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马斯克如何将人类送上火星?问问章北海同志的意见

CNMO 【原创】 作者:宋际金 2024-05-14 17:14
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  【CNMO科技】前不久,马斯克说愿将火星作为安眠之地。他曾多次提及,未来人类或成为跨行星物种。但问题是,现在人类如何登上火星还是一个问题。

马斯克如何将人类送上火星?问问章北海同志的意见

  《三体》中的人类也面临类似的问题,只不过更加危急。小说中,为了对付三体人,人类决定研发恒星际飞船,但陷入了推进动力的路线分歧之争。一派主张传统的核动力工质路线,另一派主张核动力无工质路线,以辐射驱动飞船。结果处在上位的几个老航天仍然主张老路线,这让章北海动了杀心。在他看来,他们阻碍了人类发展(逃亡)。

  同样,未来人类要登上火星,能不能利用现有技术和资源,做更有前瞻性的研发?

马斯克如何将人类送上火星?问问章北海同志的意见

  目前,像NASA的“毅力号”、阿联酋的“希望号”以及中国的“天问一号”这些火星探测任务纷纷成功,或许你会觉得上火星轻而易举。但实际上,向这红色星球发射探测车或轨道器与在那里建设能够维持人类生存的基础设施和技术体系,完全是两码事。

  尽管化学推进方式已带领我们涉足太阳系多处,但要迈入人类太空探索的新纪元,仅凭过去五十年的技术远远不够,我们必须探索新的推进技术作为补充。

化学推进

  要把火箭送上太空,穿越地球大气层,冲破重围,你得有足够大的力量。这股力量既要对抗大气层的阻力,还得战胜拽着物体往下坠的重力。

  从上世纪50年代至今,人类一直用化学推进的方式给火箭加油。实质上,就是点燃燃料和氧化剂的混合物(推进剂),产生的热能让火箭里的物质膨胀,然后高速喷出尾部,形成推力。这股力量强大到足以推动火箭突破重力束缚,飞向地球之外的浩瀚宇宙。

  化学推进的最大优势就是快,能让火箭飞得非常迅猛。但这并非效率最高的方案。

马斯克如何将人类送上火星?问问章北海同志的意见

  尽管化学推进原理多年未变,技术却在进步,比如对新型燃料的研究。

  燃料效率关乎能量密度,即单位体积能储存多少能量。氢虽然燃烧能释放大量热,但因轻且密度低,难以储存,所以不实用。

  现在火箭多用煤油,类似于喷气燃料,但甲烷或天然气作为燃料正受到关注。甲烷成本更低,因为天然气资源丰富且易于提取。

  另一研究焦点是改进发动机,比如美国团队研究的旋转爆震发动机,能用较少燃料产生更多推力。精细控制燃料和氧化剂的输入,能更高效增压,减少对大型压缩机的依赖,更高效利用燃料。

  为何不用SpaceX的电力推进方式?因为电力推进无法产生足够的推力让火箭离地,力道不够。

  因此,短期内化学推进仍是发射火箭的必需。但一旦进入轨道,情况就变了。太空飞行如同开启了定速巡航,无需对抗空气阻力和重力,甚至可以借助行星和卫星的引力。此时,更高效的推进系统将接手。

电力推进

  一旦火箭抵达轨道,往往需要微调航线——做些小幅度的速度调整,确保它按正确路径行进。这时,就需要一套推力系统发挥作用。启动车辆时,你得用上几千牛顿的力,让它从静止状态提速、克服自身重量与地心引力腾空而起,这也正是大型火箭存在的必要性所在。但在轨道上,重力不再是阻力,你要克服的主要是自己的惯性速度。

马斯克如何将人类送上火星?问问章北海同志的意见

  调整航天器航向的方法多种多样。推力,说白了就是动力。你排放质量,抛射物质,依据反作用力原理,它会反向推动你。关键在于抛射的质量大小,以及抛射速度。

  对于小型卫星而言,常用的手段是电推进技术。它们借助太阳能板收集的电力,将气体推进剂电离化。随后,这些电离气体经由电子或磁场加速,从卫星尾部喷射而出,从而产生推力推动航天器。

  这是一种极其高效的方案,相较于化学推进,燃料利用率能提升高达90%。

  电推进质量消耗极小,所需的速度来产生推力也不多。电子推进系统几乎能电离任何物质,这意味着可以灵活选用任何可获取的材料作为推进介质。

核能推进

  很多人谈“核”色变,但事实上,核动力可能是通往遥远行星的关键。

  核能非常高效,它通过反应堆产生热量,这股热能使推进剂加速,进而喷射出去产生推力,相比化学推进器,它能更高效利用推进剂。

马斯克如何将人类送上火星?问问章北海同志的意见

  核能的另一大优点在于可持续性。化学推进是燃烧完即弃的模式,一旦燃料用尽,能量也就释放完毕,随之流失。而核系统中的铀或钚资源持续在那儿,不会消失,通过维护反应堆芯,系统得以持续运作。

  尽管反应可持续,产生的热量仍需转化为推进物质。理想情况下,我们不希望耗尽反应堆中的铀或钚。有利的是,被加热的物质可以是气体或固体,气体因其对热反应更佳而更具吸引力。

  在太空真空环境中,需自带气体;但在火星这类有大气的星球,理论上可直接利用二氧化碳等大气气体作为推进剂。

写在最后

  人类正处于载人火星任务筹备的初级阶段,规划未来步骤时,实际需求和成本等现实因素是我们必须考量的重点。人类不可能将所有鸡蛋放在一个篮子里,按照现有的技术条件,上面任何一种技术都不可能成为主导路线,应该根据具体任务需求来灵活选择不同的推进方案。

  人类上火星,得综合运用核动力、电力推进和不可或缺的化学推进。比如,可以先用电推进系统运送基地模块等物资,利用核推进在地球与火星间建立稳定的运输走廊,最后用化学推进把宇航员送入轨道。

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