外星移民到底有多难

最近,SpaceX获得两项里程碑式的进展，第一项是它的一个Falcon 9的火箭成功地重复第十次发射，把60个通讯卫星送上地球轨道并把火箭顺利回收，实现了Elon Musk以前许诺的目标：Falcon 9火箭可重复使用10次以上。第二项是它的最新Startship SN15号发射到十公里高空后成功下降并首次着地立稳。

 
Startship SN15号成功降落停靠
据Elon Musk的期望，用于Startship的Raptor的发动机将可以重复使用1000次。也就是说，Startship重复飞行的次数将会远多于Falcon 9的火箭，最终的期望是，每次Startship发射成本可低至200万左右！要知道目前Falcon 9一次飞行的价格是5000万，已经比别的公司要价低了一半。而Startship的100吨载重量还是Falcon 9的4-5倍，这将让每吨投递的成本进一步大大拉低。可见，SpaceX在航天上的进展已把别的公司，国家，各种联盟的航天业远远抛在后面。
看到Startship的飞行试验，不少人可能会以为Startship可以直接飞来飞去，从地球起飞进入绕地球轨道，以及直接登陆月球，火星等等。
事实上，Startship只是空间旅行的其中最重要一环。但要到达地球轨道，光Startship还不行，必须有一个Super Heavy的底层火箭推进，再加上Startship，才可能把100吨的载重送到近地球轨道。因而继Startship的飞行试验后，Super Heavy的飞行试验可能是SpaceX的下一步重要工作。
Super Heavy比Startship要重得多，它高达72米，满装时有3400吨的推进剂，使用28个Raptor的发动机，推力达76000 kN（或7744吨力），置于下方。
上面的Startship的总重1320吨，其中推进剂1100吨，用6个Raptor的发动机，三个和Super Heavy的发动机一样，三个为真空飞行优化的发动机。
两者合起后为一高120米，总重量5000吨的巨型火箭，历史上最大和最强。
 
各种巨型火箭的比较，最下的文字为低地球轨道的投送能力
在发射的时候，Super Heavy首先点火发力，三分钟左右后它即与Startship分离，下落并回收，然后Startship的发动机启动并最终让整体进入近地球轨道。
 
Startship和Super Heavy在空中分离的想象图
发射Super Heavy/Startship的组合把Startship进入近地球轨道将是SpaceX的下一个重要进展和里程碑。目前Elon Musk已向FCC（美国联邦通讯局）备案，打算把Startship送入地球轨道再落回地面。预计会在德州的Boca Chica发射，Startship最后降入夏威夷Kauai岛西北100公里附近海域，发射到降落持续90分钟左右。试验可能会安排在现在起到明年三月份之间某时。如果不久后要直接走上这一步，那单独发射Super Heavy的试验步骤也许会跳过了。
如果Startship要飞到月球，一次发射是办不到的，因为Startship进入近地球轨道时，推进剂已快用完，没有多余的来加速到达月球，更没有能力从月球飞回地球。
所以SpaceX的下一项重要突破将是在近地球轨道的推进剂投递。当Startship在近地球轨道绕行时，下一个Super Heavy/Startship的组合将会发射升空，专门装满推进剂的Startship会和第一个Startship对接，把100吨的推进剂传送过去。一次100吨推进剂传送肯定不足以让飞船到达着陆月球并飞回地球，因而这种推进剂的投递也许要进行三到四次以上。换句话说，要做一次登月并回来，至少需要3-5次Super Heavy/Startship的组合发射！
 
Startship飞船登陆月球想象图
大家可能会质疑，在阿波罗11到17号时代，每次登月只需要一次发射，为什么现在技术发展了，反而登月需要多次发射？
这之间的主要区别是需要达到的目标。当年阿波罗登月只须送上两个宇航员和最基本的工具(如月球车等），总重量只有16吨左右，离开月球时升空重量不到5吨。现在再进行这种只有象征性意义的登月已用处不大，Startship登月则是送上100吨的各种设备，材料和一大组宇航员，该飞船还会剩有足够的推进剂搭人载货起飞回到地球，这种规模阿波罗计划是达不到的。
在阿波罗的设计时，一种方案是让阿波罗飞船直接登月，然后再飞回地球。但计算下来，发现所需的火箭推力和重量远远超出土星五号的能力。所以最后只能让阿波罗飞船绕月飞行，一个小得多的登月舱载上两位宇航员降下月球，离开时则分离降落部分的结构，只保留上升舱及发动机，加上两位宇航员和20多公斤的月亮岩石，以最可能小的重量升空后挂上绕月飞行的阿波罗飞船，最后把多余的上升舱也抛掉后再飞回地球。
 
阿波罗登月舱，飞离月球时只升空上半部份
利用类似的设想来登陆火星，如要飞船运载100吨人员物品到火星，必然需要更多的推进剂。让绕地球轨道的Startship飞船中1100吨容量的推进剂舱全装满是必要的安排，只有如此多的燃料，才可能使它飞到火星并实现反推着陆。这样，一次登火星的行程必须进行12次Super Heavy/Startship的组合发射，其中第一次为Startship飞船，后面11次的Startship则在地球轨道上为飞船投递总共1100吨的推进剂。和登月的区别是，这些推进剂只够用于飞往火星和降落，回程的推进剂是无法满足的。按Elon Musk的介绍，回程的推进剂必须在火星上生产，使用运载去的设备，利用太阳能和火星上的二氧化碳和水来制造氧气和甲烷，填满飞船的1100吨容量的推进剂舱后，才可能让飞船起飞脱离火星引力，并加速飞回地球。如果这项工程完成不了，回来将会很麻烦和困难。试想要从地球送1100吨的推进剂到火星，每100吨投递要发射Super Heavy/Startship的组合12次，1100吨推进剂投递将需132次发射，加上头一次，共144发射，才能进行一次火星的双向旅行！这样成本和风险会变得相当巨大。
总的说来，要实现外星移民，送上大量的设备，材料，人员和生命支持的各类物品，是一项难度很大和非常麻烦的工作。按以上的估算，光一次100吨输送的火星登陆，就要12次巨型火箭的发射。在当年阿波罗计划时，7次登月飞行加上前期试验共花费当时的254亿美元，放在48年后的今天，应该会超出十倍以上。现在如果还采用一次性使用的火箭来的发射的话，其成本计算下来，没有一个国家有能力和意愿支持这种巨大开支。而只有像SpaceX的方案，让火箭重复多次使用，才可以在极大地降低每次发射成本的条件下，使以上讨论的月球大规模登陆和火星移民有实现的可能。
诚然，火星移民实际上也只有象征性的意义，反映人类科学和技术的进展和成就。花那么高的成本，去到一个极其冰冷的地方，大气极其稀薄，二氧化碳为主，缺乏氧气，水也是非常稀少和难找。任何人类的生存居住条件都得靠地球的昂贵输送，或靠人在那里非常低效地工作才能获得。这种努力和回报完全不成比例。相比之下，地球上即使被认为环境最恶劣的地方也比火星好上千倍万倍。
火星以外的外星移民，在太阳系内已没有什么别的目标了。至于木星和土星的几个卫星，只有少数个别有大气或水，但上面太冷，缺乏陆地，如果去探测可以，但移民真没戏。到太阳系外的别的恒星系统，即使存在宜居行星，人类在可见的将来去探索的可能性在是零，更谈不上移民了。
许多科幻小说，电影都把空间旅行写的轻而易举，比如星际航行，星球大战，流浪地球等等。在那里人类可以轻易地从一个星球飞到另一个，甚至利用什么虫洞，空间压缩等“高科技”瞬间从一个星系跳到几百万光年外的另一个星系上。当然这都是胡扯！
从现实来讲，如果人类能够造出0.1光速的飞船来，飞到离我们最近的比邻星，尽管需要飞上45年，也许不算太坏。可是，0.1光速的飞船技术上可能吗？实际上差得太远，别说0.1光速，就是1/1000光速，或300公里/秒，也没有达到的可能！
拿一个数据来说明，按现在能力最强的液氢/液氧发动机来算（喷气速度5公里/秒)，要把100公斤的载荷加速到300公里/秒，根据物理学上的康士坦丁的火箭推力方程计算结果，起飞的总重量大概是两个地球的重量！将来的核动力火箭是否有机会？看来也是渺茫。按目前核热动力火箭的最佳的喷气速度10公里/秒来算，也需要大概10000亿吨的起飞重量，或一座大山！