SpaceX 如何(以及为啥)殖民火星

SpaceX 系列是 Tim Urban 写过的几大长篇系列之一,由四个部分组成,它从人类太空探索的历史背景开始,抽丝剥茧地分析要使人类能够登陆并定居火星,SpaceX 需要完成哪些任务,能通过什么途径实现,以及对 SpaceX 的未来展望。我们将定期分章节为大家推出全系列,本文为系列第一章(上):《人类与太空的故事》。

从人类第一次登上地球以外的另一个天体,月球,至今已经过去半个多世纪,人类对太空的探索一度停滞,但又似乎从未停止。

本文来自微信公众号:Wait But Why(ID:wbwtimurban),作者:Tim Urban,本文译者:老屋厨子,题图来自视觉中国

序言

公元 2365 年,木卫三。

离出发还有一天。脑子里想象的画面还是太二次元了,所以她还是无法相信这事真的会发生。曾经她也只是听说——人类首次登上木卫三的几百年前,就已经造好的建筑;跟房子那么大的动物;满世界的大海;热带的海滩和蓝出水的天空;巨大的太阳几乎就在头顶,皮肤都要着火;而最奇怪的是——你找不到木星。电影看了太多,她觉得自己就像要去到什么传奇电影片场。啊,脑子里没法一下想象这么多东西 ……

不过现在,她只能回神,确保一切准备就绪,也和每个朋友道别——接下来不知道过多久才能再见 ……

第一部分:人类太空探索的历史

大约 600 万年前,一只生了俩娃的母猩猩最终改变了历史。大娃后来成为所有黑猩猩的祖先;二娃则形成一条特殊的脉络,包含整个人类这条线儿。大娃的后代特别正常,就是我们现在的猴子系列;可随着时间推移,奇怪的事情开始发生在二娃的后代身上。

我们也找不到具体原因,但在接下来的 600 万年里,我们的祖先做了一些地球上的生物从未做过的事情——他们醒来了。

苏醒的过程缓慢而逐渐地发生了几千代,就像你刚从睡眠中醒过来的最初几秒,你的大脑慢慢地产生反应一样。之后视线慢慢清晰,我们的祖先开始环顾四周,第一次,产生了好奇。

地球上的生命从一个 36 亿年的梦中醒来,有了第一堆问题:

我们住的这个大房子是什么?

谁把我们放在这里的?

天花板上那个亮黄色的圈圈是什么?

它每天晚上都上哪儿了?

海的尽头在哪里?

到了那儿会发生什么?

那些死去的人现在都不在这里了,他们又在哪儿 ?

于是有了人类史上最神秘的小说—— ” 我在哪儿?”

——我们一直在试图读懂它。

随着人类意识之光越来越亮,我们开始找到似乎有点靠谱的答案:也许我们在一个漂浮的圆盘上,而那个圆盘在一只大海龟的上面;也许夜晚我们头顶上的点点光亮能让我们窥见这个大房间之外的世界——也许那就是我们死后的归宿;也许如果我们能找到天花板与地板相交的地方,我们就能把头伸进去,看到另一边所有超有趣的东西。

大约一万年前,与世隔绝的人类部落开始互相聚合在一起,于是第一批城市出现了。

在更大的社区里,人们可以彼此谈论我们发现的这部神秘小说,对照不同部落和不同世代的读书笔记。随着学习技术越来越复杂,线索越来越多,新的发现逐渐浮出水面:

这个世界显然是一个球,而不是一个圆盘。这意味着天花板实际上是一个更大的球围绕着我们。和我们一起漂浮在这个球上的其他物体的大小,以及它们之间的距离,都比我们想象的要大得多。

但接下来,则是令人不安的事情:

太阳不是围着我们转。是我们在绕着太阳转。

这是一个让人超级别扭但却不可否认的发现。真该死,为什么我们不在中心呢?这到底几个意思?

那我们究竟在哪儿?

这个球已经大得让人很不爽了——如果我们不在它的中心,难道我们只是莫名其妙、随随便便地在某个球上?这怎么可能?

细思极恐。

然后情况变得更糟。

看起来,球体边缘上的一粒粒光并不是我们想象的那样——它们居然是和我们的太阳一样的其他 ” 太阳 “。它们就像我们的太阳一样漂浮在那里——这意味着我们根本不是在一个球里。

不仅我们的星球不是事物的中心,甚至我们的太阳也只是个随机的家伙,在无名之地,被虚无环绕。

细思极恐。

原来我们的太阳只是一个大得多的物体的一小部分,原来这是一个由数十亿个太阳组成的美丽而巨大的云。一切的一切好像都是如此 ……

幸好还有个。

但接着我们意识到这还不是一切,它其实是这样的:

无尽黑暗。

随着我们的工具越先进、理解力越强,我们就明白得越真切,然而我们弄得越明白,事情就变得越糟糕。

其实人类企图破译 ” 我们在哪 ” 这部小说真是自讨苦吃。因为现在我们已经明白,人类是难以置信的孤独,生活在一个孤岛上的一个孤岛上的一个孤岛上,淹没在重重孤独之中,根本没人可以交流。

这,就是我们所处的现实。

在人类这个物种短暂存在的最近 1% 的时间里,我们成了地球上第一个了解这种情况的生命——自那以后,我们一直处于一种集体生存危机中。

不过,这也真的不能怪我们。想象一下,不知道宇宙是一个东西,然后意识到宇宙是一个东西,要接受的东西实在太多了。

事实上我们大多数人都生活在一种愉快的错觉中,假装我们唯一生活的这个地方是一个色彩丰富又温暖舒适的无尽世界。我们就像图里这位大爷一样,对我们所处的真实情况视而不见:

怎么会有这样的错觉呢 …?原来是头顶那清澈的蓝色天空。蓝天这玩意儿似乎是为了帮助人类逃避现实而专门造出来的一样,作为完美的背景阻隔我们远离现实。

然而一旦夜幕降临,现实情况就在我们眼前。

我的天啊 ……

在这么多年的历史中,我们与这种现实状况的关系就像精神错乱的旋转木马,追逐着但无法得到真相。

但是在过去的 60 年里,这种关系已经上升到一个全新的水平。

就在第二次世界大战期间,导弹技术得以突飞猛进。

这是第一次,一个全新的,令人兴奋的概念成为可能——

太空旅行

几千年来,” 人类与太空的故事 ” 一直都是一个向外凝视和惊叹的过程。人类离开地球岛到太空冒险的可能性最终激发了人类的探险精神。

我想 15 世纪的人也会有类似的感受。在 ” 地理大发现 ” 的年代,当我们在世界地图上探索 ” 我们在哪 ” 的时候,跨洋航行的概念让人目眩神迷。如果你问 1495 年的孩子,他们长大后想做什么,” 海洋探险家 ” 很可能是一个普遍的回答。

而在 1970 年,如果你问一个孩子同样的问题,答案则很可能是,” 宇航员 ” ——太空探险家。

第二次世界大战提高了人类太空旅行的可能性,但直到 1957 年底,当苏联发射第一颗人造物体进入轨道——伟大的人造地球卫星 ” 斯普特尼克 1 号 ” ——太空旅行才成为世界强国明确的追求目标。

当时冷战正如火如荼,美国和苏联都拿出了自己的看家本领,参加了一场国际电视直播的 ” 看看谁的那家伙牛 ” 争雄赛。随着人造卫星的成功发射,苏联的 ” 那家伙 ” 一下子比美国人的长出了几厘米,这可吓坏了美国人。

对苏联来说,先于美国将卫星送入太空证明了苏联技术优于美国技术,而这进一步又向全世界证明共产主义优于资本主义。

于是八个月后,美国国家航空航天局 NASA 诞生了。

太空竞赛已经开始,NASA 的首要任务是把人类送上太空,然后再把人送上完整的地球轨道,当然最好是赶在苏联人之前。

美国不会再那么逊了。

1959 年,NASA 发布了 ” 水星计划 ” 来实现这项任务。1961 年 4 月,苏联将尤里 · 加加林送入完整的地球轨道,使苏联人成为历史上第一个进入太空和进入轨道的人类。(译者注:水星计划是美国国家航空航天局于 1959 年至 1963 年进行的航天飞行计划。美国采取循序渐进的方式进行整个登陆月球的竞赛,整个过程分成三个阶段,首先进行单人太空船飞行的 ” 水星 ” 计划,也称作 ” 信使神 ” 计划;第二个是双人太空船飞行的 ” 双子星 ” 计划;最后是指令舱一人加上登月舱两人的 ” 阿波罗 ” 计划,亦称为 ” 太阳神 ” 计划。)

看来美国是时候放大招了。

约翰 · F · 肯尼迪的顾问告诉他,苏联领先美国太多了,短期内的任何成就都无法击败它——但是未来如果能率先实现载人登月,这一前景倒足够让美国有机会一搏。所以肯尼迪发表了著名的 ” 我们选择去月球,不是因为它容易,而是因为它很艰难 ……” 的演讲,并为这项任务拨付了巨额资金。

结果就是 ” 阿波罗计划 “。

” 阿波罗 ” 的任务是让一个美国人登上月球,而且是率先登月。苏联以他们自己的月球计划 ” 联盟号 ” 作为回应。

竞赛开始了。

随着 ” 阿波罗计划 ” 早期阶段的融入,” 水星计划 ” 终于取得了进展。就在尤里 · 加加林成为第一个进入太空的人后的一个月,美国宇航员艾伦 · 谢泼德成为第二个进入太空的人,虽然没有被送入完整轨道,但他完成了一个小弧线,让他在弧线的顶端与太空击了个掌。几个月后,1962 年 2 月,约翰 · 格伦成为第一个绕地球飞行的美国人。

在接下来的七年里,美国和苏联进行了 22 次载人发射,这两个超级大国磨练了自己的能力和技术。到 1968 年底,狂热的美国已经完成 17 次发射,超过苏联,两国都已经掌握进入我们所说的 ” 近地轨道 ” 的技术。

但其实从 60 年代初开始,” 近地轨道 ” 并没真正让人兴奋过。两个大国都把目光牢牢锁定在月球上。” 阿波罗计划 ” 取得了飞速进展,1968 年 12 月,美国成为第一个升空超越近地轨道的国家。” 阿波罗 8 号 ” 一路到达月球轨道,在安全返回地球之前绕月球运行了 10 圈。

包括詹姆斯 · 洛弗尔在内的宇航员打破了人类升空的高度纪录,成为第一批近距离看到月亮的人,第一批看到月球 ” 背面 ” 的人,和第一批看到整个地球行星的人。

他们拍下了这张标志性的照片:

返航后,宇航员们成了美国最著名的英雄——我希望他们还是享受了 8 个月。因为三次阿波罗任务之后,在 1969 年 7 月,” 阿波罗 11 号 ” 成就了另一个美国人尼尔 · 阿姆斯特朗。

(附注:阿姆斯特朗被选为第一个在月球上行走的人,部分原因是大家都知道他是一个很谦逊的人。格斯 · 格里森本可能成为这项任务的领头人,但在 1967 年,计划指挥 ” 阿波罗 1 号 ” 执行近地轨道任务的他和另外两名宇航员在地面测试中被困在一艘宇宙飞船里,飞船着火,他和其他两名宇航员被烧死。难过啊!巴兹 · 奥尔德林也是第一批登上月球的人类,阿姆斯特朗拍下了这张著名的奥尔德林的照片,他看起来很臃肿。)

很难完全强调这到底有多重要。

自从 36 亿年前地球上开始有生命以来,没有任何地球生物涉足于地球以外的任何天体。突然,阿姆斯特朗和奥尔德林在另一个球体上跳跃,抬头仰望本应是月球所在的天空,却看到了地球。

这简直疯了!

” 阿波罗计划 ” 取得了巨大成功。” 阿波罗 ” 不仅在苏联之前把人类送上了月球,在接下来的三年半时间里,还通过其他 5 次阿波罗任务把 10 名宇航员送上了月球。在七次尝试中,有六次成功的月球旅行,除了著名的 ” 阿波罗 13 号 “,它在氧气罐爆炸后计划流产,幸而宇航员得以安全返回。

苏联的联盟号项目不断遇到技术问题,也从未把人送上月球。

阿波罗号最后一次登月发生在 1972 年末。

仅仅用了十年时间,我们就征服了地球附近的太空,而且进展还在加速。如果那时你问任何一个美国人,或者任何其他人类,未来几十年的太空旅行还会带来什么,他们都会做出大胆的预测——更多的人登月、一个永久性的月球基地、人类登陆火星,等等。

所以你可以想象,如果你在 1972 年告诉他们,在仅仅有过 12 个人登月的 49 年后,在听起来很有未来感的 2021 年,登上月球的人数仍然是 12,他们会有多惊讶。或者,在早年离开近地轨道登上月球的尘埃岁月之后,没想到近地轨道才是人类此后所能到达的最远的地方。

当然,1972 年的人可能会被我们的智能手机和互联网震撼,但他们也同样会震惊于我们居然放弃了对太空的探索。

那么发生了什么?在经历了如此激动人心的十年人类太空探险之后,我们为什么停了下来 ?

就像我们在特斯拉的帖子里发现的,” 我们为什么停下来 ?” 其实是一个错误的问题。相反,我们应该问:

我们到底为什么要冒险把人类送入太空 ?

太空旅行难以置信地烧钱,而往往国家预算又非常紧张。事实上,一个国家竟然会为了所谓的冒险、灵感和挑战人类的极限而不顾一切地肆意挥霍,这才令人匪夷所思。

因为确实没有哪个国家会为了冒险、灵感和拓展我们的边界而这样烧钱——当然,有两个国家例外,因为他们想比比谁的那家伙牛。

事实上是国际上曾有过这样一个尴尬的时候,当时每个人都试图找出到底谁的经济体制更好,于是美国政府同意在几年内放弃常规做法,在太空探索这个问题上投入一切必要的资源,以确保他们赢得这场争论——

所以一旦他们赢了,比赛就结束了,特殊规则也结束了。美国人又开始像正常人一样花钱了。

事实上美国和苏联没有继续不惜一切代价去追求这个极限,而是控制住了局面,恢复正常、握手言和,开始像成年人一样在更实际的项目上合作,比如在近地轨道建立一个联合空间站等等。

于是之后四十多年,” 人类与太空的故事 ” 再次尘封于地球。

然而与此同时,我们终于发现了自己与太空互动的两个主要原因——

1. 支持地球工业

2. 观察与学习

支持地球工业

自阿波罗计划以来,人类与太空互动的首要原因并不是人类对太空的兴趣,而是将太空用于实际目的,支持地球工业——这大多是以卫星的形式。

今天发射到太空的大部分火箭就是为了把物体放入近地轨道,近地轨道的目的是回望地球,而并非往另一个方向看向更广阔的宇宙。

下面我们来简单聊聊卫星:

卫星

通常我们并不总会想起它们,但在我们的头顶上方有数百个在我们地球生活中扮演着重要角色的飞行机器人。

1957 年,孤独的人造地球卫星 ” 斯普特尼克号 ” 独自环绕地球运行。但今天,通信、天气预报、电视、导航和航空摄影等领域都高度依赖卫星,同样许多国家的军队和政府情报部门也一样。

卫星制造、卫星发射以及相关设备和服务的整个市场规模已经从 2004 年的 600 亿美元膨胀到 2015 年的 2000 多亿美元。今天,卫星产业的收入只占全球电信业的 4%,但却占航天业收入的 60% 以上。

以下是全球卫星的功能划分:

在 2015 年初的 1265 颗在轨卫星中,美国拥有最多的 528 颗——占总数的 40% ——但超过 50 个国家都拥有至少一颗在轨卫星。

至于所有这些卫星的位置,其实它们中的大多数都处于两个不同的空间 ” 层 “:

大约三分之二的现役卫星位于近地轨道。近地轨道的高度离地球至少 99 英里,这是一个物体在不受大气阻力干扰的情况下进行轨道运行的最低高度。近地轨道顶部的高度有 1240 英里。通常情况下,最低的卫星在大约 220 英里或更高的地方。

其余的大部分卫星在更远的地方,即位于地球同步轨道上。它在距离地球 22236 英里的高空,之所以被称为地球同步轨道是因为在轨道运行的某物体恰好以地球自转的速度旋转,这使得它相对于地球上的一点在天空中的位置是静止的。对地面上的观察者来说,它似乎就是不动的。

地球同步轨道是诸如电视卫星之类的理想选择,因为地球上的天线可以一直对准同一个固定的点。

剩下的卫星中有一小部分位于中轨道,即介于近地轨道和地球同步轨道之间的轨道。中轨道上一位家喻户晓的住客是大多数美国人和许多其他国家的人每天都使用的 GPS 系统。

然而我从来都没意识到,美国国防部 1995 年启动的整个 GPS 系统,总共只使用了 32 颗卫星。而且直到 2012 年,还只有 24 颗卫星—— 6 个轨道,每个轨道 4 颗卫星。但是你可以看下面的动图,即使只有 24 颗卫星,地球上一个给定的点在任何特定时候都可以被至少 6 颗卫星看到,而且实际上通常是 9 颗或更多:

可见卫星数 12 颗

这就是为什么即使你在某个地方没有移动通信服务,你的手机地图仍然可以显示你的位置——因为它与移动服务没有半毛钱关系。不过这个系统也是设置多余——其实只需 4 颗卫星同时看到你,系统就能准确定位你的位置。另外 GPS 卫星的轨道周期约为 12 小时,每天绕地球转两圈。

太空垃圾  

上面我们聊了卫星,接下来聊聊卫星世界里的一个大问题。

除了 1265 颗在轨道上运行的卫星外,还有数千颗不运行的卫星,以及一堆之前任务中用过的火箭。每隔一段时间,其中某个就会爆炸,或者某两个会撞上,产生大量被称为太空垃圾的微小碎片。近几十年来,太空中的物体数量迅速增加,如下面这张由欧洲航天局制作的动图所示:

大多数卫星和太空垃圾都聚集在地球周围的近地轨道上,而这些物体的外围部分则到了地球同步轨道上。 地球空间机构追踪了 17000 个太空物体,其中只有 7% 是活跃的卫星。

这张图片展示了今天太空中所有已知的物体图像:

但疯狂的是,这些机构追踪到的还只是大型物体,就是我们在图像中看到的。可是据估计,较小的碎片数量在 15 万至 50 万之间,大于 2 毫米的碎片总数则超过 100 万。

问题是,在太空物体难以置信的移动速度下,即使是一个微小的物体碰撞也会对正在运行的卫星或宇宙飞船带来毁灭性的破坏。以这种速度运行的哪怕只有 1 厘米的物体在碰撞中所造成的损害都相当于一只小手榴弹

超过三分之一的太空垃圾来自两个事件:2007 年中国反卫星导弹试验,当时中国炸了一颗自己的卫星,造成大约 3000 个尺寸大到足可被追踪的新碎片;2009 年美俄两颗卫星相撞事故,爆炸形成 2000 多个太空碎片。(译者注:美国铱卫星公司的一颗商用通信卫星与俄罗斯一颗已经报废的军用通信卫星 2009 年 2 月 10 日在太空碰撞,碰撞发生的地点在西伯利亚上空,同时位于国际空间站轨道上方 270 英里的轨道上,这个轨道通常环绕着众多的气象卫星和通讯卫星,这也是近地轨道发生人类有史以来首次卫星碰撞。)

每一次碰撞都会增加碎片的数量,进而增加更多碰撞的可能性,这会带来危险的多米诺效应,科学家称之为” 凯斯勒综合症 “。很多机构都提出了减少近地轨道上碎片数量的方法——从用” 太空鱼叉 “捕获太空垃圾,到用” 激光爆破 “,再到用” 气体脉冲云拦截 “等。

下图总结了每个国家的 ” 太空足迹 “,显示了活跃卫星和非活跃卫星的数量,以及每个国家造成的太空垃圾:

在人类与太空相互作用的 ” 支持地球工业 ” 这一类别中还有其他一些太空活动——如太空采矿太空掩埋太空旅游——但至少目前,卫星几乎是此类别的全部。