外星移民到底有多難

最近,SpaceX獲得兩項裏程碑式的進展，第一項是它的一個Falcon 9的火箭成功地重複第十次發射，把60個通訊衛星送上地球軌道並把火箭順利回收，實現了Elon Musk以前許諾的目標：Falcon 9火箭可重複使用10次以上。第二項是它的最新Startship SN15號發射到十公裏高空後成功下降並首次著地立穩。

 
Startship SN15號成功降落停靠
據Elon Musk的期望，用於Startship的Raptor的發動機將可以重複使用1000次。也就是說，Startship重複飛行的次數將會遠多於Falcon 9的火箭，最終的期望是，每次Startship發射成本可低至200萬左右！要知道目前Falcon 9一次飛行的價格是5000萬，已經比別的公司要價低了一半。而Startship的100噸載重量還是Falcon 9的4-5倍，這將讓每噸投遞的成本進一步大大拉低。可見，SpaceX在航天上的進展已把別的公司，國家，各種聯盟的航天業遠遠拋在後麵。
看到Startship的飛行試驗，不少人可能會以為Startship可以直接飛來飛去，從地球起飛進入繞地球軌道，以及直接登陸月球，火星等等。
事實上，Startship隻是空間旅行的其中最重要一環。但要到達地球軌道，光Startship還不行，必須有一個Super Heavy的底層火箭推進，再加上Startship，才可能把100噸的載重送到近地球軌道。因而繼Startship的飛行試驗後，Super Heavy的飛行試驗可能是SpaceX的下一步重要工作。
Super Heavy比Startship要重得多，它高達72米，滿裝時有3400噸的推進劑，使用28個Raptor的發動機，推力達76000 kN（或7744噸力），置於下方。
上麵的Startship的總重1320噸，其中推進劑1100噸，用6個Raptor的發動機，三個和Super Heavy的發動機一樣，三個為真空飛行優化的發動機。
兩者合起後為一高120米，總重量5000噸的巨型火箭，曆史上最大和最強。
 
各種巨型火箭的比較，最下的文字為低地球軌道的投送能力
在發射的時候，Super Heavy首先點火發力，三分鍾左右後它即與Startship分離，下落並回收，然後Startship的發動機啟動並最終讓整體進入近地球軌道。
 
Startship和Super Heavy在空中分離的想象圖
發射Super Heavy/Startship的組合把Startship進入近地球軌道將是SpaceX的下一個重要進展和裏程碑。目前Elon Musk已向FCC（美國聯邦通訊局）備案，打算把Startship送入地球軌道再落回地麵。預計會在德州的Boca Chica發射，Startship最後降入夏威夷Kauai島西北100公裏附近海域，發射到降落持續90分鍾左右。試驗可能會安排在現在起到明年三月份之間某時。如果不久後要直接走上這一步，那單獨發射Super Heavy的試驗步驟也許會跳過了。
如果Startship要飛到月球，一次發射是辦不到的，因為Startship進入近地球軌道時，推進劑已快用完，沒有多餘的來加速到達月球，更沒有能力從月球飛回地球。
所以SpaceX的下一項重要突破將是在近地球軌道的推進劑投遞。當Startship在近地球軌道繞行時，下一個Super Heavy/Startship的組合將會發射升空，專門裝滿推進劑的Startship會和第一個Startship對接，把100噸的推進劑傳送過去。一次100噸推進劑傳送肯定不足以讓飛船到達著陸月球並飛回地球，因而這種推進劑的投遞也許要進行三到四次以上。換句話說，要做一次登月並回來，至少需要3-5次Super Heavy/Startship的組合發射！
 
Startship飛船登陸月球想象圖
大家可能會質疑，在阿波羅11到17號時代，每次登月隻需要一次發射，為什麽現在技術發展了，反而登月需要多次發射？
這之間的主要區別是需要達到的目標。當年阿波羅登月隻須送上兩個宇航員和最基本的工具(如月球車等），總重量隻有16噸左右，離開月球時升空重量不到5噸。現在再進行這種隻有象征性意義的登月已用處不大，Startship登月則是送上100噸的各種設備，材料和一大組宇航員，該飛船還會剩有足夠的推進劑搭人載貨起飛回到地球，這種規模阿波羅計劃是達不到的。
在阿波羅的設計時，一種方案是讓阿波羅飛船直接登月，然後再飛回地球。但計算下來，發現所需的火箭推力和重量遠遠超出土星五號的能力。所以最後隻能讓阿波羅飛船繞月飛行，一個小得多的登月艙載上兩位宇航員降下月球，離開時則分離降落部分的結構，隻保留上升艙及發動機，加上兩位宇航員和20多公斤的月亮岩石，以最可能小的重量升空後掛上繞月飛行的阿波羅飛船，最後把多餘的上升艙也拋掉後再飛回地球。
 
阿波羅登月艙，飛離月球時隻升空上半部份
利用類似的設想來登陸火星，如要飛船運載100噸人員物品到火星，必然需要更多的推進劑。讓繞地球軌道的Startship飛船中1100噸容量的推進劑艙全裝滿是必要的安排，隻有如此多的燃料，才可能使它飛到火星並實現反推著陸。這樣，一次登火星的行程必須進行12次Super Heavy/Startship的組合發射，其中第一次為Startship飛船，後麵11次的Startship則在地球軌道上為飛船投遞總共1100噸的推進劑。和登月的區別是，這些推進劑隻夠用於飛往火星和降落，回程的推進劑是無法滿足的。按Elon Musk的介紹，回程的推進劑必須在火星上生產，使用運載去的設備，利用太陽能和火星上的二氧化碳和水來製造氧氣和甲烷，填滿飛船的1100噸容量的推進劑艙後，才可能讓飛船起飛脫離火星引力，並加速飛回地球。如果這項工程完成不了，回來將會很麻煩和困難。試想要從地球送1100噸的推進劑到火星，每100噸投遞要發射Super Heavy/Startship的組合12次，1100噸推進劑投遞將需132次發射，加上頭一次，共144發射，才能進行一次火星的雙向旅行！這樣成本和風險會變得相當巨大。
總的說來，要實現外星移民，送上大量的設備，材料，人員和生命支持的各類物品，是一項難度很大和非常麻煩的工作。按以上的估算，光一次100噸輸送的火星登陸，就要12次巨型火箭的發射。在當年阿波羅計劃時，7次登月飛行加上前期試驗共花費當時的254億美元，放在48年後的今天，應該會超出十倍以上。現在如果還采用一次性使用的火箭來的發射的話，其成本計算下來，沒有一個國家有能力和意願支持這種巨大開支。而隻有像SpaceX的方案，讓火箭重複多次使用，才可以在極大地降低每次發射成本的條件下，使以上討論的月球大規模登陸和火星移民有實現的可能。
誠然，火星移民實際上也隻有象征性的意義，反映人類科學和技術的進展和成就。花那麽高的成本，去到一個極其冰冷的地方，大氣極其稀薄，二氧化碳為主，缺乏氧氣，水也是非常稀少和難找。任何人類的生存居住條件都得靠地球的昂貴輸送，或靠人在那裏非常低效地工作才能獲得。這種努力和回報完全不成比例。相比之下，地球上即使被認為環境最惡劣的地方也比火星好上千倍萬倍。
火星以外的外星移民，在太陽係內已沒有什麽別的目標了。至於木星和土星的幾個衛星，隻有少數個別有大氣或水，但上麵太冷，缺乏陸地，如果去探測可以，但移民真沒戲。到太陽係外的別的恒星係統，即使存在宜居行星，人類在可見的將來去探索的可能性在是零，更談不上移民了。
許多科幻小說，電影都把空間旅行寫的輕而易舉，比如星際航行，星球大戰，流浪地球等等。在那裏人類可以輕易地從一個星球飛到另一個，甚至利用什麽蟲洞，空間壓縮等“高科技”瞬間從一個星係跳到幾百萬光年外的另一個星係上。當然這都是胡扯！
從現實來講，如果人類能夠造出0.1光速的飛船來，飛到離我們最近的比鄰星，盡管需要飛上45年，也許不算太壞。可是，0.1光速的飛船技術上可能嗎？實際上差得太遠，別說0.1光速，就是1/1000光速，或300公裏/秒，也沒有達到的可能！
拿一個數據來說明，按現在能力最強的液氫/液氧發動機來算（噴氣速度5公裏/秒)，要把100公斤的載荷加速到300公裏/秒，根據物理學上的康士坦丁的火箭推力方程計算結果，起飛的總重量大概是兩個地球的重量！將來的核動力火箭是否有機會？看來也是渺茫。按目前核熱動力火箭的最佳的噴氣速度10公裏/秒來算，也需要大概10000億噸的起飛重量，或一座大山！