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揭秘SpaceX如何设计建造太空船 曾被质疑是“科学幻想”

BI中文站 9月17日报道

2017年12月份,一个巨大的白色帐篷出现在洛杉矶港。一份常规许可证表明,由伊隆·马斯克(Elon Musk)创立的火箭公司SpaceX正利用这个占地约1858平方米、耗资50万美元的设施,作为“储物帐篷”。

但几个月后,马斯克透露了这个帐篷的真正用途。在里面,他的工程师们正在建造巨大的星际殖民飞船,名为大猎鹰火箭(简称BFR)。不久前,SpaceX宣布,该公司已经选定了首位搭载BFR飞船进入太空的私人乘客,他将围绕月球飞行。

SpaceX公司的Big Falcon Rocket设计为16层楼高,每次可向火星运送100人和150吨货物

BFR项目及其直接飞往月球的目标标志着,SpaceX殖民火星计划以不可思议且明显非传统的方式开始。虽然马斯克可能很快就会宣布绕月飞行计划的发射日期,但他更大的目标是在2022年向火星发射无人驾驶的货运飞船,然后在2024年发射载人飞船。

美国航空咨询公司Teal Group资深太空分析师马可·卡塞雷斯(Marco Cáceres)表示:“马斯克希望有两颗行星可供人类居住。有人认为这个计划太疯狂,但却意义重大。如果我们的星球发生意外,我们还有另一个可供选择。”

根据马斯克的声明和帐篷内的硬件情况,专家们表示,SpaceX的员工显然正在建造全尺寸的BFR系统原型。

SpaceX据说正在洛杉矶港占地1858平方米的巨大白色帐篷里中建造火星飞船原型

马斯克在宣布私人绕月飞行计划前曾说过,BFR由两部分组成,其中包括约48米高的飞船,它被安置在超过高58米高的火箭助推器顶部。这样的系统加起来将有35层楼高,超过自由女神像的高度。

在加满燃料的情况下,BFR将重达4082吨,可装载150吨货物,并可运送100名乘客前往火星。最重要的是,整个系统将100%可重复使用。卡塞雷斯说:“这是我们从未见过的,也将是第一枚整体可重复使用的运载火箭。”

BFR向太空发射的渲染图

马斯克对BFR的设想,使它成为人类尝试过的最困难的工程项目之一。南加州大学材料科学家和航天工程师史蒂夫·纳特(Steve Nutt)表示:“我们已经去过月球,但这是个至少比那更雄心勃勃的目标,这听起来就像科幻小说。”

到目前为止,SpaceX基本上对这个白色帐篷下发生的一切都严格保密。在那里工作的人不会透露项目的细节,有幸参观过那里的局外人也闭口不谈。该公司多次拒绝就此事接受采访或发表公开评论。

因此,航空航天专家和公众都想知道,SpaceX如何才能按照马斯克提出的时间表建成巨型飞船。为了尽可能接近答案,美国主流网络媒体BI采访了多位业内专家,他们推测SpaceX建造BFR的方法,包括使用的潜在材料、尖端的组装工艺、安全检查以及预计成本等。

但这些专家也受到许多重大问题的困扰,其中最重要的问题或许是:社会是否准备好接受SpaceX的火星任务以悲剧告终的高概率?

2019年:第一艘火星飞船发射?

2017年9月,马斯克在澳大利亚阿德莱德举行的国际宇航大会上发言

马斯克表示,BFR系统最终将取代目前SpaceX使用的所有火箭和宇宙飞船,因为它的发射成本更低。也就是说,相对于主宰整个行业的一次性火箭而言,BFR系统更便宜。

为了实现这个目标,SpaceX最近筹集了数亿美元资金,其中大部分可能用于BFR项目。最新宣布的绕月之旅也将着眼于飞船的开发,SpaceX的6000名员工中也有越来越多的人参与这项工作。

工程师们从系统中“迄今为止最难”的部分着手,就像马斯克所描述的那样:16层楼高的宇宙飞船。马斯克曾表示,第一个原型BFR系统应该在2019年完成。

假设建造工作从去年12月前后帐篷完工时就开始,这意味着建造时间大约为18-24个月。相比之下,美国宇航局(NASA)的航天飞机(比BFR小得多)每架都花了大约五年时间来制造。纳特说:“这是SpaceX和马斯克的经典之作。你不能闲坐着,许多压力迫使你快速完成任务。”

一旦建造完成,这艘飞船原型很有可能搭乘驳船穿过巴拿马运河,在美国德克萨斯州登陆,然后用卡车运到内陆,到达SpaceX位于德克萨斯州南部的火箭发射中心。SpaceX总裁兼首席运营官格温·肖特韦尔(Gwynne Shotwell)在9月早些时候的一次会议上表示,到2019年底,该公司将开始一系列短期“跳跃”测试。

与此同时,工人们可能完成在洛杉矶港口建设SpaceX永久BFR工厂的工程。该设施将占地约18580平方米,是白色帐篷的10倍大。按照SpaceX的计划,当所有部件准备就绪后,助推器将把飞船送到离地球数万米高空,然后分离,最终重新着陆、进行检查以及重新添加燃料。与此同时,飞船将启动引擎加速进入地球轨道。

这张图显示SpaceX计划如何在火星上建立基地和甲烷燃料补给站

此时,飞船几乎已经耗尽燃料,因此SpaceX计划发射几乎与其完全相同的加油飞船,与轨道上的第一艘飞船对接。以每小时28164公里的速度进行的一系列对接,加油飞船会给后者的油箱补充液态甲烷燃料以及燃烧它所需要的液态氧,尽管这可能需要加油飞船往来十数次。

SpaceX首席火星开发工程师保罗·伍斯特(Paul Wooster)今年8月在向火星协会(Mars Society)做报告时表示:“这让我们能够有效地重新设定火箭方程式,我们将100吨或更多的物质送入近地轨道,然后重新补充燃料,我们可以把这些载荷带到任何地方,包括火星表面。”

马斯克设想的火星城市

BFR的飞船还被设计成在火星上加满燃料,以供返回地球之用。SpaceX公司计划利用火星土壤中的水、稀薄空气中的二氧化碳以及太阳能电池板的电力制造氧气和甲烷燃料。

来自地球的碳纤维发射物

SpaceXBFR飞船在火星着陆的渲染图

为了能够发射,在轨道上补充燃料,忍受几个月的太空飞行,登陆火星,离开火星,然后安全返回地球,然后重复整个过程,BFR不可能是个普通的航天器。这就是为何马斯克2016年表示,建造整个飞船“主要使用先进碳纤维”的原因。

碳纤维复合材料是由许多边缘微观但超强的碳丝构成的。这些细丝通常被编织成织物,然后用粘性的、类似胶的环氧树脂固定。加热固化后,环氧树脂在纤维周围硬化成超坚韧的树脂。

在这种情况下,整体大于部分之和。许多碳纤维复合材料可以达到或超过钢的性能。有些还能满足铝的性能,铝航空航天工业最常用的轻质建筑材料,其重量仅是金属质量的一半。但用碳纤维建造巨大的结构并不容易,而SpaceX正在建造的是航空史上前所未有的东西。

迄今为止最大的、可与BFR媲美的航天器将是波音787梦幻客机,但其重量也仅为BFR的50%。关于这类飞船,卡塞雷斯说:“它将是巨大的,比我们所见过的任何东西都要大得多。”

今年4月份,马斯克在Instagram上分享了一张照片,照片上是个12米长的金属圆柱体,旁边还有一辆看起来很小的特斯拉汽车。马斯克说:“这是SpaceX星际飞船的主体工具。”

这是直径约9米的工具,SpaceX用它来建造BFR飞船

纳特和其他人怀疑,这种工具可能是被称为车床或心轴(Mandrel)的旋转机器,用来处理碳纤维材料。纳特在谈到心轴时说:“这是个非常非常大的心轴,我从没见过这么大的。”心轴的工作原理有点像线程假脱机(thread spooler)。机器人沿着旋转的心轴的长度移动,精确地展开碳纤维胶带卷,并将它们缠绕在圆柱体上。

南加州太空飞行计划(Southern California Spaceflight Initiative)主管、航天工业领域的领先专家格雷格·奥特里(Greg Autry)表示:“你把材料一层一层地铺开。如果你要制作航天器部件,可能需要将几十层材料叠加在一起。”在马斯克分享的照片中,只有波音公司曾经使用过类似于这种体型的心轴。

复杂性令人畏惧

虽然SpaceX使用的具体材料和方法尚未公开,但纳特说,如果要制造公寓楼大小的碳纤维结构,将面临几个重大挑战。

一是环氧树脂在室温下会慢慢固化。根据美国联邦航空管理局(FAA)的规定,每种环氧树脂的固化率都不一样,但用于制造飞机的环氧树脂大约4周后就不能使用了。这意味着,SpaceX只能在1个月的时间里建造飞船的每个主要部分。

另一个挑战是碳纤维复合材料不太喜欢接触超冷或低温液体。但要保持液态,甲烷必须保持在零下126摄氏度以下,氧气必须保持在零下147摄氏度以下。

2016年,SpaceX的猎鹰9号火箭在发射台上爆炸,同时搭载着的价值约2亿美元的卫星也未能幸免。最有可能的原因是:装满低温液体的碳纤维包裹水箱爆裂。马斯克在随后解释称:“它容易破裂和泄漏。”

SpaceX的巨大碳纤维燃料箱内部

但马斯克去年表示,SpaceX“开发出了新的碳纤维基质,这种基质比以往任何时候都更强、更能承受低温压力。”

为了证明这一技术突破,SpaceX建造了史上最大的碳纤维复合燃料箱,工作人员将其绑在驳船上,拖到海上,装满低温液体,加压超过极限,然后猛烈爆炸。

SpaceX在2016年制造的直径12米的碳纤维燃料箱

用碳纤维复合材料制造飞船还面临着另一项重大挑战:如果这种材料不能得到正确的、难以检测到的修复,很可能会导致飞船出现任务失败的隐患。

为了避免这种灾难性的缺陷,碳纤维复合材料必须在尽可能大的压力下被压缩,以推出泡沫,消除空洞,并确保牢固的结合。奥特里说:“这通常需要巨大的加压箱帮助,它就像一个高压锅,但这些东西非常昂贵。”

卡塞雷斯说,SpaceX可能需要的“高压锅”大小与制造787飞机所用的差不多,这种定制设备的成本高达3亿美元。所以纳特认为,SpaceX可能会以一种不同的方式去做这件事。他说:“我想他们会在烤箱里修复它。你可以用1/2到1/10的成本做个高压锅。”

波音787梦幻客机的碳纤维复合机身

如果卡塞雷斯的观点是对的,那就意味着SpaceX将把每一块成品放在一个巨大的耐热塑料袋里,吸出足够的空气,把碳纤维层压缩起来,然后把所有东西都加热。然后,工人们可能会拆卸心轴,以释放固化和硬化的部分。当所有的大零件完成后,也许是两三个“桶形部分”加上一个尖鼻子,SpaceX将以某种方式将它们合并成机身。

为了将波音梦幻客机的各个部分连接在一起,该公司使用了大约5万个金属紧固件。但最初这导致了严重的问题,因为在加压测试中出现问题后,在十多架最早的飞机上,数千个紧固件不得不更换。

对于飞船来说,这样的问题只会更糟。太空中的温度差可达数百度,各种航空航天材料以不同的速度膨胀和收缩。纳特说:“BFR上有很多不同的东西,复杂程度令人生畏。必须有各种不同的材料和连接方法来完成这一切。”

纳特表示,这将使批评人士更有理由称赞SpaceX的任何成功。他说:“我认为,如果马斯克成功了,那么人们应该会欣赏他必须克服的东西,以及该公司必须克服的东西。我不建议押注于马斯克。”

如何避免缺陷或损坏带来的死亡

纳特说,无论白色大帐篷下面发生了什么,有一件事是肯定的:SpaceX需要非常仔细地检查它的工作。这是因为,碳纤维复合材料不易发出裂纹、空洞或其他缺陷迹象。他解释称:“当金属部件受损时,通常会有凹陷或划痕之类的东西。而碳纤维复合材料制成的零件,表面可能看不到任何损伤。”

为了检查碳纤维部分,SpaceX可能需要煞费苦心地用超声波扫描仪覆盖每一寸地方。卡塞雷斯说:“飞机可能存在些结构问题,但不会爆炸。可是在火箭上,泄漏、裂缝和不稳定都可能引发灾难性后果。它会爆炸,人们会死亡。”

纳特认为,要想降低这种风险,SpaceX可能会遵循行业标准做法,制造演示部件,切割样品,进行各种极限压力测试,然后检查它们。工程师可以将测试数据输入计算机模型和模拟器中,以估计全尺寸飞船的运行情况。

纳特说:“这是个相当乏味的过程,这也是航天领域材料引进极其缓慢的原因之一。”最终,SpaceX将建造并测试全尺寸的飞船,而第一艘很可能会以惊人的失败告终。

卡塞雷斯表示:“当你在建造这么大的东西的时候,唯一真正测试它的方法就是一旦你完成了它,你就可以发射它。你最好有雄厚的资金基础,因为在你得到可用的结构之前,你可能要经历很多非常惨重的失败。”

2014年8月,一枚SpaceX的Grasshopper火箭在空中爆炸,原因是引擎传感器失灵

SpaceX没有任何关于避免问题的幻想,它的许多试验发射和着陆都以激烈的爆炸结束。该公司还经历了操作火箭的失败,导致昂贵的有效载荷损失。今年早些时候,马斯克警告说,SpaceX有史以来最大的火箭“重型猎鹰”(Falcon Heavy)可能在首次发射时爆炸。

奥特里说:“我了解马斯克,我认为你可以期待他进行试验和反复测试。他总是这样做的,这可能行得通,也可能行不通。”

然而,一旦飞船开始执行任务,飞行中的检查和修理仍然是必不可少的。纳特称:“这是一个漫长的任务。我认为,在飞行途中发生某种损坏或失败的可能性,要远远大于我们这辈子见过的持续几天或几周的任务。”

微小的太空岩石或彗星尘埃在太空中极其危险,因为它们能以每小时数千公里的速度撞击飞船。如果一毫米长的物体造成的损伤不能及时修复,甚至可能导致整个太空任务瘫痪。纳特说:“这些东西可以穿过任何一种结构,造成很大的破坏。”

然而碳纤维复合材料是非常难以修复的,即使是在地球上也是如此。纳特举例说,当美国国防部需要修复碳纤维复合材料喷气式战斗机时,工人们会在受损区域打磨,并用“花式抹刀”将受损区域涂抹环氧树脂层,然后真空加热。这就是他所谓的“原始”方法。

纳特指出:“有些损伤在地球上可能很难修复,在太空中更难。BFR是个由很多组件构成的大结构,失败的可能性非常大。所以你必须担心这些事情,并为所有意外制定应急计划。”

飞船开发成本高昂

BFR飞船与国际空间站对接的渲染图

卡塞雷斯说,每次发射BFR的成本可能在1000万美元左右,其中大部分将用于燃料,因为该系统被设计为多次重复使用。相比之下,猎鹰重型火箭的每次发射成本接近1亿美元,但其携带的有效载荷仅为BFR飞船的一半。

然而,卡塞雷斯的估计并没有把建造和测试BFR所需的资本计算在内。卡塞雷斯谈到这些开发成本时说:“如果我冒险去猜测的话,我会说大概在40亿到50亿美元之间。”卡塞雷斯还补充说,如果马斯克“真的很不幸运,而且还会继续遭遇挫折,那可能还不止于此。”

他继续称,拖延会大大增加最终账单。卡塞雷斯说:“这就是为什么需多政府太空项目往往如此昂贵的原因,因为它们总是没完没了地继续下去,既有技术原因,也有预算和政治原因。”

SpaceX展示BFR飞船搭载乘客进行绕月飞行的场景

但卡塞雷斯预计,如果SpaceX取得足够多的进展,美国宇航局(NASA)可能会对该系统的进一步开发感兴趣,并进行投资,以帮助抵消该公司的成本支出。

卡塞雷斯表示:“最终,BFR可能成为美国政府与SpaceX的联合项目。这只是我的猜测,因为尽管我很钦佩SpaceX的成功,但对于一家公司来说,BFR似乎是个过于庞大、过于复杂的挑战。”

如果SpaceX成功搭载游客进行绕月飞行,这可能会成为针对美国宇航局和国会议员(他们控制着政府的钱袋)打出的绝佳宣传,说服他们使用其技术。

火箭会爆炸,人们会死

SpaceX的Crew Dragon飞船,也被称为Dragon 2或Dragon V,围绕地球运行渲染图

在造出BFR并向月球发送乘客之前,SpaceX必须在更紧迫的任务上领先一步。该公司成立16年来,首次将美国宇航局的宇航员送上国际空间站。卡塞雷斯说:“如果BFR能够发挥作用,那么使用猎鹰9号或猎鹰重型火箭发射载人太空舱必须保证成功。SpaceX必须确保,让人们进入空间站成为一种习惯。”

但即使这些载人飞行顺利进行,世界也必须准备好迎接一个不舒服的、不可避免的时刻:在火星上或在去火星的途中死亡。2016年,当马斯克在国际宇航大会上展示他前往这颗红色星球的计划时,一名观众问,SpaceX的火星任务应该由谁第一个完成。

马斯克当时承认:“第一次火星之旅将会非常危险,死亡率很高,基本上就是有去无回。如果你准备好赴死,那你就是该去的人。”卡塞雷斯观看了这次演讲,他称自己被马斯克的诚实所打动。他说:“我当时就想:这不应是公司代表、首席执行官或NASA官员会说的话。这是最直率的评论,我认为他非常诚实。”

地球是否准备好通往红色星球的死亡之路?

卡塞雷斯说,现在有相当一部分美国人认为,把宇航员送到空间站已经成了例行公事,而且相当安全,仅仅发生过两起致命的航天飞机事故。但在商业铁路、汽车和航空工业的早期,经常发生致命事件。

卡塞雷斯还称:“如果SpaceX要实现让星际旅行变成常态,我们应该准备好接受类似的结果。SpaceX将来会失败,火箭会爆炸,人们会死去。这是每个人都必须完全理解的。”

退休宇航员克里斯·哈德菲尔德(Chris Hadfield)将利用现有技术登陆火星的危险与人类历史上更早的一段时期做了比较,当时探险家们在危险的、长达数年的海洋航行中环绕地球旅行。他表示:“我们派去执行这些任务的大多数宇航员都无法完成任务,他们会死掉。”

无论如何,经验丰富的宇航员都有可能尝试这次旅行,而且第一个私人月球旅行者已经确定。但卡塞雷斯想知道,我们对接近太空的热情有多高。

他说:“如果我们想真正向普通人开放太空,而不只是向专业宇航员开放,那么我们就必须接受这样一个事实,那就是会有很多人死亡。我们要么认为这是可以接受的,要么认为这是不可接受的,在这种情况下,我们不会再像以前那样探索太空了。” (编译/金鹿)

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责任编辑:alonliu
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