往期回顧
在本系列的之前的文章中，我們一起回顧了重型獵鷹首飛的成敗得失（鷹之擊）；瀏覽了獵鷹系列火箭（鷹之軀）；並對梅林以及猛禽這兩代火箭發動機進行了簡介（鷹之心）；而SpaceX的看家絕活——火箭回收和複用也作為重點進行了介紹（鷹之魂）；在上兩期中我們則一起對SpaceX的火星之夢以及圓夢巨人BFR進行了初步介紹，並對火星夢的由來和合理性進行了鋪墊（鷹之夢，上、中）
詳情請移步：
連載之七：鷹之夢（下）
上回書我們說到：和太陽系內其他那些歪瓜裂棗的行星相比，火星簡直就是一個世外桃源。而和那些雖然可能和地球高度類似但無比遙遠的系外宜居行星來說，火星之旅又簡直是如同去鄰居家串個門。貌似去火星也是可以成為一場說走就走的旅程，但理想很豐滿，現實很骨感——火星之旅從來就不是一件容易的事情。
04 一切都為了“交集”
在馬大叔看來，能夠去火星的都是什麼人？排除其他身份不談，馬大叔覺得能去火星的人，至少需要符合兩點要求：首先，是有勇氣且願意去火星的人。另外，還是必須有能力負擔火星之旅的費用的人。翻譯成人話就是：膽大且買得起票的人。也就是必須是同時符合這兩個條件交集的人。
然而不幸的是，直到目前為止，這個交集幾乎為空。
馮·布勞恩時代的計劃
馬大叔的PPT之一
上圖來自於馬大叔“讓人類成為多行星物種”演講稿。其實筆者覺得，這張圖做的有點問題，因為右側“付得起錢的人”那個圈在目前階段應該幾乎是無窮小。因為現階段的載人火星項目的費用實在是太高太高了。
早在50年代中期，“火箭狂人”馮·布勞恩就提出過了載人登陸火星的方案。而到了1989年，老布什政府也授意NASA對載人登陸火星方案進行過研究。
馮·布勞恩的火星計劃
NASA當時大致研究方向還是基於當年馮·布勞恩的方案。也就是在近地軌道上建立一個龐大的空間站，在空間站打造（組裝）基於核熱推進技術的火星飛船。因此這個空間站或許被稱為“建造站”更為確切。然後從建造站出發前往火星。到達火星後飛船指令艙進入繞火星的軌道飛行，並釋放載人登陸艙登陸火星表面。完成任務後，登陸艙重新從火星起飛並和指令艙匯合後再次沿著地火轉移軌道返回地球軌道。前幾篇中提及到的馬特呆萌的電影《火星救援》中巨大的地火轉運飛船赫爾墨斯號其實就是脫胎於這個火星計劃。
《火星救援》中的地火轉運飛船赫爾墨斯號
其實這個過程和馮·布勞恩主持的阿波羅登月計劃高度類似。只不過飛船出發地由地球表面變成了近地軌道上的建造站。而當初這個計劃中的建造站的總重量超過3000噸。幾乎是現在的國際空間站的總重量的8、9倍。而國際空間站是由六個頂級的國際航天機構傾注十幾年之力才打造出來的。因此比他還要大8、9倍的建造站的難度和費用幾乎是難以估量的。按照當時的預算摺合到現在，整個項目的費用超過5000億美元。如果按照送4-5名宇航員登陸火星表面，那麼平均每人的花費將超過1000億美元。而且每次停留在火星表面的時間也將非常有限。因此這個計劃無疾而終也就不難理解了。
火星直擊計劃
之前曾經提到過備受馬大叔推崇的祖布林博士的“火星直擊計劃”。這個計劃和老馮之前的計劃最大的不同在於“直擊”。也就是地球直接到火星，軌道上不留任何物體。
祖布林博士的火星直擊計劃就收錄在此書中
再普及一下地火轉移軌道吧。地球和火星之間最方便的軌道是沿著地火轉移軌道。這是霍曼轉移軌道的一種。下面的動圖就展現了地球到火星的飛行軌跡。
地火轉移軌道 （黃色部分）
由於地球和火星都是沿著太陽公轉，同時火星公轉一週的時間幾乎是地球的2倍。而地火轉移軌道總是發生在地球和火星之間相對於太陽的夾角為44°時。因此如果要使用地火轉移軌道前往火星的話，差不多每次發射間隔為2年。
發射窗口總在44°
而火星直擊計劃就是基於這樣的時間節點——每兩年的一次的發射窗口。
而火星直擊計劃的另一個重要支撐則是一個被稱為“薩巴蒂爾反應”（Sabatier）的化學方程式。
薩巴蒂爾反應用於製備甲烷和液氧
薩巴蒂爾反應其實就是水和二氧化碳在催化劑的作用下生成甲烷和液氧的過程。本質上是甲烷和氧氣燃燒過程的逆反應。
火星大氣中96%都是二氧化碳，而火星的兩級以及地下有大量的以冰層形式存在的水。因此在火星上通過開採冰層得到水，就可以和火星大氣中幾乎取之不盡的二氧化碳通過薩巴蒂爾反應產生甲烷——這就是火箭的燃料。而作為氧化劑的氧氣則可以通過電解水而產生。因此火箭的燃料和氧化劑都可以在火星上“因地制宜”的製造，而無需從地球上攜帶過來。
而火星直擊計劃中，首次發射（第1年）將在火星地表降落一個無人地球返回載具（ERV, Earth Return ehicle，亦稱返地飛行器），降落後ERV攜帶的裝置將開始生產甲烷和氧氣。第二次（2年後，也就是第3年）將發射載有4名宇航員的著陸飛船以及第二艘ERV飛船。宇航員在完成大約1年半的火星表面任務後將在第5年搭乘最早著陸並已經自己製備完甲烷和液氧的ERV返回地球。與此同時第三艘ERV 飛船以及第二艘載人飛船也將從地球上發射前往火星。而在第7年時，第二批宇航員將搭乘第二艘ERV返回地球，同時地球將發射第四艘ERV和第三艘載人飛船，依次類推第週期為兩年的任務。
火星直擊計劃是一個週期為2年的循環方案
而在《火星救援》中，也吸收了這個概念。也有先期發射的返回飛船早於宇航員之前著陸火星，並開始製備甲烷和液氧。只不過，這個返回飛船並非如火星直擊計劃那樣直接飛回地球，而是和重新返回火星軌道的赫爾墨斯飛船對接。
《火星救援》中的返回飛船也是取材於火星直擊計劃
火星直擊計劃相比於老馮的火星計劃來說是有著巨大的進步的，他的不在軌道上留任何物體以及在火星上製備返程燃料的思路是非常先進的。馬大叔也是深受其影響。
但是馬大叔還是覺得這個方案很貴。他在演講中是這麼說的：
馬大叔的PPT之二
這裡的“傳統方案”其實指的就是火星直擊計劃。按照這個計劃，可以把人均的火星之旅費用從之前老馮的上千億美元降到不到1/10的100億美元。但是即便如此，交集幾乎還是0。
馬大叔的瘋狂
按照馬大叔的設想，如果要殖民火星。那麼僅僅送幾個宇航員上去是無濟於事的。要建立一個自給自足，並能持續發展的火星基地，最少需要往火星上送去100萬人！而為了實現這一點，那麼之前提及的“交集”必須足夠的大。這就必須要求旅行費用降低到足夠的低，而且前往火星以及返回的方案有足夠的可行性。
在演講中，馬大叔的第三張PPT是這樣的：
馬大叔的PPT之三
“在美國的一棟房子的錢”，其實指的就是50萬美元。也就是馬大叔覺得如果把火星之旅的人均費用降低到50萬美元的樣子就可以差不多湊夠100萬人前往火星殖民了。
這是什麼概念？這意味著馬大叔要把人均費用降低到火星直擊計劃的人均費用的兩萬分之一！做個類比吧：如果現在一張往返美國的機票售價8000元人民幣，那麼突然跳出來一個人說“我可以把票價降低到4毛錢！” 不知你聽到這句話時會是什麼樣的感受？我想十有八九你會說——你個騙子！
會這麼想其實一點也不奇怪，人家NASA搗鼓了半個多世紀的火星計劃，還沒實施呢。突然跳出一個半路出家的馬大叔，聲稱可以把火星之旅的票價降到原先二十萬分之一，或者說是0.0005%，我想稍微有點理智的人都會覺得這個人不是個瘋子就是個騙子。怎麼可能做到啊！別說是在已經多年沒有實質性技術進步的航天領域，就算是在遵循瘋狂的摩爾定律的計算機行業內，我們通過簡單的計算也會發現，要將成本降低到原來的二十萬分之一也是需要30-40年的時間。
那麼馬大叔憑什麼敢誇下如此海口呢？
05 火星殖民計劃
SpaceX如何做到“降低票價”？
在“鷹之夢（上）”中我們曾一起預覽過馬大叔利用BFR來進行火星殖民計劃的宣傳視頻。現在我們不妨再去搜一下，看一遍：
其實通過這段視頻可以大致說明馬大叔為何敢誇下如此海口的原因。SpaceX的火星殖民計劃要降低人均成本其實是通過兩條途徑並行實施來實現：一是降低總成本，這個主要通過BFR火箭和飛船的完全重複使用來實現；而則是一次性儘可能多的載運客人來攤薄成本。
在之前已經說過，火箭和飛船的複用是SpaceX的看家絕活，目前的獵鷹九號火箭第一級，以及“龍”貨運飛船都已經很多次的實現了回收和複用。而BFR的火箭和飛船設計之初的就是奔著“全複用”去的。也就是說，BFR的所有部分都是可以回收和重複使用的。這就意味著在運載工具上的費用將僅僅是燃料費以及必要的檢測維修費用。和傳統的“用完就拋”的方式相比可以實現指數級的成本下降。
同時，和傳統火星登陸計劃一次載運4-5人相比，計劃中的BFR飛船一次可載運80-100人。下圖就是馬大叔在演講中展示BFR飛船的載人艙部分。
根據馬大叔說，BFR飛船中可以設置40個獨立的艙位，整個可以供乘客活動的區域的總面積甚至比一架A380主艙的面積還大，這主要是因為BFR飛船在低重力環境中飛行時，沒有所謂的上下概念，可以沿著艙壁環形佈置艙室。
藉助降低總成本以及增加載客量這兩點，馬大叔宣稱他有信心在未來10-15年左右將火星旅行成本降低到大約人均50萬美元，並計劃隨著方案的持續優化，將人均成本進一步降低到大約10萬美元。
火星殖民計劃流程簡介
我們來正式地看一眼SpaceX的火星殖民計劃到底將如何實施吧。
首先是在2022年，SpaceX計劃發射了兩艘無人貨運飛船著陸火星表面。這兩艘無人飛船將攜帶有相關的無人設備用於尋找水源（用於製備燃料等），並攜帶必要的生存物資以供首批火星訪客建立最基本的生存基地。
2022年將發射2艘無人貨運飛船著陸火星
然後，在2年後發射窗口再次來臨的2024年，所有首批乘客登上BFR飛船後，將被髮射至近地軌道。而BFR火箭將重新返回發射場。
通過BFR火箭將客運飛船送至近地軌道
BFR火箭返回發射場之後，補充燃料（液氧+甲烷），並裝配上一艘BFR貨運飛船。這艘BFR貨運飛船滿載著液氧和甲烷，將負責對載客的BFR進行在軌燃料補充。
BFR火箭帶著這艘貨運飛船再次發射，將貨運飛船送入軌道後BFR火箭將再次返回發射場。而貨運飛船將與客運飛船對接，對後者在軌補給燃料後返回發射場。
通過貨運飛船對客運飛船在軌加註燃料
其具體的在軌加註燃料場景就像視頻中那樣，客運貨運飛船手牽手肩並肩。撒完狗糧，呃，是加註完燃料之後貨運飛船返回發射場。
在軌加註場景
而由於BFR客運飛船飛往火星所需的燃料量遠大於貨運飛船一次能夠補給的量，因此上述撒狗糧的場景可能需要重複進行4、5次，直至客運飛船獲得足夠的燃料。當然，在此過程中無論是BFR火箭還是貨運飛船都是不斷的重複使用的。還是那句話，誰叫咱馬大叔窮呢。
在軌加註需要多艘貨運飛船的發射
加註滿燃料的BFR客運飛船就將啟動自己的發動機，沿著地火轉移軌道開始飛往火星。同時，BFR飛船還將展開兩側那如同羽翼的太陽能電池板，這兩塊太陽能電池板將提供整個前往火星之旅所需的絕大部分電力。
BFR飛船“展翅飛翔”前往火星
在歷經大約3個月的飛行後，BFR飛船將抵達火星。然後將直接進入火星大氣，首先通過大氣的氣動減速隨後則是SpaceX標誌性的垂直著陸。
BFR飛船氣動減速後垂直著陸火星
如此一來，將首批乘客運往火星的旅程就完成了。他們將依託之前發射的貨運飛船攜帶的物資開始建設最開始的火星基地。其實，在首批客運飛船發射的同時，第二批貨運飛船也將抵達火星。帶來更多的生存物資和建設物資。
火星基地的建設
然後，隨著每兩年一個間隔的發射，SpaceX將源源不斷地將更多的客運飛船和客運飛船發射到火星表面。最終將建立一個完全自給自足，可容納百萬人的火星基地。
火星基地
而在火星上製備完燃料的飛船也將裝載著想返回地球的探險者飛回地球並垂直著陸在地球上的發射場。也就是說，SpaceX的火星殖民計劃提供的並非是單程票。只要願意，還是可以返回地球的。
以上就是SpaceX給大家畫的火星殖民計劃的大餅。雖然其中有不少腦洞的成份，而且其中必然要解決無數難以想象的難題。比如長時間低重力環境下的問題，BFR的可靠性問題，火星基地自給自足的問題。但現實的說，以上計劃所需要的基本技術SpaceX目前還都是具備的，只需要不斷的改進罷了。
至於馬大叔給大家畫的另外一張更大的餅，不妨也一併提一下：
而隨著火星人口的逐漸增加，特別是慢慢培植的適合火星環境的綠色植物的增加。火星上的大氣成分也將慢慢改變，或許是歷經幾萬年之後，火星上的環境會漸漸地變得類似於地球。或許稍微冷一點，但也是有可能成為下一個生機勃勃的藍星的。
06 “One More Thing”
其實上面的介紹已經涵蓋了SpaceX的火星殖民計劃的全部內容了。但是就像馬大叔做產品發佈會時喜歡再最後說一句“One More Thing”（還有一件事）一樣，這裡也是有隱藏的彩蛋的。是啥呢？還是先看一段視頻吧：
Earth to Earth宣傳片
BFR只能用於火星之旅？不不不，馬大叔覺得用來從紐約飛往上海也挺好。因為這段11897公里的旅程用BFR只需39分鐘就可以抵達哦！
紐約登機，不，應該是“登箭”
從紐約發射
39分鐘後抵達上海
好吧，快是夠快，但比起機票來說估計貴的也不是一點兩點吧。
估計這個Earth to Earth的“地對地導彈”式的旅程只是馬大叔的一時腦洞吧。其實除了飛往火星外，馬大叔還設想過讓BFR飛船前往其他行星。或許不是為了殖民，而是用於科研探險，亦或是純粹旅遊？
土星
或者替代早已退役的航天飛機，用來釋放超大的衛星？
釋放衛星
或者用於重返月球，建立月球基地？
用BFR建立月球基地
不過，等等！！BFR在月球上卸貨這張照片咋瞅著這麼眼熟呢？放大看看：
BFR飛船在月球上卸貨
不覺得想起什麼了嗎？哈哈，難道馬大叔這是在向《丁丁歷險記》致敬嗎？
《丁丁歷險記》中飛船的卸貨
07 結束語
這個系列終於要和大家再見了。五個主題，七篇文章，近四萬字的介紹其實還是很難做到題目所言的“認準這隻鷹”。畢竟Space的故事有點傳奇，他家的黑科技有點多，馬大叔的各種腦洞實在有點大。
但還是很希望通過這個系列的簡單介紹，能夠幫助有興趣的朋友初步揭開這隻鷹身上籠罩著的那層神秘光環。另外，更希望我們自己的航天技術能夠腳踏實地的迎頭趕上。我們最強的“胖五”火箭目前首發成功，次射失敗。失敗的原因近期剛剛公佈，果然是主發動機的渦輪出的問題，是心臟的心臟出了問題。查出問題就好，接下去就是好好的改進，希望今年長征五號的第三次發射能夠順利。
SpaceX這隻鷹目前有點一枝獨秀。但一花獨放不是春，百花齊放春滿園。人類要想真正的走出藍星，僅僅依靠一家SpaceX是不夠的，不是嗎？
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