的要複雜。聽起來，發射獵鷹重型火箭似乎很容易，因為它是兩個「獵鷹9號」第一級與作為助推器的中間第一級綁在一起的。但實際上並不是那麼輕鬆，除了上面級，我們不得不重新設計其他所有部分，以增加有效載荷。獵鷹重型火箭比我們預想的更新，所以我們花了更長時間才開發完成。但助推器現在已經過測試，它們正在被運往卡納維拉爾角的路上。我們現在開始全力開發BFR重型火箭。

從左至右分別是「獵鷹1號」、「獵鷹9號」、「獵鷹重型」火箭和BFR重型火箭

BFR

從圖6可以看出，BFR和其他運載火箭的有效載荷差異非常顯著。BFR是一種可完全重複使用的運載火箭，在不經過軌道燃料加註的情況下，我們預期它可以將150噸的有效載荷送入近地軌道。相比之下，獵鷹重型火箭的有效載荷約為30噸，而且只有部分組件可重複使用。這在很大程度上造成了巨大的成本差異。

「獵鷹1號」、「獵鷹9號」、「獵鷹重型」火箭和BFR重型火箭的有效載荷（單位：噸）

BFR確實是一種十分龐大的運載火箭，主體部分直徑約為9米，助推器由31台「猛禽」引擎驅動，可產生約5400噸推力，將4400噸重的火箭筆直升起。

BFR飛船概述

BFR飛船長約48米，凈重約為85噸。從技術上講，我們在設計時BFR飛船是75噸，但質量增加是不可避免的事情。這艘飛船將可以攜帶1100噸推進劑，發射時有效載荷為150噸，返回地球時有效載荷50噸。你可以把它想像成是「獵鷹」火箭上面級與「龍」飛船的結合物。

在圖7，你可以看到BFR飛船後面的引擎部分、中間的推進劑艙和前面的有效載荷艙。有效載荷艙實際上有8層樓那麼高。事實上，你可以將一大堆「獵鷹1號」火箭放入BFR有效載荷艙。與我上次展示的設計相比，大家會看到BFR火箭後面有個小三角翼，它可以擴大BFR飛船的用途。

根據你是著陸還是進入行星或衛星是否有大氣層（分為沒有大氣層、稀薄大氣或濃密大氣層等三種情況），以及根據你重返地球時前面是否有有效載荷（沒有有效載荷、有少量有效載荷、有大量有效載荷），你必須在火箭重新進入大氣層時保持平衡。火箭後面的三角翼可以讓我們控制俯仰角（pitch angle），儘管在最前端有不同的有效載荷或大氣密度。我們盡量避免使用三角翼，但它是必要的裝置，可以增強飛船的能力，這樣它就可以在太陽系的任何地方著陸。

BFR主體部分

BFR貨物/客艙區

BFR貨物區的壓力體積為825立方米，超過了A380的增壓區域。BFR能夠攜帶巨量有效載荷。在探索火星的任務中，你在理想狀況下至少需要3個月時間，甚至最多6個月時間，所以你可能需要小艙室而不僅僅是一個座位。這種情況下，BFR將由40個太空艙組成。如果在每個太空艙能塞下五六個人，那麼會裝很多人，但我認為大多數情況下每個太空艙只會裝2到3人，或者每次將100人送入火星。BFR上面有中央儲存區和廚房，以及預防太陽風暴侵襲的區域和娛樂區，我想搭乘BFR進行太空游，會是一種美好的體驗。

BFR主體

BFR飛船主體也是推進劑所在的位置——推進劑由經過冷卻的甲烷和氧組成。當你把甲烷和氧氣冷卻到一定程度的時候，它們的密度會大幅增加，增幅可達10%到12%，這對推進劑有很大影響。我們預計BFR飛船將攜帶240噸甲烷和860噸氧氣。當飛船著陸的時候，方位可能會發生很大的變化，但是你不能讓推進劑在主油箱里到處晃動，你必須有能夠精確地給主引擎供電的擴油器，也就是在圖7中看到的浸泡在燃料箱中的東西。

BFR引擎

BFR飛船引擎由四台真空「猛禽」引擎和兩台海平面引擎（sea-level engine）組成。這6台引擎都有萬向支架連接。高膨脹比（expansion ratio）的引擎具有相對較小的萬向架範圍和較慢的萬向平衡率。而兩台中心引擎都有非常高的萬向架範圍和非常快的萬向平衡率。你可以用兩台中心引擎中的一個來實施降落。

當BFR著陸時，會有兩台引擎點火，如果兩台中心引擎中的一個點火失敗，它將能夠成功地依靠另一台引擎著陸。每台引擎中都有很大的冗餘度，因為我們希望著陸風險儘可能接近於零。海平面引擎在海平面上大約有330比沖（ISP），上面級引擎是375比沖。隨著時間的推移，有可能在5到10秒內增加特定的脈衝，同時太空艙壓力會增加50個大氣壓左右。

BFR引擎

BFR加註燃料

為了加註燃料，兩艘飛船的尾部將進行對接。它們使用的是相同的對接界面（mating interface），在飛船發射升空時與助推器連接。我們將會重複使用對接界面，重複使用推進劑填充線。為了傳輸推進劑，整個過程非常簡單——利用控制助推器，讓你想要排空燃料的方位加速。如果你朝著這個方位加速，助推劑也會朝著那個方向運動，你就可以很容易地將推進劑從油箱傳輸到飛船。

火箭性能

圖9向我們大致展示了火箭性能——「獵鷹1號」的有效載荷為半噸，BFR重型火箭的有效載荷可達到150噸。我認為很重要的一點是，BFR比「土星5號」運載火箭還強大，而且可重複使用。但更重要的是，發射成本更低。

火箭將有效載荷送到近地軌道的能力。BFR的有效載荷能力超過「土星5號」運載火箭，而且可以完全重複使用

當你分析這些火箭的邊際發射成本時，次序就顛倒過來。乍一看可能很可笑，但事實並非如此。飛機也是如此。如果你買了一架小型單引擎渦輪螺旋槳飛機，可能花費150萬到200萬美元。而從美國加州到澳大利亞的747往返包機需要50萬美元。單引擎渦輪螺旋槳飛機甚至無法到達澳大利亞。因此，像747這樣完全重複使用的巨型飛機，其成本是小型飛機的1/3。

有些時候，你必須製造整架飛機。也有些時候，你只需給飛機加註燃料。令人感到瘋狂的是，我們費盡心力造出這些複雜的火箭，但每次飛行都會墜毀。我無法強調可重複使用是多麼重要，但我經常被告知，「如果你讓它具有可重複使用性，便可以獲得更多的有效載荷，」我承認，「如果你把起落架、襟翼以及降落傘卸下來，你還可以從飛機上得到更多的有效載荷。但此舉是瘋狂的，你可能賣不出去一架飛機。因此，可重複使用性絕對是重要的。」

發射成本：由於完全可重複使用，BFR每次發射的邊際成本都最低，儘管其有效載荷遠遠高於現有火箭

加註燃料的價值

現在，我想談談軌道加註燃料的價值，這一點也是非常重要的。如果你只讓BFR飛船飛到軌道，並且不加註燃料，這是相當好的。你可以將150噸有效載荷送到近地軌道，卻沒有燃料去其他任何地方。

然而，如果你將油箱送入軌道並加註燃料，你就可以重新加滿油箱，然後再把150噸有效載荷運送到火星。如果油箱具有很高的可重複使用性，那麼你只需支付推進劑的費用——氧氣和甲烷的成本都非常低。如果這一切你都可以應對，那麼在軌道為飛船加註燃料的花費很少，你可以將150噸有效載荷送入火星。所以，自動對接和軌道加註燃料是非常重要的事情。

為BFR籌集資金

再次回到「我們如何給這個系統籌集資金？」的問題。這的確是一個意義深遠的問題——我不會稱之為突破，而是想要實現的事情——如果我們能建造一套能利用自有產品的系統，讓我們的自有產品變得多餘，那麼我們所有的資源都可以應用於一套系統，無論是「獵鷹1號」、「獵鷹9號」、「獵鷹重型」火箭，還是「龍」飛船。

我們有些客戶是保守的，他們希望看到BFR多次飛行，然後才可以放心發射。所以，我們的計劃是同時製造「獵鷹9號」和「龍」飛船，給客戶選擇的餘地。如果他們想使用舊火箭或舊飛船，他們可以這樣做，我們有很多火箭庫存。但是，我們所有的資源都會轉向BFR製造；我們相信，我們可以通過發射衛星和為空間空間站服務獲取收入來實現這一目標。

衛星

直徑達9米的新一代巨型運載火箭實在是太大了。實際上，我們確實可以把直徑近9米的東西送入軌道。例如，如果你想製造新一代「哈勃」望遠鏡，你可以發射10倍於當前「哈勃」表面面積的整塊鏡片，而不再需要摺疊。你還可以發射大量小型衛星，到處收集舊衛星或者清理太空垃圾，這可能是我們將來要做的事。

地球軌道上的衛星

國際空間站

根據設計，BFR也可以為國際空間站提供服務。我知道，相對於國際空間站來說，BFR看起來有點兒大，但是太空梭看起來也很大，所以大小並不是問題的關鍵。BFR將可以接手「龍1號」飛船向國際空間站運送補給的任務，也可以代替「龍2號」飛船運送船員和貨物。它甚至可以前往更遠的地方，比如月球。

與國際空間站對接

登月任務

建立月球基地

根據計算，我們實際上可以實現登陸月球表面的任務，即使月球表面無法生產推進劑。如果我們在高橢圓軌道上為飛船和油箱做個高橢圓形的停泊軌道，我們就可以一路飛到月球，而且無需在月球上補充推進劑即可返回。我認為這將有助於建立月球基地或某種衛星基地。

登月任務

火星

成為多星球物種，比成為單一行星物種更重要。我們將從發射火星探測器開始這一使命——在火星上，飛船顯然會降落在布滿岩石或塵土飛揚的地面上。

火星運輸系統

這和我之前提到的方法一樣，就是把飛船送入軌道，重新加註燃料，直到加滿燃料，然後再飛到火星並著陸。對於火星任務來說，你需要在火星表面生產推進劑。火星上有含二氧化碳的大氣層和大量水冰，這會給你帶來CO2和H2O，進而採用某種工藝來生成CH4和O2。我應該強調一下，從長期來看，這個過程也可以在地球上完成。

有時，我會聽到一些批評的聲音：「為什麼你在火箭里使用燃料，卻又在製造電動汽車?」我也希望能造出電動火箭，只是現在還不行。從長期來看，你可以使用太陽能系統從大氣層中提取二氧化碳，並將其與水結合，給火箭製造燃料和氧氣。我們在火星上可以做這樣的事情，將來在地球上也可以。

火星運輸系統

與月球相似，你也可以登陸火星，但棘手之處在於，我們需要在火星上建造推進劑補給站，重新為燃料箱加滿燃料以返回地球。因為火星的重力比地球要低，所以你不需要推進器——你可以使用飛船從火星表面一直飛到地球表面。你返回返回時需要的最大有效載荷為20到50噸。

進入火星大氣層

若想在火星表面登陸，飛船進入火星大氣層的速度必須非常快，每秒達到7.5千米。對於火星來說，其大氣層會燒蝕隔熱罩，這有點兒像剎車墊慢慢磨損。它是個多用途隔熱罩，但與地球探測任務不同的是，它的熱度足以讓你看到隔熱罩出現磨損。

在火星登陸

因為火星有大氣層，即便不是特別稠密，你也可以從空氣動力學上移除幾乎所有能量。我們已經用「獵鷹9號」多次證明了超音速反推進（retropropulsion）技術，所以我們對此並不擔心。

火星任務目標

我們的目標是在2022年完成第一次火星貨運任務。我們已經開始建造這個系統，主燃料罐的製造工作已經啟動，相關設施也在建造中，我們將在明年第二季度開始建造第一艘飛船。因此，我們有望在6到9個月內開始建造這艘飛船。我相信我們能完成這艘飛船的建造，並準備在5年內發射。對我來說，5年似乎很漫長。在這段時間內，資源應該能夠滿足這個時間框架，即使不能滿足，我想很快也會實現。地球與火星的運行軌道大約兩年同步一次，所以每兩年就有一次飛往火星的機會。

火星任務初始目標

接下來是2024年，我們想要發射四艘飛船前往火星，其中包括兩艘載人飛船和兩艘貨運飛船。第一個任務的目標是找到最好的水源地，第二個任務的目標是建造推進劑工廠。屆時，我們在火星上將有6艘飛船，有足夠的物資建立推進劑工廠，包括大型太陽能電池板，然後進行採礦和凈化水，獲得大氣層中的二氧化碳，然後製造和存儲深冷甲烷和氧氣。

火星基地

火星基地最初可能只是一艘飛船，然後是多艘飛船，接著我們開始在火星上建造城市，並不斷擴大城市規模。隨著時間的推移，在我們的不斷改造下，火星將成為一個適合人類生存的地方。

火星基地建設步驟

這是一幅相當美麗的場景。在火星上，天空在黎明和黃昏時是藍色的，在白天則是紅色的，地球則恰恰相反。

火星定居點

地球運輸

再談一談別的東西。如果你建造了一艘能夠到達火星的飛船，如果你想乘坐這艘飛船從地球上的一個地方飛到另一個地方，那又會怎麼樣呢？我們分析了這件事，結果非常有趣。

地球主要城市時間比較

地球飛行

在地球上使用BFR系統，我們能夠以每小時2.7萬公里的速度行駛。在最後的降落過程中，推進著陸會變得非常重要。大多數人認為的長途旅行將在不到半小時內完成。太空旅行不再是科學幻想，即使你離開了地球大氣層，也不會有任何不適感，沒有湍流。如果我們能成功建造這種飛船，用以探索月球和火星，那為什麼不去地球上的其他地方呢？

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