揭祕SpaceX如何設計建造太空船 曾被質疑是“科學幻想”
BI中文站 9月17日報道
2017年12月份，一個巨大的白色帳篷出現在洛杉磯港。一份常規許可證表明，由伊隆·馬斯克(Elon Musk)創立的火箭公司SpaceX正利用這個佔地約1858平方米、耗資50萬美元的設施，作為“儲物帳篷”。
但幾個月後，馬斯克透露了這個帳篷的真正用途。在裡面，他的工程師們正在建造巨大的星際殖民飛船，名為大獵鷹火箭（簡稱BFR)。不久前，SpaceX宣佈，該公司已經選定了首位搭載BFR飛船進入太空的私人乘客，他將圍繞月球飛行。
SpaceX公司的Big Falcon Rocket設計為16層樓高，每次可向火星運送100人和150噸貨物
BFR專案及其直接飛往月球的目標標誌著，SpaceX殖民火星計劃以不可思議且明顯非傳統的方式開始。雖然馬斯克可能很快就會宣佈繞月飛行計劃的發射日期，但他更大的目標是在2022年向火星發射無人駕駛的貨運飛船，然後在2024年發射載人飛船。
美國航空諮詢公司Teal Group資深太空分析師馬可·卡塞雷斯（Marco Cáceres）表示：“馬斯克希望有兩顆行星可供人類居住。有人認為這個計劃太瘋狂，但卻意義重大。如果我們的星球發生意外，我們還有另一個可供選擇。”
根據馬斯克的宣告和帳篷內的硬體情況，專家們表示，SpaceX的員工顯然正在建造全尺寸的BFR系統原型。
SpaceX據說正在洛杉磯港佔地1858平方米的巨大白色帳篷裡中建造火星飛船原型
馬斯克在宣佈私人繞月飛行計劃前曾說過，BFR由兩部分組成，其中包括約48米高的飛船，它被安置在超過高58米高的火箭助推器頂部。這樣的系統加起來將有35層樓高，超過自由女神像的高度。
在加滿燃料的情況下，BFR將重達4082噸，可裝載150噸貨物，並可運送100名乘客前往火星。最重要的是，整個系統將100%可重複使用。卡塞雷斯說：“這是我們從未見過的，也將是第一枚整體可重複使用的運載火箭。”
BFR向太空發射的渲染圖
馬斯克對BFR的設想，使它成為人類嘗試過的最困難的工程專案之一。南加州大學材料科學家和航天工程師史蒂夫·納特（Steve Nutt）表示：“我們已經去過月球，但這是個至少比那更雄心勃勃的目標，這聽起來就像科幻小說。”
到目前為止，SpaceX基本上對這個白色帳篷下發生的一切都嚴格保密。在那裡工作的人不會透露專案的細節，有幸參觀過那裡的局外人也閉口不談。該公司多次拒絕就此事接受採訪或發表公開評論。
因此，航空航天專家和公眾都想知道，SpaceX如何才能按照馬斯克提出的時間表建成巨型飛船。為了儘可能接近答案，美國主流網路媒體BI採訪了多位業內專家，他們推測SpaceX建造BFR的方法，包括使用的潛在材料、尖端的組裝工藝、安全檢查以及預計成本等。
但這些專家也受到許多重大問題的困擾，其中最重要的問題或許是：社會是否準備好接受SpaceX的火星任務以悲劇告終的高概率？
2019年：第一艘火星飛船發射？
2017年9月，馬斯克在澳大利亞阿德萊德舉行的國際宇航大會上發言
馬斯克表示，BFR系統最終將取代目前SpaceX使用的所有火箭和宇宙飛船，因為它的發射成本更低。也就是說，相對於主宰整個行業的一次性火箭而言，BFR系統更便宜。
為了實現這個目標，SpaceX最近籌集了數億美元資金，其中大部分可能用於BFR專案。最新宣佈的繞月之旅也將著眼於飛船的開發，SpaceX的6000名員工中也有越來越多的人蔘與這項工作。
工程師們從系統中“迄今為止最難”的部分著手，就像馬斯克所描述的那樣：16層樓高的宇宙飛船。馬斯克曾表示，第一個原型BFR系統應該在2019年完成。
假設建造工作從去年12月前後帳篷完工時就開始，這意味著建造時間大約為18-24個月。相比之下，美國宇航局(NASA)的太空梭(比BFR小得多)每架都花了大約五年時間來製造。納特說:“這是SpaceX和馬斯克的經典之作。你不能閒坐著，許多壓力迫使你快速完成任務。”
一旦建造完成，這艘飛船原型很有可能搭乘駁船穿過巴拿馬運河，在美國德克薩斯州登陸，然後用卡車運到內陸，到達SpaceX位於德克薩斯州南部的火箭發射中心。SpaceX總裁兼營運長格溫·肖特韋爾(Gwynne Shotwell)在9月早些時候的一次會議上表示，到2019年底，該公司將開始一系列短期“跳躍”測試。
與此同時，工人們可能完成在洛杉磯港口建設SpaceX永久BFR工廠的工程。該設施將佔地約18580平方米，是白色帳篷的10倍大。按照SpaceX的計劃，當所有部件準備就緒後，助推器將把飛船送到離地球數萬米高空，然後分離，最終重新著陸、進行檢查以及重新新增燃料。與此同時，飛船將啟動引擎加速進入地球軌道。
這張圖顯示SpaceX計劃如何在火星上建立基地和甲烷燃料補給站
此時，飛船幾乎已經耗盡燃料，因此SpaceX計劃發射幾乎與其完全相同的加油飛船，與軌道上的第一艘飛船對接。以每小時28164公里的速度進行的一系列對接，加油飛船會給後者的油箱補充液態甲烷燃料以及燃燒它所需要的液態氧，儘管這可能需要加油飛船往來十數次。
SpaceX首席火星開發工程師保羅·伍斯特(Paul Wooster)今年8月在向火星協會(Mars Society)做報告時表示：“這讓我們能夠有效地重新設定火箭方程式，我們將100噸或更多的物質送入近地軌道，然後重新補充燃料，我們可以把這些載荷帶到任何地方，包括火星表面。”
馬斯克設想的火星城市
BFR的飛船還被設計成在火星上加滿燃料，以供返回地球之用。SpaceX公司計劃利用火星土壤中的水、稀薄空氣中的二氧化碳以及太陽能電池板的電力製造氧氣和甲烷燃料。
來自地球的碳纖維發射物
SpaceXBFR飛船在火星著陸的渲染圖
為了能夠發射，在軌道上補充燃料，忍受幾個月的太空飛行，登陸火星，離開火星，然後安全返回地球，然後重複整個過程，BFR不可能是個普通的航天器。這就是為何馬斯克2016年表示，建造整個飛船“主要使用先進碳纖維”的原因。
碳纖維複合材料是由許多邊緣微觀但超強的碳絲構成的。這些細絲通常被編織成織物，然後用粘性的、類似膠的環氧樹脂固定。加熱固化後，環氧樹脂在纖維周圍硬化成超堅韌的樹脂。
在這種情況下，整體大於部分之和。許多碳纖維複合材料可以達到或超過鋼的效能。有些還能滿足鋁的效能，鋁航空航天工業最常用的輕質建築材料，其重量僅是金屬質量的一半。但用碳纖維建造巨大的結構並不容易，而SpaceX正在建造的是航空史上前所未有的東西。
迄今為止最大的、可與BFR媲美的航天器將是波音787夢幻客機，但其重量也僅為BFR的50%。關於這類飛船，卡塞雷斯說：“它將是巨大的，比我們所見過的任何東西都要大得多。”
今年4月份，馬斯克在Instagram上分享了一張照片，照片上是個12米長的金屬圓柱體，旁邊還有一輛看起來很小的特斯拉汽車。馬斯克說:“這是SpaceX星際飛船的主體工具。”
這是直徑約9米的工具，SpaceX用它來建造BFR飛船
納特和其他人懷疑，這種工具可能是被稱為車床或心軸（Mandrel）的旋轉機器，用來處理碳纖維材料。納特在談到心軸時說:“這是個非常非常大的心軸，我從沒見過這麼大的。”心軸的工作原理有點像執行緒假離線（thread spooler）。機器人沿著旋轉的心軸的長度移動，精確地展開碳纖維膠帶卷，並將它們纏繞在圓柱體上。
南加州太空飛行計劃(Southern California Spaceflight Initiative)主管、航天工業領域的領先專家格雷格·奧特里(Greg Autry)表示：“你把材料一層一層地鋪開。如果你要製作航天器部件，可能需要將幾十層材料疊加在一起。”在馬斯克分享的照片中，只有波音公司曾經使用過類似於這種體型的心軸。
複雜性令人畏懼
雖然SpaceX使用的具體材料和方法尚未公開，但納特說，如果要製造公寓樓大小的碳纖維結構，將面臨幾個重大挑戰。
一是環氧樹脂在室溫下會慢慢固化。根據美國聯邦航空管理局(FAA)的規定，每種環氧樹脂的固化率都不一樣，但用於製造飛機的環氧樹脂大約4周後就不能使用了。這意味著，SpaceX只能在1個月的時間裡建造飛船的每個主要部分。
另一個挑戰是碳纖維複合材料不太喜歡接觸超冷或低溫液體。但要保持液態，甲烷必須保持在零下126攝氏度以下，氧氣必須保持在零下147攝氏度以下。
2016年，SpaceX的獵鷹9號火箭在發射臺上爆炸，同時搭載著的價值約2億美元的衛星也未能倖免。最有可能的原因是：裝滿低溫液體的碳纖維包裹水箱爆裂。馬斯克在隨後解釋稱：“它容易破裂和洩漏。”
SpaceX的巨大碳纖維燃料箱內部
但馬斯克去年表示，SpaceX“開發出了新的碳纖維基質，這種基質比以往任何時候都更強、更能承受低溫壓力。”
為了證明這一技術突破，SpaceX建造了史上最大的碳纖維複合燃料箱，工作人員將其綁在駁船上，拖到海上，裝滿低溫液體，加壓超過極限，然後猛烈爆炸。
SpaceX在2016年製造的直徑12米的碳纖維燃料箱
用碳纖維複合材料製造飛船還面臨著另一項重大挑戰：如果這種材料不能得到正確的、難以檢測到的修復，很可能會導致飛船出現任務失敗的隱患。
為了避免這種災難性的缺陷，碳纖維複合材料必須在儘可能大的壓力下被壓縮，以推出泡沫，消除空洞，並確保牢固的結合。奧特里說:“這通常需要巨大的加壓箱幫助，它就像一個高壓鍋，但這些東西非常昂貴。”
卡塞雷斯說，SpaceX可能需要的“高壓鍋”大小與製造787飛機所用的差不多，這種定製裝置的成本高達3億美元。所以納特認為，SpaceX可能會以一種不同的方式去做這件事。他說:“我想他們會在烤箱裡修復它。你可以用1/2到1/10的成本做個高壓鍋。”
波音787夢幻客機的碳纖維複合機身
如果卡塞雷斯的觀點是對的，那就意味著SpaceX將把每一塊成品放在一個巨大的耐熱塑料袋裡，吸出足夠的空氣，把碳纖維層壓縮起來，然後把所有東西都加熱。然後，工人們可能會拆卸心軸，以釋放固化和硬化的部分。當所有的大零件完成後，也許是兩三個“桶形部分”加上一個尖鼻子，SpaceX將以某種方式將它們合併成機身。
為了將波音夢幻客機的各個部分連線在一起，該公司使用了大約5萬個金屬緊韌體。但最初這導致了嚴重的問題，因為在加壓測試中出現問題後，在十多架最早的飛機上，數千個緊韌體不得不更換。
對於飛船來說，這樣的問題只會更糟。太空中的溫度差可達數百度，各種航空航天材料以不同的速度膨脹和收縮。納特說:“BFR上有很多不同的東西，複雜程度令人生畏。必須有各種不同的材料和連線方法來完成這一切。”
納特表示，這將使批評人士更有理由稱讚SpaceX的任何成功。他說:“我認為，如果馬斯克成功了，那麼人們應該會欣賞他必須克服的東西，以及該公司必須克服的東西。我不建議押注於馬斯克。”
如何避免缺陷或損壞帶來的死亡
納特說，無論白色大帳篷下面發生了什麼，有一件事是肯定的：SpaceX需要非常仔細地檢查它的工作。這是因為，碳纖維複合材料不易發出裂紋、空洞或其他缺陷跡象。他解釋稱:“當金屬部件受損時，通常會有凹陷或劃痕之類的東西。而碳纖維複合材料製成的零件，表面可能看不到任何損傷。”
為了檢查碳纖維部分，SpaceX可能需要煞費苦心地用超聲波掃描器覆蓋每一寸地方。卡塞雷斯說:“飛機可能存在些結構問題，但不會爆炸。可是在火箭上，洩漏、裂縫和不穩定都可能引發災難性後果。它會爆炸，人們會死亡。”
納特認為，要想降低這種風險，SpaceX可能會遵循行業標準做法，製造演示部件，切割樣品，進行各種極限壓力測試，然後檢查它們。工程師可以將測試資料輸入計算機模型和模擬器中，以估計全尺寸飛船的執行情況。
納特說:“這是個相當乏味的過程，這也是航天領域材料引進極其緩慢的原因之一。”最終，SpaceX將建造並測試全尺寸的飛船，而第一艘很可能會以驚人的失敗告終。
卡塞雷斯表示:“當你在建造這麼大的東西的時候，唯一真正測試它的方法就是一旦你完成了它，你就可以發射它。你最好有雄厚的資金基礎，因為在你得到可用的結構之前，你可能要經歷很多非常慘重的失敗。”
2014年8月，一枚SpaceX的Grasshopper火箭在空中爆炸，原因是引擎感測器失靈
SpaceX沒有任何關於避免問題的幻想，它的許多試驗發射和著陸都以激烈的爆炸結束。該公司還經歷了操作火箭的失敗，導致昂貴的有效載荷損失。今年早些時候，馬斯克警告說，SpaceX有史以來最大的火箭“重型獵鷹”(Falcon Heavy)可能在首次發射時爆炸。
奧特里說:“我瞭解馬斯克，我認為你可以期待他進行試驗和反覆測試。他總是這樣做的，這可能行得通，也可能行不通。”
然而，一旦飛船開始執行任務，飛行中的檢查和修理仍然是必不可少的。納特稱:“這是一個漫長的任務。我認為，在飛行途中發生某種損壞或失敗的可能性，要遠遠大於我們這輩子見過的持續幾天或幾周的任務。”
微小的太空岩石或彗星塵埃在太空中極其危險，因為它們能以每小時數千公里的速度撞擊飛船。如果一毫米長的物體造成的損傷不能及時修復，甚至可能導致整個太空任務癱瘓。納特說:“這些東西可以穿過任何一種結構，造成很大的破壞。”
然而碳纖維複合材料是非常難以修復的，即使是在地球上也是如此。納特舉例說，當美國國防部需要修復碳纖維複合材料噴氣式戰鬥機時，工人們會在受損區域打磨，並用“花式抹刀”將受損區域塗抹環氧樹脂層，然後真空加熱。這就是他所謂的“原始”方法。
納特指出:“有些損傷在地球上可能很難修復，在太空中更難。BFR是個由很多元件構成的大結構，失敗的可能性非常大。所以你必須擔心這些事情，併為所有意外製定應急計劃。”
飛船開發成本高昂
BFR飛船與國際空間站對接的渲染圖
卡塞雷斯說，每次發射BFR的成本可能在1000萬美元左右，其中大部分將用於燃料，因為該系統被設計為多次重複使用。相比之下，獵鷹重型火箭的每次發射成本接近1億美元，但其攜帶的有效載荷僅為BFR飛船的一半。
然而，卡塞雷斯的估計並沒有把建造和測試BFR所需的資本計算在內。卡塞雷斯談到這些開發成本時說:“如果我冒險去猜測的話，我會說大概在40億到50億美元之間。”卡塞雷斯還補充說，如果馬斯克“真的很不幸運，而且還會繼續遭遇挫折，那可能還不止於此。”
他繼續稱，拖延會大大增加最終賬單。卡塞雷斯說:“這就是為什麼需多政府太空專案往往如此昂貴的原因，因為它們總是沒完沒了地繼續下去，既有技術原因，也有預算和政治原因。”
SpaceX展示BFR飛船搭載乘客進行繞月飛行的場景
但卡塞雷斯預計，如果SpaceX取得足夠多的進展，美國宇航局(NASA)可能會對該系統的進一步開發感興趣，並進行投資，以幫助抵消該公司的成本支出。
卡塞雷斯表示:“最終，BFR可能成為美國政府與SpaceX的聯合專案。這只是我的猜測，因為儘管我很欽佩SpaceX的成功，但對於一家公司來說，BFR似乎是個過於龐大、過於複雜的挑戰。”
如果SpaceX成功搭載遊客進行繞月飛行，這可能會成為針對美國宇航局和國會議員(他們控制著政府的錢袋)打出的絕佳宣傳，說服他們使用其技術。
火箭會爆炸，人們會死
SpaceX的Crew Dragon飛船，也被稱為Dragon 2或Dragon V，圍繞地球執行渲染圖
在造出BFR並向月球傳送乘客之前，SpaceX必須在更緊迫的任務上領先一步。該公司成立16年來，首次將美國宇航局的宇航員送上國際空間站。卡塞雷斯說:“如果BFR能夠發揮作用，那麼使用獵鷹9號或獵鷹重型火箭發射載人太空艙必須保證成功。SpaceX必須確保，讓人們進入空間站成為一種習慣。”
但即使這些載人飛行順利進行，世界也必須準備好迎接一個不舒服的、不可避免的時刻：在火星上或在去火星的途中死亡。2016年，當馬斯克在國際宇航大會上展示他前往這顆紅色星球的計劃時，一名觀眾問，SpaceX的火星任務應該由誰第一個完成。
馬斯克當時承認：“第一次火星之旅將會非常危險，死亡率很高，基本上就是有去無回。如果你準備好赴死，那你就是該去的人。”卡塞雷斯觀看了這次演講，他稱自己被馬斯克的誠實所打動。他說:“我當時就想：這不應是公司代表、執行長或NASA官員會說的話。這是最直率的評論，我認為他非常誠實。”
地球是否準備好通往紅色星球的死亡之路？
卡塞雷斯說，現在有相當一部分美國人認為，把宇航員送到空間站已經成了例行公事，而且相當安全，僅僅發生過兩起致命的太空梭事故。但在商業鐵路、汽車和航空工業的早期，經常發生致命事件。
卡塞雷斯還稱:“如果SpaceX要實現讓星際旅行變成常態，我們應該準備好接受類似的結果。SpaceX將來會失敗，火箭會爆炸，人們會死去。這是每個人都必須完全理解的。”
退休宇航員克里斯·哈德菲爾德(Chris Hadfield)將利用現有技術登陸火星的危險與人類歷史上更早的一段時期做了比較，當時探險家們在危險的、長達數年的海洋航行中環繞地球旅行。他表示:“我們派去執行這些任務的大多數宇航員都無法完成任務，他們會死掉。”
無論如何，經驗豐富的宇航員都有可能嘗試這次旅行，而且第一個私人月球旅行者已經確定。但卡塞雷斯想知道，我們對接近太空的熱情有多高。
他說:“如果我們想真正向普通人開放太空，而不只是向專業宇航員開放，那麼我們就必須接受這樣一個事實，那就是會有很多人死亡。我們要麼認為這是可以接受的，要麼認為這是不可接受的，在這種情況下，我們不會再像以前那樣探索太空了。” （編譯/金鹿）
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