本文来自微信公众号：Engineering（ID：engineering2015），作者：Chris Palmer，题图来自：视觉中国
2020年12月至2021年3月，位于美国加利福尼亚州霍桑市的美国太空探索技术公司（SpaceX）发射了4艘星际飞船原型机。SpaceX希望有一天通过这种巨型火箭能将人类送上火星。这4艘星际飞船原型机要飞到几英里高，执行腹部拍水式俯冲的指令，但都在随后着陆过程中或在着陆后不久爆炸了。
2021年5月5日，SpaceX发射的第五艘星际飞船原型机SN15终于取得了成功，在着陆地球后没有发生爆炸。作为火箭行业的新手，SpaceX通过迅速反复试错，正不断向人类登陆火星这一目标前进。与此同时政府资助的太空机构预计，未来人类将使用已有半个世纪历史的核推进技术和离子推进技术，将宇航员送往红色的火星以及更远的地方。
总部位于美国加利福尼亚州帕萨迪纳市的行星学会（Planetary Society）的高级太空政策顾问及首席宣传员Casey Dreier 表示：“SpaceX的系统开发非常迅速，为探索太空提供了巨大的可能性。”
SpaceX希望星际飞船实现完全可重复使用，以能够在飞向火星和更远目的地的长期飞行中运送宇航员和货物。目前原型机高45m，形状像喷漆罐，由三台猛禽发动机（Raptor engine）驱动。SpaceX的创始人 Elon Musk曾指出人类必须占领火星以确保生存，最近他又提出了新的目标——在2026年实现首次载人登陆火星任务。
虽然Musk很乐观，Dreier则不然。他表示：“SpaceX还未曾将任何东西送上火星，更别说人类了，所以SpaceX需要先向人们展示他们有这方面的能力。不过我确实希望他们在此方面进行尝试。”
尽管SpaceX在扩大现有化学火箭技术应用规模方面取得了显著成功，同时向火星发射机器人探测器已变得更普遍，但许多火箭专家认为，定期载人前往火星需要核动力。不过可能要在Space首次将人类送上火星10多年后才能实现使用核动力将人类送上火星。
2021 年 4 月，美国国家科学院、工程院和医学院（NASEM）发布了一份报告，总结道：“安全运送人类往返火星需要改进航天器推进技术。与非核动力方法相比，先进的核推进系统，包括核热推进（NTP）和核电推进（NEP），或可大幅减少宇航员的飞行时间、火箭质量以及宇航员暴露于空间辐射下的时间。”
2021年5月，中国的天问一号着陆巡视器成功着陆火星。目前，中国也在考虑从2033年开始载人登陆火星计划。然而，中国国家航天局计划采取不同的方法，即利用离子推进。离子推进也是一项已有几十年历史的技术，最初由美国物理学家Edwin Hall在20世纪30年代提出。该技术利用电力加速离子来产生推力。
以太阳能供电提供动力的离子推进器已被应用于众多小型航天器和中国天宫空间站核心模块。2021年6月，天宫空间站迎来了3名宇航员，使其成为首个由离子推进的载人飞船。然而，离子推进器在太空运输大型有效载荷方面无法与化学火箭相比，且与核推进器一样，离子推进器的推力也不足以将航天器发射到太空。离子推进器产生的带电粒子还会损坏发动机部件，随着时间的推移航天器的完整性将逐渐降低，危及宇航员的生命安全。此外，离子推进器产生的推力相对较小，尽管理论上通过改进可以使该技术在到达火星所需的时间上与核推进器不相上下。
然而，中国科学院的研究人员表示，他们已经找到了一个可以大大提高离子推进器推力的解决方案。在天宫空间站核心模块的新动力设计方案中，他们在发动机内壁建立了一个强大的磁场，其能击退破坏性粒子，由此保护发动机免受侵蚀。该推进器用一种独特的陶瓷材料设计而成，可长时间承受高温和辐射。研究人员表示曾对推进器原型进行了长达11个月以上的连续燃烧测试，期间未出现任何问题。
化学、核能以及离子推进技术，无论事实证明哪一个是最好的解决方案，“制造火箭从某种意义上来说，都只是人类登陆火星过程中最简单的部分。困难的部分在于闭环生命支持、运输过程中无法更换的组件是否可靠、宇航员的心理健康状况以及与地面控制中心的有效沟通。想要成功就必须解决这些问题。”Dreier说道。
2021年5月5日，SpaceX的星际飞船原型机SN15从美国得克萨斯州博卡奇卡发射台起飞，随后进行了亚轨道试飞。该火箭成功着陆，而未像之前 4 艘原型机那样发生爆炸。来源：Steve Jurvetson（CC BY2.0）。
以上内容来自：Chris Palmer. SpaceX Starship Lands on Earth， But Manned Missions to Mars Will Require More [J]. Engineering， 2021， 7(10): 1345-1347.
本文来自微信公众号：Engineering（ID：engineering2015），作者：Chris Palmer
