馬斯克「筷子」夾星艦成功！這個突破有多重要？中國奮起直追，還差多遠？【文昭思緒飛揚393期】

放飛頭腦 思緒飛揚 朋友們好 伊隆·馬斯克的星艦項目 在2024年10月份 又取得了一個歷史性突破 這到底意味著什麼呢 今天咱們來好好聊一聊 美國德克薩斯州最南端有一處 叫波卡其卡的海灘 伊隆·馬斯克的太空探索技術公司 SpaceX的火箭發射場 就建在這裡 叫starbase 中文簡稱叫星港 2024年10月13日上午 星艦火箭第一級助推器 搖搖晃晃地從空中降落 被發射架伸出的機械臂一把拽住 乖乖地掛在了發射架上 特意跑到星港的SpaceX的粉絲們 立刻爆以熱烈的掌聲 還有口哨聲 尖叫聲 在現場此起彼伏 這個精確的動作 被馬斯克自己稱為「筷子夾火箭」 這個比喻其實並不誇張 這個操作的技術含量 不亞於一個武林高手用筷子 一下子夾住從眼前飛過的一隻蒼蠅 不過粉絲們這麼激動 還有一個很具體的原因 就是SpaceX專門為星際航行 設計的機甲哥斯拉 終於成功了 機甲哥斯拉 Mechazilla 是小馬哥給可回收火箭發射塔起的名字 Macha在科幻小說當中指的就是機甲 而Zilla的意思就是巨大的 讓人想到日本電影中的巨型怪兽哥斯拉 機甲哥斯拉的成功 意味著人類的可普及的星際航行 已經不再是白日夢了 因為火箭和發射台 都是可以重複使用的 它們真正實現了功能的港口化 火箭相當於船 發射台是太空港 船進港之後只需要卸貨、裝貨 補充燃料、淡水、生活物資等等 就又可以出航了 可是如果每次出航都需要造新的船 建新的港 那這種航行成本誰能負擔得起呢 非常不幸的是 在SpaceX公司推出 獵鷹可回收式運載火箭 也就是星艦的近地軌道低配版之前 以及在機甲哥斯拉發射台成功之前 真的就是這種情況 這就造成火箭的發射成本極為高昂 也抑制了人們對太空的探索 那具體有多貴呢 NASA的太空發射系統 SLS火箭絕對位居高價榜的首位 因為SLS的每次發射 都帶有各種科研任務 再加上花的是納稅人的錢 NASA可以不計成本 因此每次發射成本 都是以20億美元起跳的 歐洲的亞利安5號運載火箭 就便宜多了 但說便宜也是相對的 仍然是以「億」計的 每次發射都以1.65億美元起跳 一直和伊隆·馬斯克較勁的 亞馬遜老闆貝索斯 也開了一家叫作藍色起源的公司 推出了自己的運載火箭 叫新格倫號 貝老闆宣稱新格倫號 也是可以重複使用的 而且飛一次太空的成本 比NASA的火箭 和亞利安5號都便宜多了 發射一次只需要6500萬美元就夠 但是貝老闆的宣言 被小馬哥無情地嘲笑了 說他是太空門外漢 意思就是貝老闆的報價 壓根就不靠譜 你就別信 因為藍色起源的老款火箭 新謝波德號最遠也只去過離地面 大約100公里高的地球亞軌道 2021年貝老闆就是坐著新謝波德號 飛到地球亞軌道上兜了10分鐘的風 回到地面之後 他的未婚妻就立刻衝上去抱著貝老闆 就來了一個熱情洋溢的熱吻 這張照片一下就衝上了 全球新聞網站的頭版頭條 但也就僅此而已 新謝波德號從此再也沒有任何突破 而藍色起源公司推出的新格倫號火箭 壓根還沒上過天哪 SpaceX旗下的星艦 卻在多次失敗之後 衝入了離地面200多公里高的外太空 現在還成功回收再利用 那這一對比 藍色起源和SpaceX的差距 就不是一點半點的大了 所以一貫高調的貝索斯 對於馬斯克的嘲笑 也只能裝聾作啞當沒聽見 這裡的問題確實是 體型越大越重的飛行器 要精確回收就越難 星艦的前身獵鷹火箭 已經多次完成了近地軌道的送貨任務 也成功回收了 但是星艦比可回收的獵鷹9號火箭 重了9倍多 比可回收的獵鷹重型火箭 重了2.5倍 要控制更大個兒的火箭精確回收 那個難度也瞬間提高了N倍 而且即便是貝索斯的報價靠譜 一次6500萬美元 SpaceX旗下的星艦發射成本還更低 每次發射大約是4000萬美元起跳 那現在機甲哥斯拉發射台的成功 更是讓每一次的發射成本急劇下降 那有多急劇呢 按照馬斯克的樂觀估計 機甲哥斯拉的成功 能讓一艘火箭可以回收使用100次 這樣算下來 火箭的發射成本 急速降到了每次40萬美元 這個價格幾乎都快趕上 商業航空公司一次的飛行成本了 目前世界上最長的一條客機航線 是新加坡公司旗下的 從紐約直飛新加坡的航線 全程大約是1.5萬公里 每飛一次的成本 大約是30萬美金左右 只比伊隆·馬斯克樂觀估計的 星艦成本少了10萬美元 所以粉絲們才會在10月13號 歡呼雀躍 因為這意味著 可普及的太空旅行時代即將來臨了 以後坐火箭和坐客機 那個成本都不會差很多了 那麼伊隆·馬斯克的樂觀估計 能夠實現嗎 我們首先來看一看星艦的設計 和傳統的火箭有什麼不同 首先是外型 星艦從外型上來說 就比一般的火箭高大威猛的多 它直徑9米 足足有120米高 總重量超過了5000噸 可以把100至150噸的物資 送到地球近地軌道 能夠把27噸重的物資 送入地球同步軌道 NASA曾經在阿波羅登月計劃當中 使用過的土星5號運載火箭 是迄今為止 NASA用過的最大號火箭 也是人類有史以來 用過的載重量最大的火箭 它直徑大約10米 高110米 可以把127噸重的物資 送入近地軌道 那這個數據和星艦的 100至150噸的載重量相差無幾 地球近地軌道和地球同步軌道的主語 雖然都是地球 但距離差之萬里 地球近地軌道簡稱LEO 是指離地面300至2000公里 範圍內的高度 通常的氣象衛星、偵察衛星 國際空間站、以及SpaceX的星鏈 都在LEO近地軌道 地球同步軌道簡稱GSO 大約離地面3.5萬公里 和前者相比遠了至少10倍 一般的通信衛星和電視廣播衛星 都在這個軌道 在近地軌道的飛行器 速度都要達到至少7.8公里/秒 才能夠保證不被地球的引力拽下來 而同步軌道的飛行器呢 速度達到3.07公里/秒就夠了 在土星5號火箭的時代 人類還沒有能力運送物資 去地球同步軌道 但是在土星5號以後 發展起來的運載火箭 很多都能夠把物資 送到同步軌道上去了 比如NASA的SLS運載火箭 能夠運送11噸物資去同步軌道 亞利安5號火箭能夠運送10噸 中國的長征5號火箭能夠運5噸 星艦最牛的地方 還不是它的貨運能力 而是它的載客量 也就是運載乘客的人數 現在已知所有的運載火箭 載客量都非常可憐 比如SLS火箭 只能夠運送4-6名宇航員 同時去太空 長征5號火箭可以送3名宇航員 亞利安5號就是純純的貨運服務 壓根不載人 而星艦的載客量呢 則能達到驚人的100人 那問題來了 1960 -1970年代的阿波羅登月計劃 就已經能夠實現載人登月了 那當代技術比那個時候 不是已經又前進了很多嗎 為什麼在載人這方面不進反退了呢 那是因為阿波羅之後 絕大多數火箭並不是為載人而設計的 主要是為了運送衛星 以及太空研究設計的 所以就沒有考慮載人的問題 而小馬哥在設計星艦的時候 初衷就是為載客而設計的 也就預留了足夠大的空間 那接下來就要講到星艦的結構了 星艦和所有的火箭一樣是分級結構 大多數火箭是2-3級結構 而星艦是兩級結構 相對比較簡單 第一級助推器叫作超重助推器 我們後面還會講到 而第二級助推器就叫作星艦飛船 兩級結構裡面都配備了猛禽發動機 第二級結構 星艦飛船就是載人艙 直徑和下方的超重助推器一樣 都是9米 長度是50米 內部大約有1000立方米的空間可用 如果按照公寓房的高度來比較呢 星艦飛船就相當於是16層高的公寓樓 不過這16層高的 公寓樓的絕大部分空間 都要用來裝燃料和猛禽發動機 所以供給旅客使用的空間 只有17米高 從上到下分為6層 第一層很簡單 就是一個入口 第二層是存儲區 就相當於是飛機的貨物艙 用於儲存各類必需的生活用品 以及旅客的行李 第三層是健身房和洗手間 聽到這兒 你是不是會覺得有點奇怪 本來空間就不大 為啥還要搞噱頭 修一個健身房呢 其實星艦飛船上的健身房 並不是裝飾品 也不是奢侈品 而是必需品 因為人如果長期處於失重狀態 身體會出現各種問題 比如肌肉萎縮 骨質疏鬆 甚至出現心血管疾病等等 因此國際空間站就為宇航員們 設計了幾款宇航員專用的健身器材 宇航員們每天至少 都要有兩個小時以上的訓練 才能夠保持健康 而馬斯克就直接抄了 國際空間站的作業 第四層就是旅客們的住宿區了 當然飛船上的住宿條件 是沒有辦法和豪華酒店相提並論的 每個旅客都只能住進 類似日本膠囊旅館的 那種格子間裡 第五層則是會客廳 是旅客們的社交場所 如果你不想和任何人說話也沒關係 你可以靜靜地趴在超大舷窗上 欣賞浩瀚無垠的宇宙 第六層就是整個飛船最重要的地方 飛船控制中心的所在地了 看到這兒你可能要問 等等 上下飛船各層的樓梯在哪呢 答案是 就在飛船的中央 每一層的中央都是一個大洞 電梯井和中央走廊就安放在大洞裡 把上下六層樓串聯起來 飛船在太空航行的時候 旅客們都處於失重狀態 所以大家可以像宇航員一樣 隨意在中央走廊裡飄來飄去 往返於星艦的各個區域 SpaceX宣稱 飛船能夠攜帶足夠的水和食物 足以支撐100人 從地球到火星的旅程 而且到了火星之後 飛船的下部還配備了一輛 特製的特斯拉自駕車 可以帶著旅客們在火星表面游覽 可以說星艦飛船 麻雀雖小 卻五臟俱全 完全可以滿足從地球到火星的旅程 人類旅途當中方方面面的需要 那裡邊都有了 可是等到了火星之後 燃料用盡它如何飛回來呢 那這就要說到飛船用的燃料了 飛船上的猛禽發動機用的燃料 是甲烷和液氧的混合物 這種組合的優點是 比一般的液態燃料 燃燒的更充分 更乾淨 就減少了燃燒殘留物 對火箭體的腐蝕 最最主要的是火星上 遍布了製造甲烷的資源 二氧化碳和水 二氧化碳和水 能夠通過薩巴蒂爾反應生成甲烷 火星大氣中有95%的成分是二氧化碳 火星的地表和地下也布滿了水冰 因此飛船只要能夠順利抵達火星 就可以拿到取之不盡 用之不竭的燃料 好 簡單介紹了船--星艦 那再回到另外一項關鍵的成就 港口 也就是機甲哥斯拉發射台 從影片中大家可以看到 機甲哥斯拉在外型上看 與普通的火箭發射架沒啥區別 最顯著的區別 就是多了兩條長長的機械臂 也被稱為筷子手 就是這個筷子手 對省錢起到了至關重要的作用 一般的兩級火箭發射後 後方的助推器在2、3分鐘之內 把前方的飛船或者衛星推入軌道 再然後它就會自動脫落 迅速向地表墜落 因為受到空氣的阻力 一級助推器會在高溫當中燃燒 最後剩下的殘渣就會落到海裡 成為海底的垃圾 而且是極為昂貴的垃圾 因為一台火箭助推器的價格 大約是在5000萬美元至1億美元之間 但是星艦的一級助推器 也就是超重助推器 卻不會成為垃圾 當超重助推器把星艦飛船 送到大約卡門線位置的時候 它就會與飛船分離 卡門線是位於離地表 100公里的高空當中 這裡是全球公認的大氣層 與外太空的分界線 在卡門線與飛船脫落的超重助推器 會立刻來個華麗轉身向發射架飛去 那這裡就要重點說一下 超重助推器上配備的 33台猛禽發動機了 SpaceX從2012年起 就開始使用猛禽發動機 從1.0版進階到了3.0版本 發動機上採用了 全流量分級燃燒循環技術 這個詞用一句話解釋 結果就是它會讓甲烷和液氧 完全充分燃燒 不留任何殘渣 這樣就極大延長了發動機的壽命 也可以在完成一次任務之後 不用清洗發動機 就直接執行下一次任務 而且猛禽發動機的推力極強 是土星5號火箭起飛推力的2.2倍 當然目前猛禽並不是世界上 推力最強的火箭發動機 比如NASA SLS火箭 使用的RS-25發動機 和藍色起源火箭用的BE-4發動機 都比猛禽的推力更強 但是這些發動機 體積、重量和造價都遠超猛禽 所以從綜合性價比的角度來看 猛禽稱得上是 新一代火箭的發動機之王 33台猛禽發動機 安放在超重助推器的底部 分為中心部分和外圍部分 中心13台 外圍20台 當火箭起飛的時候 33台猛禽全開 最大限度的保證火箭的推力 當助推器和火箭分離之後 外圍的20台發動機會停火 只開中心13台發動機的一部分 因為中心的13台猛禽發動機 加入了推力矢量控制技術 意思就是能夠通過控制發動機尾 噴流方向 來控制飛行的方向 這項技術是現代戰鬥機上的標配 而且星艦還開發出了一個功能 叫反向點火 反向點火的功能 就是不斷地調節著助推器 飛回發射架的方向 也減緩著助推器下降的速度 同時助推器外部貼著的黑色小瓷磚 形成了隔熱層 能夠讓助推器承受1500度的高溫 保證助推器在返回大氣層的時候 能夠完好無損 當助推器降落到 距離地表2000米高度的時候 中心的13台發動機會全部啟動 不停地調節著助推器的位置 以及減緩下降速度 等它快靠近發射塔的時候 就只剩下3台發動機在工作了 來穩定助推器的速度 並且保證助推器 垂直地落在兩根巨大的機械臂 也叫「筷子」的中間 在距離地面幾十米高度的時候 助推器已經穩穩地垂直 懸停在兩根「筷子」之間了 再過幾秒 「筷子」就會牢牢地抓住助推器 猛禽發動機全部熄火 就這樣 回收以後的助推器 只要經過檢查 重新注入燃料 幾個小時以後就能夠 再投入另一次發射了 既然「筷子」能夠夾住助推器 那麼它夾住從火星飛回來的星艦飛船 也就指日可待了 按照馬斯克的說法 實現了筷子夾火箭之後 一天發射20次都不成問題 也就是說每小時 大約就能夠發射一次火箭 這樣馬斯克所設想的 40萬美元一趟的火星之旅 就不再是白日夢了 而是實實在在能夠看到的願景 除了美國 中國其實也一直在探索火星 2020年長征五號火箭發射升空 天問一號火星探測器 被送到了火星的環繞軌道 一年後 天問一號上的祝融號火星車 成功登陸火星 舉國歡慶 祝融號在火星上工作了將近一年 就永久休眠了 再也沒能醒過來 而NASA較早發上去的兩輛火星車 都還在頑強工作 其中堅韌號工作超過了兩年 而好奇號更加是老司機了 都工作超過十年了 所以中國的火星探索之旅 還處於起步的階段 中國在能重複使用的運載火箭 這個領域也是一片空白 中國的民營科技公司天兵科技 在SpaceX的刺激下誓言 要造出類似星艦這樣的 可回收國產火箭 為中國爭口氣 公司在2019年定的宏大目標是 將要推出的天龍3號運載火箭 要能夠和馬斯克的星艦相媲美 和SpaceX一拼高下 五年過去了 2024年6月30日 發生了很戲劇化的一幕 天龍3號火箭在河南鞏義市靜態試車 靜態試車的意思是 火箭在發射架上點火測試發動機 但火箭並不離開發射台 結果天龍火箭不聽指揮 突然從試車台上自行升空 在空中「碰」的一下爆炸 這次試車任務一不小心 搞成了一次發射任務 這倒好 人家的超重型火箭從太空返航 被筷子一把精確夾住 您這靜態試車的時候就夾不住 火箭就放飛自我了 這差距好像還不是一點半點的大 要追上馬斯克的星艦 實在是任重道遠啊 雖然SpaceX已經取得了驚人的成績 但是太空畢竟不是地球 人類要登陸火星 還面臨著巨大的難題 首先要解決的是長期的太空旅行 對人體帶來的傷害 比如無處不在的宇宙輻射 還有微重力對人體的影響 等完成了太空旅行 到了火星上 還有更難解決的諸多問題 比如火星的大氣層異常稀薄 而且95%以上的氣體是二氧化碳 大氣壓只有地球的1% 人類是無法在火星正常呼吸的 因此必須在火星上 通過人工設備來生成氧氣 以及維持人體所需要的氣壓 再加上火星表面 平均零下20攝氏度的極端天氣 以及輻射和地球通訊不暢等等難題 都讓人類在火星的生活極為艱難 可以肯定地說 伊隆·馬斯克的星艦 目前只是粗略解決了 從地球到火星的交通問題 這是所有難題當中 最容易解決的一環 還必須得解決排在後面 難度大得多的問題 才能夠決定人類 登陸和殖民火星的日程 那麼好 今天的故事就分享到這 謝謝大家 如果您覺得今天的話題 或者咱們這個頻道有意思的話 就請訂個閱 關個注 下回更新不迷路 散會 最後剪輯師小謝拍了個案 說了那麼多 我只想知道2035年 我能不能帶孩子去火星 暑假旅遊一趟啊