SpaceX「行星際運輸系統」的演變（完結篇）
主頁菌說
本月，將有兩場SpaceX參與的火星研討會，第一場閉門會議邀請了包括NASA、學術界和工程界（甚至包括斯倫貝謝）的60名專家參與，主要討論如何實現一些目前難以完成的火星探索任務。第二場將在月末舉行，演講人還是SpaceX的火星項目負責人Paul Wooster，但對象變成了火星學會（The Mars Society），該學會是由狂熱的火星愛好者組成的非營利組織。
有媒體稱SpaceX將在這兩場會議中展示目前BFR及其火星項目的最新進展，並就火星載荷投送、鑽探取水、ISRU、火表居留等問題和技術挑戰進行徵詢
。隨著BFR細節的日漸清晰，突然想起來去年有一個長期連載還有最後一期一直爛尾，所以值此機會，我詐屍一下，奉上這篇文章的最後一期（
文中部分信息現在已經更新，我會特意註明的
）。
然後在本文完結後，我們將繼續連載NSF網站有關BFR演變的最新文章，敬請期待。
本文原作者
Phillip Gaynor，Dixon通譯全文，FP校對，跆拳道大灰狼排版配圖，這是本系列最後一期。
如果你覺得本文看的有些懵，沒關心，因為這是去年一系列長篇連載的最後一期，前三期奉上：
SpaceX「行星際運輸系統」的演變（一）
SpaceX「行星際運輸系統」的演變（二）
SpaceX「行星際運輸系統」的演變（三）
首先重新澄清幾個名詞：
MCT
：
Mars Colonial Transporter（火星移民運輸船），這是SpaceX火星任務架構最早的名稱，在2016年
9月正式公布之前，這一直都是最通用的叫法。
ITS
：Interplanetary Transport System（行星際運輸系統），這是SpaceX在2016年9月正式公布後對整個運輸系統的新名稱，改名的主要目的是為了表達
這套系統不止能夠前往火星，也可以前往太陽系的其它星球
。（現在來看能去火星就已經燒高香了，老馬你可輕點兒吹吧）
BFR
：Big Falcon Rocket，這是在MCT時代的叫法，後來在2016年改名為ITS，指的是將MCT飛船送入軌道的火箭部分。也有一種全稱是Big Fuc--ing Rocket。2017年公司又重新改稱BFR，
並成為目前的通用叫法
。現在BFR分為BFR booster、BFR spaceship、BFR tanker三個部分。
加油船
：一般稱之為Tanker，專門為MCT飛船進行在軌加註的一種飛船，其實它只是MCT飛船貨運版的一種。
MCT飛船
：也就是
ITS飛船
，指的是SpaceX設計的能夠前往火星的移民飛船，實際是。
圖中的ITS雖然壯觀，但目前已經涼涼，BFR看樣子將有望成真
The Evolution of the Interplanetary Transport System
行星際運輸系統的演化
By Phillip Gaynor
（完結篇）
MCT飛船和加油船（
就是現在BFR的二級，也叫BFR Ship和BFR Tanker，主頁君注
）都在其後部設置有對介面並配有將自動斷接器（請聯想天舟一號和天宮二號在軌加註所使用的液路浮動斷接器）。具體加註方式有三種考慮，
包括毛細管作用，隔膜艙，以及通過旋轉和壓力輔助
。由於前兩個方案對於這樣大的飛船設計是不切實際的，所以目前只能選擇後者。
現在的BFR Ship設計，比ITS時代更小，發動機更少
NSF團隊預計一艘加油船將首先由其他幾個加油船加滿，
然後將所有推進劑一次性轉移到準備正式啟程趕往火星的MCT飛船上
。這種設計將減少人員在零重力和宇宙輻射的暴露時長，同時減少糧食等供應的消耗。（翻譯君：還有對接爆炸的風險吧，把人炸飛就好玩了…）根據「線人」透露，當時MCT飛船和加油船的其他設計元素也已經決定。一個特點是在儲箱內另設一個較小的球形儲箱來
專門裝載著陸反推所使用的推進劑
。這樣做是為了防止大氣進入期間推進劑的自由液面和流致振動引起關鍵發動機熄火。（主頁君註：同時也有減少推進劑自然蒸發的考量）
事實上該設計最後真的出現在了官方版設計上，就是圖中紅框內的兩個球形內儲箱，該結構的作用也得到了官方證實
此外，MCT飛船還將在其液氧儲箱的
上邊緣附近設置水、鹽水和固體廢物儲存區
。在這個倉庫之上是非加壓的貨艙（也就是敞開式貨艙，連通艙外真空），其中有兩個3米高的甲板，由中央柱支撐。這個區域將包含電力系統，熱控系統，未展開的太陽能電池陣列，散熱器，生命支持系統，空氣處理系統，存儲設施和航空電子設備（原文：power systems, thermal systems, un-deployed solar arrays, radiators, life support, air handling, storage and avionics.）。
這是之前NSF網友的一個構想，中間設置了一個類似太空梭的非加壓貨艙
到達火星表面後，貨物將通過一個擴展的龍門起重機從一個大貨門轉出並降低到地面。
卸貨從來都不是一個關鍵問題，方法多得是，這只是NSF網友構想中的一種
位於上部的加壓艙可以通過連接到對介面的氣閘艙進入。它具有與貨艙相同的中央支撐柱。加壓艙分為四層，其中三層有2.5米高，安排為船員活動、食物貯存和住宿提供空間，而第四層作為頂層，空間更加寬敞。
頂層設置有船員食堂和發射/著陸期間所使用的船員座位。飛船的頭錐則包含RCS來控制飛船的小幅運動（
主頁君註：原文為control thrusters，筆者認為指的是Reaction control system，也就是我們常說的RCS
）。加油船和MCT飛船都設置有5個可伸縮的著陸腿，但是它們的尺寸和耐久性將相對於以前版本大大提升。SpaceX決定不僅在加油船和MCT飛船的儲箱上使用
碳纖維複合材料
， BFR火箭也將將完全由碳纖維製成。SpaceX進行這一決定是由於碳纖維有著較高的疲勞極限以及較大的幾何剛度（
主頁君註：碳纖維的優勢和劣勢遠不止於此，但這是原文，SpaceX選了一個完美的新式儲箱材料，但也是一種頗具風險的儲箱材料，因為SpaceX並不擅長這種材料，而且在這種材料上已經翻車兩次了。此外
最近消息透露，藍色起源的新格倫也將採用碳纖維儲箱，加上已經首飛的電子火箭，可見輕量化的碳纖維儲箱已經漸成潮流
）。這是至關重要的，因為這能有效防止由於飛船的大尺寸和自生增壓設計帶來的壓力損耗而導致的儲箱壓潰。
SpaceX對碳纖維的執著屢次遭遇挫折，圖為為ITS製作的碳纖維儲箱驗證件，結果極限測試沒開始多久就解體了，公司負責人之一的Shotwell女士在採訪中也承認碳纖維儲箱的研發「並不順利」
SpaceX計劃分別重新使用BFR火箭，加油船和MCT飛船各1000,100和12次（
主頁君註：這個太過理想化，大家看看就好
），MCT飛船的復用上限受到其從太空返回地球表面過程中承受的大量氣動加熱的限制。消息來源顯示，SpaceX當時正在考慮兩個發射場，分別為佛羅里達州卡納維拉爾角和德克薩斯州布朗斯維爾，前者的發射機會是後者的兩倍多。這是因為其執行火星發射任務時在窗口上更加優越。（最後實際敲定的是肯尼迪航天中心的LC-39A發射台）在幾個月後，NSF已經難以收集更多細節了，因為SpaceX逐步接近9月份的正式公開了（
本文描繪的是2016年的狀態，而現在也是這樣，除曝光的BFR廠址外，SpaceX已經很久未更新了
）。 SpaceX系統的前兩項可以在NSF和PlanèteMars上找到。 NSF的設計團隊不斷改進設計，但由於信息來源受限，進展緩慢。
相比之下，PlanèteMars的Richard Heidmann改進了他的水平著陸設計，在2016年7月進行了最後的預測，SpaceX最好的選擇是建造一個更大的火箭——10500噸。 NSF的專家懷疑這個想法的可行性，因為巨大推力引起的噪音和振動限制了這種方案。
還記得這個么，這就是法國人的方案，但在著陸問題上，顯然是糟糕的設計
這將推翻SpaceX先前選擇的較小的設計，部分原因是涉及到爆炸風險。
Heidmann
忽略了掉這一點，並堅持認為更大的設計將是有益的。兩個團隊都期待看到最終設計是什麼樣的，因為每個人都希望他是正確的。正式公開：
在馬斯克正式於IAC 2016上公布「火星計劃」的前幾天，SpaceX進行了「
猛禽
」發動機的首次點火測試。
很幸運，發動機試車順利，沒有爆炸。
馬斯克知道，在會上如果不拿些真東西出來，ITS這東西根本就沒人信
這次試車頗為冒險，好在最終成功了
2016年9月28日，SpaceX在墨西哥舉辦的2016年度國際宇航大會上
正式公開了行星際運輸系統的第一版官方架構
，對於沒有持續關注過SpaceX的網友而言，這個計劃的腦洞和規模堪稱「驚世駭俗」。
這次公開得到的
評價
褒貶不一，有媒體和網友認為這計劃純粹是天方夜譚，絲毫不具可行性；也有人認為這是在NASA在載人火星登陸上蹉跎幾十年而無作為之後的救命稻草，並為此歡呼雀躍。考慮到以往大規模載人深空任務的難度和天文數字的支出，
波音、洛克希德·馬丁、軌道ATK等競爭對手和中、俄、歐世界主要航天國家的相關機構對此計劃的反應都相當冷淡
，甚至都懶得去評價。更有意思的是，作為SpaceX一路走到今天的最大「金主」，
NASA發言人在會後曾表示其實根本不知道SpaceX在會上要講的到底是個什麼東西
。
IAC2016上SpaceX演講的視頻全程，在此感謝字幕作者的辛勤工作
馬斯克演講的主要內容有興趣可以參見往期文章：讓人類成為一個多星球物種—SpaceX的火星殖民方案！，我們這裡只遵照原文做簡要介紹。演講首先指出了ITS的設計目標是將火星運輸成本降低5萬倍（太誇張，不現實），以到達美國住房購置成本的中位數，以期能夠讓普通人都接受。為了實現這一目標，
馬斯克說
在軌加註是必不可少的
，這麼做將需要更多的發射來平攤研發成本，並且壓縮時間表（schedule），性能上的不足變得不那麼關鍵，發射台也比同類貴出10-20％。（原文翻譯略有爭議）正式的ITS將在火星上就地製造返程所採用的推進劑，就像在祖布林博士的「火星直擊」計劃一樣，
甲烷+液氧的組合因為優秀的可復用性和易於在火星表面製造而被選為唯一的一種燃料組合
。（NSF已經規划了在火星表面大規模生產液氧和甲烷的整個流程，我們有機會專門再聊）
火星氧氣ISRU實驗的組成部分（來源：NASA），這雖然不是SpaceX的職責範圍，但是載人火星任務需要放大它，然後塞進ITS的貨艙中，並確保它在火星表面正常工作
NSF網友的構想十分全面，
比如將空氣分離設備壓縮在一個標準ITS貨艙中（如果你們對此有興趣，我們可以考慮刊載《利用ITS加壓貨物模塊在火星上啟動化學工業》這篇文章）
這種組合比傳統的液氫+液氧佔用更小的儲箱尺寸、燃料成本最低、方便復用，同時易於在火星上生產，並且與煤油一樣可以在軌加註和轉移。
這些細節並沒有讓世界各地的許多航天和工程專家感到驚訝和意外
，都是意料之中。
甲烷在可復用性上的巨大優勢不僅打動了SpaceX，也吸引了SpaceX的對手藍色起源和ULA，兩家將共同使用液氧/甲烷組合的BE-4引擎驅動其下一代運載火箭，而老牌發動機生產商洛克達因的AR-1高壓補燃煤油機只能無奈落得中止研發試驗的下場
系統架構顯示ITS將具有通用的一級（ITS火箭）和兩個版本的二級（由於在軌加註已經成為必要選項，這種設計也就順理成章了）。第一個版本的火箭二級將是ITS太空船本身，而第二個則是ITS油輪（也就是前面所說的MCT加油船，也就是現在的BFR Tanker）。復用目標與2月份相同，ITS火箭，加油船和ITS飛船的評估為1000次，100次和12次（12個火星窗口期總共26年）。
該系統還將按預期使用自生增壓的碳纖維
儲箱
。SpaceX的「雄心壯志」終於在宣布運載火箭的有效載荷時顯露出來了，高達550噸（這是說ITS，現在BFR已經縮減至一次性運力250噸，復用運力150噸）。與之前SpaceX的計劃相比，火箭的運力提高近90％。儘管SpaceX對超重型火箭（如果土星5號和能源是重型，稱其為超重型應不為過）的爆炸危險感到擔憂，但依舊同意了之前海德曼的猜測，並將其火箭（起飛質量）增加到了10500噸。
這令人難以置信的性能將由全新的「猛禽」發動機提供支撐。其海平面推力從1961 kN暴增到3050 kN，同比增長了55.5％，其海平面比沖指標上升了4％（334秒，之前是321秒），節流範圍20-100％，而300 bar的室壓將是液體火箭發動機有史以來最高的。
其真空版本將具有更高的3500 kN的推力和高達382秒的ISP（比沖），這也是碳氫化合物發動機比沖指標最高記錄，發動機噴管膨脹比高達200:1。
起飛級發動機數量多達42個，與之前估計一樣，但依舊「駭人聽聞」
。（現在推力縮減了，數量也縮減為31個）
由於發動機的推力大幅度增加，芯級具有128 MN推力，起飛重量6700噸，77.5米高，12米直徑的芯級相對於土星5號的整個質量提高一倍以上。類似於獵鷹9，它將使用發動機反推和格柵舵的組合來引導自己回到地球。儘管具有比獵鷹9更高的分離速度，但SpaceX宣稱只需要預留7％的推進劑就可以飛回發射台以便重新使用。
馬斯克在會上公開ITS飛船的設計參數
ITS飛船的高度為49.5米，高於以前計劃的41米。不過，它同樣攜帶了共計100名的船員和乘客。雖然質量變大，但它的直徑更大——17米（最大處），發動機配置與之前估計一樣。其31MW的推力可將150噸重的飛船（原文寫成了2100噸，應該有誤，根據上圖可見，飛船乾重150噸，加油船乾重僅90噸），300噸的貨物和推進劑送入LEO，在那裡它將展開其200千瓦的太陽能電池板陣列。
這枚愛好者製作的任務徽章上，最顯眼的就是巨大的可伸縮太陽能電池板了
在現在愛好者製作的CG作品中，巨大的扇形電池板依舊在，但在近地軌道任務中，官方是否仍舊保留這一設計一直存疑（作者：BH.Skywalker）
它將通過三個位於中心的猛禽發動機在地球和火星上垂直著陸（見上上圖），並可將多達450噸的貨物運送到火星（
別奇怪為什麼這個數據比LEO運力還高，這是建立在數次在軌加註之後的火星投送質量，主頁君注
）。不同於2月份時的猜測，它將使用三個大型著陸支腿，而不是五個較小的支腿。（獵鷹9是4個，也就是說ITS不增反減）從二月的設計上看，它保留了增大版本的船員和貨物艙。燃料儲箱與二月時猜測的長度和形狀截然不同，它使用加大的儲箱和共底結構，從而減少了40％乾重的，同時送入軌道的推進劑質量增加了27％。總而言之，這個系統將可以支撐長達115天的飛往火星旅程（
此為平均值，每隔兩年的最佳霍曼轉移窗口時長不盡相同，未來20年中，最短窗口為2020年，僅有90天；而2027年最長，要150天
），ITS太空飛船在到達火星時會直接進入火星大氣並降落（這句話的意思是說ITS不進入火星環繞軌道）。
總結：
馬斯克提出的雄心勃勃的計劃代表了其「終身夢想」的最高潮。這是對太空的熱烈興趣，基於他與之前與具有遠見卓識的羅伯特?祖布林（Robert Zubrin）博士的接觸，羅伯特?祖布林的「火星直擊」任務架構（
詳見下面這本書
）充分拓展了馬斯克的視野，並構成了ITS的基本思路和原則。
當俄羅斯工程師擊碎了馬斯克襁褓中的太空夢想時，他卻在SpaceX上賭博，終於實現了「獵鷹1」火箭的成功，馬斯克的火星定居夢想最終在2008年12月得到確立。自那時起，馬斯克的願景與SpaceX一起成熟壯大。
該公司將獵鷹9發展成為世界上第一個部分可重複使用的運載火箭和最有效率的火箭，大大改變了航天發射領域。雖然復用之路還很長，但懷疑和譏諷的聲音已經基本絕跡，已經有些對手開始謀劃對獵鷹9模式的模仿。
獵鷹9是全復用還是部分復用並不重要，它最重要的使命是證明復用真的可以省錢，這是抨擊者最主要的攻擊點，他們認為火箭復用在綜合考慮復用風險和翻修費用後並不省錢（圖為全復用版獵鷹9，
國外網友腦洞製圖
）
與獵鷹9相似， ITS的推力和有效載荷相比於最初構想翻了一番以上，同時通過採用全碳纖維結構也變得更有效率。
結果就是一套完全可重複使用的運載火箭系統，這在運載能力和技術挑戰上將是前所未有的
。（太空梭是部分復用）
馬斯克的演講顯示，SpaceX計劃降低前往火星的費用和風險，並最終成為一家火星殖民化運輸公司。然而，這意味著它必須依靠第三方來支持在火星上建立和發展殖民地。
雖然馬斯克提出的計劃很廣泛，但並不全面。遺漏了一些關鍵的細節，如火星推進劑生產系統的設計，為殖民地提供動力的核反應堆的設計，還有最重要的問題——
如何融資
。甚至還有關於ITS本身設計，也存在不少問題，比如輻射屏蔽，缺乏發射中止系統（也叫逃逸系統）以及冗餘著陸腿的設置問題。（三點穩定，少一條腿都要倒）
然而，基於公司的快速發展和設計的不停迭代，我們可以審慎地期待ITS的進一步發展，就像SpaceX的火星計劃一樣。即使在目前未完成的狀態下，毫無疑問，這是最雄心勃勃的火星殖民化計劃，沒有之一。
我們只是希望「黃金之心」（Heart of Gold）號能夠早日出發
（連載全文完）
主頁君後記：SpaceX的腦洞和NASA架構的區別
回頭來看，這篇NSF的L2付費區的萬言長文其實就講了一件事情——
NSF的團隊如何如何NB，如何如何一步步猜中了SpaceX對於ITS的所有設想
。
前三個為各種猜想，按照時間順序，第四個為官方設計，可以說逐步與官方設計靠攏
下面的了論述將基於一個基本假設，如果該假設不成立，則請當下面內容為廢話，
這個假設就是——SpaceX確實真的致力於成為一家促進人類殖民火星的運輸公司
。其實NSF小組和SpaceX公司對ITS設計如此相近並不意外，正相反，這是順理成章的。設計如此相近的原因就在於NSF小組深知SpaceX在設計ITS時的根本理念——
ITS架構的設計目的是大規模的火星殖民，而迥異於傳統的小規模
「
插旗式探索」
。所謂
「插旗式探索」
是指類似阿波羅登月這種採用「一路走一路扔」
的深空運載系統，將僅有幾人的探索團隊
送往地外天體表面，插上標誌性旗幟
，收集各種樣品，布置儀器，然後拋棄著陸點的所有設施，乘坐與出發時相比小得多返回艙返回地球的一種載人登陸探索模式。
登月時起飛質量2970噸，而最終返回地球時只有5.56噸重的飛船返回艙（Apollo Command Module），返回質量比僅有0.18%
NASA的DRA5.0火星任務架構，比阿波羅時期更誇張，一次載人火星登陸任務包括7次戰神5重型火箭和1次戰神1火箭發射，總起飛重量超過2萬噸，而返回地球時只有一個10噸左右的獵戶座返回艙
SpaceX的ITS設計理念與以往火星登陸計劃相比有著本質上的變革，他充分汲取了祖布林「火星直擊」任務架構的精髓，我個人認為有以下三個主要特點：
完全可重複使用
，理論上除推進劑之外，不浪費任何東西。
充分利用ISRU
，也就是利用火星本身資源，解決需要為準備返程推進劑而攜帶更多推進劑上路的悖論，也試圖解決火星表面文明「自持」所需要的基本元素。
」地表到火表「，英文叫做」
Surface to Surface
「，也就是說，盡量減少在軌道上浪費時間，不要在軌組裝龐大的地火轉移飛船，不要為了去火星而去月球做所謂的「試驗」，
要去火星，那就直接去！
我們不需要「赫耳墨斯」號（出自科幻電影《火星救援》）
NASA的探索思路和阿波羅時期如出一轍，整個任務架構中除了火星表面部分設施具備重複使用條件之外，整個架構都是一次性使用的，詳見下面視頻。
祖布林被業界同行認為是一個帶有執念的瘋狂老頭，但他的ISRU（原位資源利用）思路實際上已經逐步被業界所接受，NASA已經正式開始將ISRU列入火星和月球載人探索的架構之中。但是要說這一波可復用航天器所帶來的風潮能否在登月近50年後將人類重新送回深空，還需要拭目以待了。
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