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NASA专家坚信马斯克:比登上火星困难100倍的火箭,终究能实现

北极蚊子 2019-2-19 14:17

2月18日消息,据国外媒体报道,SpaceX(美国太空探索技术公司)正在开发一种巨大的、完全可重复使用的发射系统,名为“星际飞船”(Starship),用于载人往返火星。

这家航空航天公司的创始人埃隆·马斯克(Elon Musk)最近表示,他对飞船的设计进行了“彻底”的改变。一个变化是星际飞船有了不锈钢机身。另一种是隔热板,在着陆过程中会“流出”液体,冷却飞船,防止它燃烧。但是航空航天专家预计,星际飞船将面临巨大的挑战,包括可能摧毁飞船的隔热孔堵塞。

美国国家航空航天局(NASA)的一名总工程师表示,载人飞船登陆火星的难度,可能是该机构在这颗红色星球上做过的最困难的事情的100倍。

比登上火星困难100倍?SpaceX新火箭将通过排放燃料降温

由埃隆•马斯克创立的SpaceX正在努力进行一个雄心勃勃的项目——让人类永久定居火星。

为了帮助人类实现这一愿景,马斯克的公司正在开发一种名为“星际飞船”(Starship)的大型、完全可重复使用的发射系统。

根据马斯克最新的描述,“星际飞船”被设想成一艘180英尺(约55米)高的宇宙飞船,它将在一个大约220英尺(约67米)高的火箭助推器上进入轨道。这艘宇宙飞船被设计成在近地轨道上加油,以便一次运送100名乘客和100多吨货物到火星。

但发射系统的成功或失败,以及马斯克支持人类的扩展计划——可能归结为最近两大设计变化的可行性,马斯克称这是“激进的”和“令人愉悦的反直觉”。

其中一个改变是,用不锈钢合金代替碳纤维复合材料建造宇宙飞船。但据美国航空航天工业专家称,最令人惊讶的转变是星际飞船将努力避免在火星和地球的大气层中燃烧。

马斯克表示,飞船将通过微小的孔洞“排出”火箭燃料来降温,而不是像美国宇航局(NASA)的航天飞机那样,依靠数千块厚重的瓷砖来保护飞船不受热。理论上,在星际飞船的钢铁外壳和炽热等离子体之间放置液体可以防止飞船的毁灭。

但NASA兰利太空技术与探索理事会(Space Technology and Exploration Directorate at NASA Langley)主任、航天工程师沃尔特·恩格尔隆德(Walt Engelund)表示,SpaceX能否研制出这种规模空前、设计独特的发射系统,还有待观察。

“大规模的进入、下降和着陆是NASA几十年来一直面临的挑战。我们花了很多时间,考虑了很多如何在火星上实现这一目标。“我们已经着陆了重达十吨的好奇号探测车——这是我们在火星表面着陆的最大的物体。”

从火星着陆的用于机器人充满人类的建设规模的船,恩格尔隆德说,“(究竟是)几个数量级”的实现,大约比好奇号着陆,更加困难100倍”,他说,“可以说是我们在NASA做过的最难的一件事。”

“这对我们和SpaceX来说都不容易”,恩格尔隆德说。

“星际飞船”为什么是一艘重型火箭飞船:抛光来反射热量

马斯克认为,他可以在2050年前在这个红色星球上建立一个自给自足的城市。他希望去火星的个人机票像地球上的房子一样便宜,而且往返机票是免费的。

马斯克计划用星际飞船超重型发射系统(Starship-Super Heavy)来实现这一目标。他说改用不锈钢合金是一种降低成本、加快系统建设的方法。

去年12月,马斯克在谈到这一变化时说:“星际飞船将看起来像液态银。”他还补充说,飞船将采用镜面抛光,以帮助反射热量——这是一种真正意义上的酷元素。

SpaceX即将推出的星际飞船和超重型火箭助推器(中间),以及NASA的土星五号月球火箭(左)和SpaceX的猎鹰9号火箭(右)

在接受《大众机械》(Popular Mechanics)采访时,马斯克解释说,按重量计算,钢的价格大约是SpaceX公司计划在9月底使用的轻质但强度超强的碳纤维复合材料的67倍。钢也比碳纤维更容易加工,允许更快的原型,并能更好地经受高温。

更重要的是,马斯克说,当钢接触到超冷液体时,它的强度“提高了50%”,包括星际飞船可能用来在太空中推进自身的低温甲烷和氧气。

然而,钢铁的问题是,它的材料又重又密。通用动力公司(General Dynamics)的阿特拉斯(Atlas)导弹的早期版本中,至少有一枚是用这种金属制成的。

然而马斯克表示,SpaceX使用钢材的方式有很大的不同,这将使重新设计的星际飞船更坚固、更耐用、重量更轻。他说,最终,材料的改变将改善火箭船在旧设计上的性能。

“我相信,不锈钢飞船将比先进的铝或碳纤维更轻,因为它的强度和重量相对于温度,并减少了对热屏蔽的需求”,1月份,马斯克在社交媒体上写道。

钢铁是坚韧的,它也不是不可战胜的,尤其是当它在大气气体中形成飞船的外壳时。马斯克对此似乎充满了信心。

像“流血”或“冒汗”的方式,为新火箭降温

马斯克说,SpaceX可能会用这种合金来制造星际飞船的外壳。这种被称为310S的材料通常被标榜为耐热金属,因为它含有大量的铬和镍(但它和厨房锅碗瓢盆里使用的钢材没什么不同)。尽管如此,310S钢在2000度左右开始与氧气发生反应并发生腐蚀,在2400度左右熔化。马斯克的想法需要实际检验。

下面这是SpaceX即将推出的星际飞船和超重型火箭助推器的图片。马斯克说,发射系统将由不锈钢合金打磨成镜面形式。

“星际飞船”可以以每小时19000英里的速度进入火星和地球的大气层。马斯克说,在这样的速度下,飞船腹部或身体的一部分,比如它的鼻子,可能会暴露在大约2700华氏度的温度下。

这艘火箭飞船需要高温保护,这就是为什么马斯克计划要求飞船在着陆时使用液体燃料进行冷却。

马斯克告诉美国《大众机械》杂志,他决定放弃像航天飞机那样的隔热瓦,以减轻飞船的重量,并避免受损或丢失的隔热瓦损害隔热板的风险。

相反,他解释说,“星际飞船”会从钢铁外壳上的小孔中“像流血一样”或“冒汗”的方式排出火箭燃料,而液体层会带走进入大气层时的灼热。

“在迎风的一面,我想做的是拥有第一个可再生隔热板。一个双层不锈钢外壳——就像不锈钢三明治”,马斯克说,“你在三明治层之间流动燃料或水,然后你在外面有微孔,非常小的孔。你实际上是在放水,或者通过外面的微孔放水。”除非你走近仔细观察,否则你是看不到它们的。”

他补充说,隔热板将通过加强星际飞船的钢体来发挥双重作用。

马斯克说,“据我所知,这在以前从未有人提出过。”

航天专家告诉媒体称,马斯克的说法是正确的,没有任何一艘宇宙飞船发射进入轨道后使用这种隔热板返回地球。但出汗或“蒸发”热保护的概念并不新颖,而且它在工程上一直是一个难以置信的棘手挑战。

洲际弹道导弹的冷却技术,都没有实现高效降温结果

以哺乳动物皮肤的形式,呼吸或“主动”冷却的方法,已经在地球上存在了数百万年。例如,当人体温度升高到过高时,微小的毛孔会排出汗液。这种液体蒸发带走多余的热量,防止过热。马斯克希望用这样的原理,给自己的新火箭进行散热。

至于让汗流浃背的宇宙飞船来散热,NASA在宇航员登陆月球之前,就已经开始摆弄自然冷却系统了。马斯克的想法并不是创新的。

“蒸发冷却的想法并不新鲜。这已经有几十年的历史了。

1965年,NASA申请了一项专利,建议使用宇航员的尿液冷却太空舱底部的隔热板。直到2006年,美国宇航局还花费了至少7万美元研究一种可充气的、可旋转冷却的隔热板,这种隔热板可以帮助航天器在火星着陆。

“冒汗”的宇宙飞船在冷战军备竞赛中也发挥了作用。1976年3月,美国国防部测试了一种用于再入飞行器的蒸发冷却方式。这种飞行器可以搭载洲际弹道导弹飞向太空,以每小时数千英里的速度再进入地球大气层,并用核弹头打击遥远的目标。

但根据美国空军的历史文件显示,该项目在20世纪70年代后期被取消,原因是有限的资金和“困扰开发工作的设计问题”。工程师们选择了更简单的“烧蚀”隔热板,这种隔热板可以在重返大气层时燃烧,从而使飞船和器材绝缘。

关于国防相关的透射热防护问题的信息大多是分类的。但研究太空运载火箭军事用途的航空航天工程师乔治·赫伯特(George Herbert)在一封电子邮件中告诉记者,“已报告和已知的问题包括堵塞的蒸腾洞。”

换句话说,青少年皮肤经常面临的一个挑战就是毛孔堵塞。即便是先进的航空技术,也没有改变这种现状。

“如果一只鸟在你的火箭上拉屎怎么办?”

1986年1月28日,美国宇航局的“挑战者号”航天飞机从佛罗里达州卡纳维拉尔角发射升空。这次发射行为打扰了附近的鸟群。

1986年1月28日,美国宇航局挑战者号航天飞机发射惊动了鸟群

几位专家告诉记者,他们对星际飞船隔热罩设计中的堵塞问题感到担忧。

恩格尔隆德说:“你可以想象,如果它们是微小的毛孔,堵塞这样的东西并不难。”

曾协助调查NASA的“哥伦比亚号(Columbia)”航天飞机及其机组人员失踪事件的德韦恩·戴(Dwayne Day),设想了这艘星际飞船在地球上任何发射地点都会面临的一种令人烦恼的常见情况。

“如果一只鸟在你的火箭上拉屎,它堵住了几个洞,然后当火箭返回时,没有冷却剂从这些洞里出来,飞船的那个部分过热了怎么办?”戴表示非常怀疑马斯克的设计。

恩格尔隆德说,他在NASA高超音速风洞的测试中发现冷却系统堵塞的问题。在这些实验中,研究人员将车辆的比例模型放入隧道中,以研究它们的性能。在一些测试中,隔热板将液体抽入飞船皮肤下方的通道,使其冷却,但并非所有的飞船都存活了下来。

“我见过这样的例子,你会遇到一个堵塞的通道……”它会立即导致磨损。“飞船将在高超声速风洞中消失。它几乎蒸发了,有这么多的能量和热量。

马斯克表示,使用甲烷作为冷却剂可能比水更好。

他在上个月发布的信息说:“水的快速蒸发可能会违反直觉,导致水突然冻结,堵塞冷却通道。”

但恩格尔隆德也看到了甲烷选项的挑战。当暴露在高温下时,碳氢燃料(如甲烷)中的碳原子会“结焦”或粘在一起变成固体。这样的碎屑可以堵塞细孔等结构。

恩格尔隆德说,“我对此非常担心。”他补充说,另一个大问题是燃料中的杂质,这也会导致堵塞。

恩格尔隆德说,解决这些问题的一种可能的方法是增加比看上去必要的更多的孔隙,“以防一小部分小孔堵塞,或者冷却剂流入这些小孔的通道堵塞。”

除了鸟粪和堵塞等问题外,火星上还飘着细尘。这可能会滞留在星际飞船的燃料渗出孔中,在这颗红色星球上可能很难找到并清除这些堵塞。

恩格尔隆德说,“一般来说,像这样的大型主动探测系统需要进行检测和认证,特别是在火星上,你没有大型高塔可以爬上去进行检测”。“我想你可以用无人机,也许这就是他在想的事情。”

如果马斯克这次失败了,专家也相信SpaceX终究会实现

最近,马斯克只分享了星际飞船最新设计的一些片段,并没有像过去那样向公众展示完整的图片。

但马斯克在去年12月表示,他将“在3月到4月提供详细解释”,等待该公司在德克萨斯州建造的“测试漏斗”原型机成功发射。

与此同时,马斯克分享了一段视频(见上图),似乎是在展示一种金属隔热板在星际飞船上的测试。目前尚不清楚SpaceX公司在“蒸发冷却”概念上进行了多少研究。

赫伯特说,“如果他们没有努力实现自己的目标,这将是一个巨大的风险。但如果他们真的这么做了,他们的新设计可能会成为真正的赢家。”

恩格尔隆德说,如果它不起作用,对马斯克的星际飞船来说,也不一定是死胡同。

恩格尔隆德认为“他可能会发现这种方法站不住脚,或者证明或测试成本太高,他可能会找到更好的办法。在他的职业生涯中,他真的很擅长这个。”

SpaceX还预计,随着工程师们努力让“星际飞船”成为现实,公司将不断进行调整和改变。

一名该公司代表在一封电子邮件中回复记者称,“我们正在使用与猎鹰1号(Falcon 1)、猎鹰9号(Falcon 9)、猎鹰重型(Falcon Heavy)和猎鹰计划(Dragon program)相同的快速迭代设计方法。”他指的是该公司最新的火箭和宇宙飞船设计。

但SpaceX拒绝将“星际飞船”与美国宇航局的“好奇号”漫游者进行任何比较。

SpaceX表示,“‘好奇号’正在挑战1970年火星(进入、下降和着陆)技术的极限,包括一种特殊的基于降落伞的EDL架构。我们正在采取一种完全不同的方法,利用我们在猎鹰9号上所做的一切,在飞往火星之前,我们有足够的机会在地球上进行演示。”

尽管SpaceX在火星上发射和着陆星际飞船的过程中似乎面临着重重障碍,但我们采访过的专家中没有人认为SpaceX的系统是难以置信的。

恩格尔隆德说,“他们让很多人感到惊讶,有很多聪明的人为他们工作,埃隆(马斯克)似乎真的很投入。也许我们可以期待他们做一些事情。我想会实现的。”

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