我将会安于火星,但不是死于事故。——Elon Musk

经过了一场研讨会,有人说SpaceX怂了,当年吹的牛圆不回来了;有人说SpaceX变保守了,又一个ULA(联合发射联盟)诞生了。但无论如何,马斯克的火星之路还要走下去。如果你要问这篇文章的作用在哪里?或许正如其作者说的那样——稳定军心。
想必,大家已经知道了,在近日的国际空间站研发会议上,SpaceX创始人伊隆·马斯克正式确认了“龙”飞船动力着陆项目(也就是反推着陆)的取消,原定于2020年的红龙火星探测任务也随之取消,一时间业界哗然。
反推取消的原因,可以说是多方面的。
其中,NASA认为动力着陆相对于降落伞着陆, 可控性能更差 ,导致其带来的优点(如快速着陆)不足以盖过其带来的巨大风险。作为商业载人项目的政府出资方,NASA已经不能承受再一次失去宇航员的伤痛。至此,他投上了至关重要的一票反对。
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2003年2月1日,哥伦比亚号航天飞机在返回地球过程中发生事故解体,7名宇航员遇难。同事催生了NASA对载人航天器近乎“变态”的安全性要求。图为事故调查人员根据打捞的残骸还原航天飞机和事故过程。
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几种载人航天器的乘员损失率(LOC率,Loss of Crew,越低安全性越好),NASA对波音和SpaceX都提出了1/270的“变态”要求,从图中清晰可见,这要求远高于目前表中任意一款现役载人航天器(感谢cmj版主的图片)
这意味着,在失去NASA项目支持的情况下,SpaceX需要独立开发此项目。这不是最好的情况,但可以勉强支撑。
马斯克曾经称“反推着陆是21世纪飞船着陆应该用的方式”。但这条路线相当孤独,全世界在研及现役的所有载人飞船,无一采用类似方式
而在经历了后续的测试,SpaceX发现,在复用大底上开孔的可伸缩着陆腿设计显然不是最优秀的想法,这会损害热盾的隔热性能。而假如,花大力气去改进设计,在猎鹰9的VTVL (Vertical takeoff, vertical landing,垂直起飞,垂直降落)项目成功的基础上, 作为半弹道再入的“红龙”飞船数据却不能给升力体设计的BFS再入提供更多的数据参考,这意味着BFS的EDL仿真几乎需要重头再来。(BFS:Big Falcon Spacecraft,就是现在的ITS飞船,EDL:Entry, Descent and Landing,进入,下降和着陆)
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二代“龙”飞船的着陆支腿要穿过防热大底伸出来,这种设计虽然也有人用过,不过并非主流
此时,作为一个过渡项目的二代“龙”飞船动力着陆计划便遭遇了巨大的危机。
伊隆说,叫停,这是一个艰难的决定。
蓝色的空气弥漫在华盛顿的上空。很多人认为,这将会是太空探索技术公司的一个转折点,从青少年时期的天马行空成长到了壮年的敦本务实。
有几分道理,但不全是这样。
曾经在2012年,在面临技术资金及公司长远规划的问题时, SpaceX果断叫停了富有科幻气息的猎鹰5号空射火箭项目。这为后来的猎鹰9号火箭铺平了道路,可以说是一个教科书式的抉择。
猎鹰5号,这是一款只存在于设计图上的猎鹰火箭,顾名思义,火箭一级布置了5台Merlin发动机
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记得这架前些日子刷爆网络的大飞机么,最早猎鹰5号曾经被选做Stratolaunch 发射系统的空射火箭,当然随着猎鹰5号的取消,这段“姻缘”随之终止
而在前不久,IBM的Watson将伊隆马斯克评选为硅谷最谨慎的CEO,我们当时都是呵呵一笑。
严谨,一直是SpaceX的主旋律。\n
那么,此时此刻,什么才是未来?
在IAC 2016会议上,它叫做ITS(Interplanetary Transport System,行星际运输系统),而伊隆自己,则更倾向它原本的名字,BFR。(或许今年的IAC上,他会改回这个名字,Big Falcon Rocket,或者Big Fuc**** Rocket)
尽管一路坎坷,但是太空探索从来没有终点。按照当前的计划,10米直径,火箭一级携带16台优化猛禽引擎的货运版BFR将在2020年首飞,并努力在5个多月的飞行后,着陆上这颗粉红色的浪漫星球。
以上,那65个字,是我们目前所知道的全部信息。( 尽管这个时间表极其科幻和乐观)
此时此刻,我们可以做一些简单的计算加合理猜想。10米直径的16台引擎布局可以将地面猛禽的喷管面积比从40提高到50,根据经验公式,单台海平面推力可以提高到310.9吨力,而总的真空推力则为5363吨力,地面比冲321s,真空比冲360s。火箭一级箭体总重为2568.8吨,可用推进剂质量为2263.9吨,其中,在计算中保留7%的推进剂用于返回。
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懂的人自然知道这张图是什么,所以我们也不需要解释\n
最优二级构型为3+1引擎布局。二级总质量869.6吨,其中可用推进剂质量799.4吨,真空猛禽推力1070吨,真空比冲382s。
此时,起飞重量3600吨,火箭高度70米左右,LEO运载能力161吨。
届时, 从肯尼迪航天中心的LC-39A发射工位出发的货运版BFR火箭(Cargo BFR)将会是人类有史以来威力最为巨大的运载火箭。(略微超越土星五号,但是相较去年的版本缩水明显)
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这或许是想象图,或许是未来\n
在目前的设计蓝图上, LC-39A将能同时兼容猎鹰9系列和BFR系列的火箭,同样,为了降低射前准备成本,货运版BFR火箭的射前准备将会继续采用三平模式,并在39A目前机库的东边新建一个BFR机库,同时,扩展39A排焰道也是选项之一。
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可以期待,如何在 可行性与经济性这两个IAC 2017的主题下,将BFS尽快的送到火星,将会是伊隆以及拥有6000名员工的太空探索技术公司的目标所在。
而在这个大框架下,严保任务成功率,并尽快的掌握快速复用技术,开拓新的商业模式,为即将到来的庞大任务构架募集资金,则是当务之急。
其他任何的炒作噱头,都可以先缓一缓。\n
我们目前得知的,猎鹰9火箭的最新版本——Block 5型将在下周进入箭体总装阶段。
此外,重型猎鹰火箭首飞箭的三枚芯一级均已抵达肯尼迪航天中心。
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图为LC-39A发射工位的HIF厂房,图中右侧为重型猎鹰火箭的首飞箭助推器,左边为芯级,因为清晰可见用于助推器分离的冷分离机构
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图中左侧能隐约见到重型猎鹰火箭的另一枚助推器,也就是说这款备受期待的火箭已经在肯尼迪航天中心“集齐龙珠”了,请注意工作人员身上写有“FH”字样的T恤衫
“对于目前的火星计划,我们的技术进度超乎你们的想象。”\n
9月,澳大利亚见!\n
名词解释:\n
MCT:Mars Colonial Transporter,这是SpaceX火星任务架构最早的名称,在去年9月正式公布之前,这一直都是最通用的叫法。
ITS:Interplanetary Transport System,这是SpaceX在去年9月正式公布后对整个运输系统的新名称,改名的主要目的是为了表达这套系统不止能够前往火星,也可以前往太阳系的其它星球。
MCT飞船:也就是现在的ITS飞船,指的是SpaceX设计的能够前往火星的移民飞船。
BFR:Big Falcon Rocket,这是在MCT时代的叫法,后来改名叫ITS launch vehicle,指的是将MCT飞船送入轨道的火箭部分。
加油船:一般称之为Tanker,专门为MCT飞船进行在轨加注的一种飞船,其实它只是MCT飞船货运版的一种。
VTVL:Vertical takeoff, vertical landing,垂直起飞,垂直降落。

现在我们可以探测到引力波,新一代的天文学家们将注意力转移到了宇宙并使用可以被一只经过兔子而被干扰的观测台。引力波探测器将使我们对我们在宇宙中的地位有一个全新的认识。

正如所有的新技术一样,我们仍然处在一个粗糙而不敏感的时代。到目前为止LIGO已检测到三次合并,第三次合并是探测的极限。但这些黑洞比预期的要大,这引发了一个有趣的问题:这是他们的第一次合并,还是通过以前的合并而发展起来的?

图片:A. Bohn et al.

现在(arXiv版)的科学家们已经确定如何找出黑洞是首次合并还是第二多次合并

走向黑暗的恒星

黑洞是超大质量恒星终结点。原始恒星有大量的物质,因其巨大的质量故而强大的引力使所有物质都向内压。来自于所有质量向内挤压的高温和压力点燃了核聚变。聚变的产物之一是能量,它提供了足够的力来平衡恒星引力,使得恒星在数十亿年内能稳定持续发光发热。

但是逐渐氢形成氦,氦形成锂和铍,并一直持续到恒星的内核被铁占领时聚变停止了,此时二力平衡已经被打破,引力以绝对的优势使得整个恒星都向核心坍塌压缩、直到原子也被压碎、整个质量与体积关系被压缩到史瓦西半径内、一个新生的黑洞便诞生了、恒星也结束了它"光明"的一生。

这颗年轻恒星被物质盘环绕。图片:HUBBLE

宇宙中多数奇怪有趣的天体(如中子星、白矮星…)都是来源于恒星的演化或者说死法不一样结果也就不一样了,这是为什么呢?这主要取决于恒星的质量,可以说在宇宙中质量决定了自身的实力!你可以长得很小、但只要质量足够大、那么你就是强者。

但是恒星物质转化为非常奇怪的状态并没有就此结束。如果它们足够接近,中子星和黑洞互相消耗(可能还有其他附近的物体,比如白矮星)。这可能会使中子星获得足够的质量,从而逐渐进入黑洞的有效引力范围或使得黑洞成长为更大质量的天体。所以当我们观察两个黑洞合并时,我们能判断这是否是第一次合并。

分布的故事

解决这个问题的方法是看质量分布。每个黑洞都有最小质量(低于这个质量它们不能形成)。当恒星达到太阳质量的200倍或更多时,并不是所有的恒星最终

都形成黑洞。因此研究人员认为最初的一代黑洞最多有50个太阳质量。从那里开始这些黑洞相互接触,产生越来越多的黑洞。进一步合并所触及的黑洞,其质量比取决于每个黑洞以前合并了多少黑洞。

(本文也考虑了黑洞的旋转,但是我们对这于自转测量目前还没有很好的办法)

为了弄清楚这是为什么?观察小组研究了几次合并后质量分布的变化。第一代黑洞是大质量由垂死的恒星创造的,这些合并产生第二代黑洞。在这之后有两种可能性:第二代和第一代黑洞合并,或者两代第二代黑洞合并。

但接下来的一切都归结为第一代黑洞的性质。现在因为我们没有一个巨大的黑来获取数据,研究人员选择了一系列的质量和自旋分布。利用这些分布研究人员随机合并黑洞,并计算出由此产生的质量、自旋和合并质量比。这提供了第二代黑洞的分布。现在我们有两组黑洞,每个黑洞都有不同的质量和自旋。

这两个"种群"之间(两个第二代黑洞,或第一代和第二代黑洞之间)的随机合并提供了两个种群,每个种群具有不同的质量分布。

黑洞吞噬概念图

考虑到所有这些研究人员还可以计算出过去这些合并发生了多远。从本质上说第二代黑洞的合并必须在它们的"祖先"融合后发生。这意味着发现这种完全扭曲的想法,我们现在观察到的第二代合并比第一代合并更可能发生在我们身边。

等待观测

好了、总结一下:我们期望质量和自旋分布开始。在合并过程中我们有三个期望的质量分布比例,并且有自旋分布。而且为了简单一点,所有这些分布都应该出现在过去不同的(但重叠的)时代。但问题是我们能观察到这一点吗?

答案很可能是肯定的。据研究人员说在大约20次黑洞合并之后,我们应该能够区分两个第一代黑洞和两个第二代黑洞之间的合并。要区分第一和第二合并之间的合并将需要大约100次的观察结果来进行分析。

这是目前的观测灵敏度。假设计划升级到LIGO和VIRGO顺利,那么灵敏度上升的工作变得容易很多。此外升级后的硬件将对更遥远的过去发生的黑洞合并更为敏感,从而使科学家能够对更广泛的分布范围进行抽样(黑洞)。

你可能会问我们能从中得到什么?

将为星系动力学和黑洞的认识提供了一个窗口。根据星系是如何组合在一起的,我们应该观察不同时代的合并率和不同的种群分布。这些观测将以一种以前不可能的方式来测试天体物理模型。

原作者:Chris Lee

编译:中子星,审校:博科园