它们会聚拢成一个新月亮吗,到达火星

来源:http://www.roro2.com 作者:必威betway 人气:124 发布时间:2019-08-22
摘要:从某种意义上讲,我们人类就是地球上的囚犯。宇宙向我们展示了浩瀚的星空,却嘲笑我们无法企及。但是,如果人类想要在未来继续发展,我们必须要越狱!但我们最初是因为什么被

从某种意义上讲,我们人类就是地球上的囚犯。宇宙向我们展示了浩瀚的星空,却嘲笑我们无法企及。但是,如果人类想要在未来继续发展,我们必须要越狱!但我们最初是因为什么被困在这里的呢?原来宇宙是我们的债主,我们欠了45亿年的债!

自首次实现太空飞行的60年来,人类一直在以难以置信地速度将火箭送入太空。仅在2018年就有114次火箭发射,随着越来越多的国家开始发展太空计划,这一数字有望稳步攀升。在过去的60年里,已经有数千次发射,虽然在短短六十年内有这样的成就让人印象深刻,但这个故事也有它黑暗的一面。

(Tisney 编译)人类开启航天时代以来,一直依靠由化学燃料驱动的火箭进入太空。这当然是一种有效的方法,但同时也存在着成本昂贵、消耗资源巨大的问题。在我们寻求更有效的进入太空的手段时,有人也提出了这样的问题:如果存在文明程度和人类相似的外星种族,他们也会依赖相似的方式进入太空吗?

我们来谈谈在太空建“加油站”的事情。

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无独有偶,在近期发表的两篇论文里,两位作者分别讨论了这样的问题。一篇论文的作者是美国哈佛大学教授亚伯拉罕‧勒布(Abraham Loeb),他关注了外星人从比邻星b发射火箭可能面临的困难。另一篇论文的作者是德国索内贝格天文台的独立研究员迈克尔‧希普克(Michael Hippke),讨论了生活在所谓“超级地球”上的外星人能否依靠与地球上一样的火箭来达到逃逸速度。

近日,美国宇航局宣布与 10 家私营公司达成 19 项合作,共同推进多种太空技术和实际运用,以支持后续的月球、火星,甚至是更远的太空探索计划。

宇宙中一切有质量的东西都会相互吸引,我们称其为引力。离质量大的物体越近,引力就越大。正因为如此,我们被困在了地球上,我们可以把这个看作是被困在重力鉴于或引力井中,当然不是真正的井,只是方便理解。

每当火箭发射时,都会有一定数量的物料被抛下,例如一旦燃料消耗完,就会脱落的火箭外壳。此外,随着卫星止用、解体或与其他碎片碰撞,会生成更多的“空间碎片”。在太空时代初,人们对近地轨道上碎片的缓慢积累没有过多的考量,但这无疑是一个问题,或更确切地说,现在大约有50万个“空间碎片”。

比邻星b,化学火箭很难逃离恒星系

必威betway 3比邻星b的艺术想象图。图片来源:ESO/M. Kornmesser

勒布教授在研究中指出,人类非常幸运,因为我们生活在一个非常适合进行航天发射的行星上。如果一枚火箭要从地球表面逃离并进入太空,而非环绕地球运行,它需要达到11.2千米/秒的逃逸速度。如果想从地球的位置出发逃离太阳引力的束缚,有能力进入星际空间,则逃逸速度需要达到大约42千米/秒。

发射火箭所需的化学燃料质量随着目标速度的增加呈指数型增长。幸运的是,地球轨道所处位置上逃离太阳所需的速度,恰好在化学燃料火箭可以达到的速度极限以内。而对于更加黯淡的恒星来说,由于宜居星球距离恒星更近,在恒星的引力势阱中陷得更深,化学火箭想要逃出去就将面临更大的挑战。

勒布教授在论文中指出,逃逸速度与恒星质量的平方根成正比,与行星到恒星距离的平方根成反比。考虑到宜居行星到恒星的距离与恒星质量有关,因此宜居带的逃逸速度实际上与恒星质量的1/4次方成反比。对于地球这样的行星,在太阳这样的黄矮星的宜居带内运行,逃逸速度倒还说得过去。

可惜,对于红矮星周围的宜居行星来说,这就不是个好消息了。质量更低的红矮星是宇宙中最常见的恒星,仅在银河系中,红矮星就占了所有恒星数量的75%。此外,近期对太阳系外行星的搜寻工作发现了大量岩石行星围绕红矮星运行的情况。一些科学家大胆地指出,在这些红矮星附近最有可能找到潜在可居住行星。

必威betway 4太阳系与比邻星系统行星轨道的对比图,右图中的绿色区域为比邻星系统的宜居带,其中的虚线为比邻星b的轨道。可以看出,比邻星b的轨道比水星围绕太阳的轨道还要小得多。图片来源:Pale Red Dot

勒布教授以位于半人马座的比邻星为例,解释了在其宜居行星上,使用化学燃料的火箭想达到逃逸速度会有多么困难。

 “离太阳最近的恒星,即半人马座比邻星,是暗淡恒星的代表,它的质量仅有太阳的12%。”勒布教授说,“数年前,人类发现这颗恒星存在一颗地球大小的行星,位于其宜居带内,这就是比邻星b。它到比邻星的距离只有地球到太阳距离的大约1/20。与地球环绕太阳轨道上的逃逸速度相比,比邻星b这个位置上的逃逸速度要高出50%。比邻星b上如果有外星文明的话,他们会发现自己很难用化学燃料火箭发射进入星际空间。”

其中, SpaceX 将会与马歇尔太空飞行中心(Marshall Space Flight Center)、格伦研究中心(Glenn Research Center )共同研究在地球轨道上对航天器加注燃料的技术,让飞船有充足的的燃料飞往火星。

成为重力监狱的囚犯意味着你欠下了重力势能,但为什么你会欠下能量呢?

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超级地球,连进入太空可能都是奢望

希普克的论文,则从另一个角度入手,考虑了地球实际上可能不是宇宙中最宜居的行星类型。比地球质量更大的行星表面重力通常会更大,意味着它们能够维持一个更浓厚的大气层,这样可以屏蔽更多有害的宇宙线和太阳辐射。此外,重力更大的行星地形会更加平坦,导致行星表面以群岛为主,而不像地球这样被浅海隔开成一块块大陆——从生物多样性的角度来看,群岛地形是更加理想的环境。但对于火箭发射来说,地表重力的增加也意味着逃逸速度会更大。

必威betway 6一颗“超级地球“的艺术想象图。这颗行星的质量是地球的许多倍,但小于天王星或海王星。图片来源:NASA/Ames/JPL-Caltech

必威betway,希普克称,当行星质量更大时,传统的化学燃料火箭需要更多燃料才能发射升空。 这其中存在某种指数关系。举例来说,假设地球引力为1,所需的燃料为2,那么在一颗重力为10的行星上,所需的燃料就会变成210,即1024。因此,在这样一个过分简化的模型里,比地球重10倍的超级地球上,火箭需要1000倍的燃料才能把同样的载荷发射升空。

希普克以开普勒-20b为例作了一个比较。这是一颗950光年外的行星,其半径是地球的1.6倍,质量是地球的9.7倍。地球上火箭的逃逸速度约为11.2千米/秒,而在与开普勒-20b相似的一颗行星上,火箭的逃逸速度将达到大约27.1千米/秒。相比于地球上同样的火箭,开普勒-20b上发射的单级火箭需要燃烧掉104倍的燃料才能入轨。

希普克还用一些特定的载荷为例作了计算。如果要将6.2吨的韦布空间望远镜送入轨道,在开普勒-20b上需要使用大约5.5万吨燃料,与最大的海洋战列舰质量相当。如果要进行阿波罗登月任务,即载荷为45吨,火箭就必须更大,达到大约40万吨级——而地球上执行阿波罗任务的土星五号火箭,就算加满燃料,总质量也才大约3000吨而已。

希普克的分析认为,化学燃料火箭在10倍地球质量的行星上虽然仍可以达到逃逸速度,但火箭所需的燃料让这种方法显得不切实际。希普克指出,这可能对外星文明的发展产生严重影响。

“我很惊讶地发现,人类差点就会被困在地球上,而不是像现在这样可以开展太空飞行。”他说,“其他文明,如果存在的话,可能不会有这么幸运。在质量更大的行星上,航天发射的成本是成指数倍增加的。这样的文明不会有卫星电视、登月任务,也不会有哈勃空间望远镜。这将改变他们的文明进程。”

必威betway 7一枚火箭正在化学燃烧的驱动下发射升空。这样的场景,恐怕在外星文明那里并不常见。图片来源:SpaceX

虽然 SpaceX 的 Starship 飞船目前还未研制成型,不过在现阶段就围绕飞船设计加油方案,无疑是一大利好消息。Starship 背后的重要工程师 Paul Wooster 也表示,在轨道上加注燃料对该公司来说,是实现火星愿景的最大困难之一。

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然而,正如你在科学或物理课上所记得的,重力存在于任何两个有质量的物体之间;有人想知道,为什么所有的空间碎片都不能合并成一个巨大的团块,类似于一个由太空垃圾构成的小卫星。这是一个很好的问题,在我们了解一些基础物理并从更大视角考虑将有助于明确答案。

化学火箭,可能是少数文明才能掌握的能力

在搜寻地外文明(SETI)方向,这两篇论文都提供了一些明显的指向性。比如说,如果在红矮星周边的行星上,或者在超级地球上,技术文明都不太可能进行航天探索的话,目前我们所采用的SETI技术可能就更难发现他们了。

不过,勒布和希普克也都指出,外星文明也可以采用其他的推进方法,比如用光帆或核动力引擎来进入太空。对于这些技术,我们人类也在研究,目前都还处在非常初步的阶段。归根到底,我们所熟悉的喷气推进技术,在宇宙中大概不会有多少技术文明采用,因为对他们来说,化学火箭可能根本就不适用。

莫非,这才是外星人至今都还没来过地球的真正原因?!(编辑:Steed)

将大量的荷载送上地球轨道甚至更远的月球、火星等,并不是一件简单的事情。由于地球引力巨大,航天器在飞出地球阶段就要耗费大量的燃料,而为了带更多的东西前往火星,其中一种方式是:将一艘 Starship 送至低地球轨道,飞船在地球轨道上将“油箱”再次加满,以载着所有的载荷飞往火星。

因为在宇宙中,所有物体都不愿改变速度或方向,如果要它们移动,就需要消耗能量。数十亿年前,无数绕太阳公转的尘埃颗粒在引力的作用下,聚集在一起成为一个星球,这个过程消耗了能量,形成现在我们所处的重力井。

重力

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Gravity不仅是一部关于太空碎片的电影的名字,它给卫星及其研究人员制造了很多难题,但同时它也是维持我们整个宇宙的力量。正如牛顿指出并证明的那样,任何有质量的物体之间都存在引力,即使是在星系的两端,而引力的强度取决于物体的邻近程度及其质量。

图|太空加油站概念图(来源: NASA )

在重力井中的位置越深,欠下的能量就越多。如果无法获取足够的能量,无论如何都无法离开那里,因为组成你的原子曾是尘埃的一部分,宇宙曾为这些尘埃消耗过能量。

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由于荷载众多,路途遥远且复杂。最终飞向火星的飞船可能需要在轨道上补充上百吨的燃料,包括液氧和甲烷。公司预估,将这些燃料从地面送上地球轨道就需要 5 艘 Starship 飞船。在实现这一方案的过程中,在地球轨道上进行“空中加油”的技术属于必不可少的一环。

总的来说,宇宙中的物体不喜欢移动,必须要消耗能量才能使它们移动,引力消耗能量使尘埃聚集到一起成为地球,这个过程中形成的重力监狱把我们困在其中,要逃离引力井,就需要偿还能量。

例如,在太阳系中,太阳对行星施加的引力非常大,以至于行星之间的引力几乎可以忽略不计。在某些情况下,当行星的轨道相互交叉或接近时,可以发现它们的轨道也会发生轻微的变化,但这是暂时的,程度也非常小。当我们的行星由围绕太阳旋转的碎片环形成时,由于这些物质的密度,它凝聚成一个行星,并维持着围绕太阳的轨道能量。因此,当地球不断地被拉向太阳时,一个更好的描述它的方法就是不断地下落。

不过,这种做法并不仅仅能够用于火星之旅。曾任 NASA 首席技术专家的 Bobby Braun 表示,人类要进行长足的深空探索,还有一系列的前沿技术需要突破,而在太空加油就是其中的一个关键技术。

那么我们应该怎么做呢?

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不过这一做法目前还没有先例,需要不断摸索和验证。

为了进入太空,我们需要经历复杂的能量交换过程,为此我们制造了负能量偿还机器,这个机器有个无聊的名字:火箭。

太阳以每小时43000英里的速度移动,而地球的轨道速度大约是每小时67000英里。这会产生极大的轨道能量,使得当太阳施加强大的力阻止地球飞离太阳系时,无法将地球吸引到它炽热的怀抱中。如果太阳和地球都停止运动,地球将迅速被吸入太阳并被毁灭;幸运的是,对于我们来说,当涉及到天体运动时,没有“暂停”。

由于太空环境极为特殊,对航天器燃料的储存要求非常苛刻,要进转移也是困难重重。比如燃料可能在太空环境中直接沸腾,燃料箱里的氢原子甚至可以直接穿过燃料箱造成泄露等等。

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运行火箭使用的是人类所知的一些最活跃的化学反应,让燃料在可控的情况下爆炸,将化学能转化为动能,反应产生的废气向外排放,将火箭推离地球。通过大量能量的消耗,增加了我们的重力势能,简单来说,即我们正在向引力偿还欠下的能量!

空间碎片与结块的问题

图|火星之旅方案图(来源: SpaceX )

但现实比这复杂的多。在为了进入轨道而燃烧燃料时,热量,废气和大气阻力上消耗了大量能量,因此实际上需要更多能量,同时不能直接把大量易爆的危险燃料放在火箭舱内并引爆,而是需要有效控制燃料的燃烧,这非常复杂,而且会使火箭变重,也就是说火箭的质量更大,而物体质量越大,运动所需的能量就越多,也就需要更多的燃料来发射火箭,而更多的燃料需要更大的空间,于是需要更多火箭,从而陷入死循环!最后,发射火箭所需燃料的质量会比火箭荷载量高接近一百倍。

重力的特性直接关系到近地轨道空间碎片的问题。在空旷和恶劣环境中,材料往往会分解并开始蜕变,特别是当它们是因事故、爆炸等而被遗留下来时。随着时间的推移,大碎片变成中碎片,中碎片又变成小碎片。总的来说,在我们的轨道上漂浮着大约50万块太空碎片,其中超过2万块大于4英寸。每一个较大的碎片都由地面空间机构持续监测,以防对卫星有潜在影响。

NASA 此前就在这方面进行了大量的研究,不过这项技术仍存在挑战。在拉上了 SpaceX 、马歇尔太空飞行中心、格伦研究中心后,多方的合作可能会让这项史无前例的技术得到更好的发展。

比如,阿丽亚娜6型火箭,欧洲火箭,重800吨,理论上能带十吨荷载进入地球同步转移轨道,或者带20吨荷载进入中地球轨道。但一枚火箭产生的推力有限,因此,若荷载重量超过上限,火箭就无法发射,所以不能无限制地增加燃料。

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Braun 认为,马歇尔太空飞行中心、格伦研究中心的人员在这方面非常有天赋,同时 SpaceX 对自家开发的 Starship 的性能和需求最为了解,分工明确的合作将能够取得更好的成果。

这就是火箭方程式的苛刻之处,这也意味着,太空飞行很困难。更糟糕的是,进入了太空还不够,你还是被困在太空边缘的重力监狱中,会坠回到地球。

随着时间的推移,无数的碎片被留在太空中,考虑到这些碎片移动的速度之快,它可能对未来的发射任务构成实实在在的威胁。一些太空垃圾在轨道上以每小时24000英里的速度移动,所以即使与很小的物体碰撞也会造成严重的破坏。随着发射窗口的缩小,发射变得越来越困难,这个问题似乎也只会越来越严重。

值得一提是, NASA 牵头的这项合作也被视为是对在轨加油方案以及 Starship 飞船的认可。

留在太空比去往太空难得多,为了达到稳定位置停留一段时间,火箭需要达到近地轨道,这需要大量动能,即非常快的飞行速度。在十万米高空,每秒速度达8千米,每小时2.8万千米,可以在90分钟内绕地球一圈。

如果可以把所有的太空碎片都聚集在一起,航天局一定会感激涕零,但那并不现实。如前所述,这50万块碎片中的绝大多数都小于4英寸,这意味着它们的质量非常小。此外,我们不要忘记地球非常大,这意味着几百英里厚的三维空间也足够巨大了。而重力取决于物体的质量及其邻近程度,对于空间碎片来说,他们质量较低,邻近程度较差。换句话说,不同的空间碎片对彼此几乎没有引力作用。

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当然我们可以耍点小把戏,斜着飞而不是直接向上飞。

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图|Starship 概念图(来源:SpaceX )

我们都知道,地球是一个球体,所以如果向侧面飞的速度足够快,即使向地球方向坠落,离地面也还很远。所以只要在大气层之上大约十万米高,就能够留在轨道中。

解决空间碎片问题

早在 2010 年左右,当时的奥巴马政府更倾向于资助私人航天企业,并制定了相关的计划支持新的太空技术,这个“太空加油”便是其中之一。不过这一做法在当时也存在着不小的争议。

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虽然地球周围有数千颗卫星在轨道上运行,同时还有50万块碎片在空旷的空间中飞驰,但卫星和空间碎片之间只有8次碰撞。这在很大程度上是因为天体物理学家和航天机构的预防努力,但这个问题需要被彻底解决,而不只是去减轻他们的危害。现在已经有很多创造性的建议包括在近地轨道上使用巨大的磁网来吸收这些碎片,消除它们,或是在重返大气层时将它们烧掉。仿佛是太空中的真空吸尘器,帮助我们疏通通往行星的道路。

当时美国的航天飞机已临近退役,国会希望 NASA 能继续造大火箭,也就是如今的空间发射系统(Space Launch System,简称“SLS”火箭)。

国际空间站就是这么做的,在向地球侧面坠落的过程中,不时使用能量保持一定的速度如果我们按比例观察轨道,我们可以看到近地轨道离地球非常近。

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最终,国会的意见占据了上风, NASA 打造 SLS 重型火箭。NASA 官员当时曾表示,从技术角度看,在轨加油还未迎来最好的发展阶段,集中资源专心开发重型火箭更加吸引人。

部署卫星,或者去往别的星球,需要新一轮的能量债务偿还。进入轨道是目前太空飞行最艰难的一步。例如,如果我们想要向火星发射火箭,仅仅进入轨道就需要消耗一半能量,另一半能量用来完成到火星5500万公里的飞行距离。

还有一些想法涉及到巨大的机械爪,可以像未来的垃圾箱那样收集碎片,以及回收旧火箭和碎片,在地面上或是在太空中的“车间”看是否可以重新利用他们。人们还建议向碎片发射激光,但这个方法应该被谨慎考虑。

但在轨加油和 SLS 火箭背后又存在微妙的竞争关系,若前者被证明是一个可行、可靠的方案,那么这项技术将允许 NASA 在深空探索任务中选择更小、更便宜的运载火箭,这对 SLS 火箭来说是一个潜在的威胁。

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还有一个解决方案似乎更像是卫星的“拖车”;与其让旧卫星停留在轨道上,增加故障或与其他物体碰撞的风险,不如把它们拖回地球,或者至少拖出轨道,这样它们就可以再进入大气并燃烧殆尽。大多数卫星都得到了很好的监控和安全维护,但由于有数百家公司、数千颗卫星和难以避免的经济问题,从轨道中清除没有使用价值的卫星是防止灾难发生的最可靠方法。

加之当时有一部分 NASA 官员尚对 SpaceX 火箭持不信任态度,轨道加油技术在一定程度上受到了打压。

因此,为了尽可能提高效率,我们建造的不是整体式火箭,而是多级火箭,燃料罐耗尽后会被抛弃。随着火箭的上升,火箭与助推器和主题部分分离,确保每一个阶段火箭都处于满仓状态,使用各阶段专属的引擎和燃料!

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后来的故事大家都知道了, SpaceX 的猎鹰 9 火箭已经成功发射数十次,证明了其可靠性,而一直备受质疑的重型猎鹰也在过去的一年半时间里三次发射成功。

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最后

反观曾被寄予厚望的 SLS 火箭,自 2011 年以来, NASA 已经花费了超过 140 亿美元用于 SLS 火箭相关的研发,但到目前为止,这款火箭依然未能达到发射的标准,首飞时间已经从最初计划的 2017 年推迟到了 2021 年,超时的同时也造成了研发费用超支。

这就是为什么去往太空很困难。如果你觉得这些看起来都十分复杂,不用担心,这本来就很难理解,也不是常人能够理解完成的事情,也能够进一步解释,美国计划载人登录火星这么长时间以来,迟迟没能开始行动,资金或许不是最主要的,逃离地球的引力井,然后是5500万公里的漫长旅行,进入火星轨道,登陆火星,然后逃离火星的引力井,再次经历5500万公里的旅途,进入地球轨道,返回地球,期间任何一个环节出现问题都将是致命的!

如果重力对我们有利,能把所有的空间碎片拖到一起,那就太好了,但是这个简单的解决方案不符合物理学定律,在讨论宇宙的各种行为时,物理学定律是最重要的。

如今特朗普政府已经提出了新一轮的月球计划Artemis ,旨在 2024 年登上月球,但火箭研制的进展不顺会直接拖累登月计划的进行。

参考资料

SLS 火箭的一拖再拖,也让 NASA 对私营火箭公司的火箭松开了口,如今开展这项空中加油的研究也被认为是 NASA 正在更加认真地对待轨道加油这一方案,同时也是对 Starship 的首次认可。

1.WJ百科全书

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2.天文学名词

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