主题：茗谈172：‘橘徕工程’ -- 本嘉明
家园 茗谈172：‘橘徕工程’ 我就读的中学同时有初中部和高中部，我在那里读了6年，今天我不能很确定，当年参加“美国航天飞机的学生科学实验项目”申请的那一年，我到底是在初中，还是高中低年级。那个学生实验项目------就是后来发展为The Student Spaceflight Experiments Program (SSEP)，在最后两次航天飞机飞行和国际空间站内继续执行------我觉得非常好，希望中国的航天计划里，也能有类似的项目，对全国乃至全球的中学生开放，利用每次飞行中废弃不用的零碎载荷和货舱空间，点燃少年们的热情。
今天因为提到了太空探索，我想把我当年的设想，和今天的想法，比较完整地串起来，也算是对中学母校的一个致敬。
(一)
从当年到现在，我心中的目标其实没有变化：依托已有的技术，让人类在太阳系内，大致以地球为球心，以30—70个天文单位为半径（一个天文单位约1.5亿公里），载人宇宙飞船能够在这个范围内自由翱翔，宇航员最终能返回地球。
太阳风是自太阳喷出的，速度大约400到750公里/秒的质子或其他粒子的射流，“太阳风帆船”就是由飞船用纤细的骨架张开巨大的聚酯薄膜来利用这种推力。今天回头看，这20年里，小型无人飞行器利用“太阳帆”技术，探索宇宙空间的成功案例，已经有多次了。
当年构思的实验，就是检验“太阳帆船”的可行性，我想到，要在太空中打开一个帆面，当时生活中比较熟悉的办法，就是折叠自动伞的原理，
从航天飞机的货舱里弹射到太空后，像折叠伞一样自动打开，握把就是核心舱，核心舱里包括光敏探头，四个调姿火箭喷嘴，以及无线电信号发射机。光敏探头始终正对太阳（太空里唯一的光源），稍有偏出就用调姿喷嘴调节回来，确保伞面始终垂直于太阳风的来向。伞面承接太阳风，带动整个模型，飞离太阳。
但是这样设计，实际上不成熟。第一，必须在实验盒里配置一个弹簧弹射器，不但占了实验项目所规定的宝贵载荷，而且弹簧的弹射动作不太可靠。用炸药弹射倒是既轻便也可靠，但属于危险品，不允许带上飞船。第二，如果伞面做得大，伞的骨架必须加粗，就会超重；如果伞面小，那么整个模型小，核心舱里的零件太小，比如无线电发射机的功率小电池小（发射机运行时间短），而发射机发出的信号，是唯一能让地面追踪这么小又不发光的模型的手段。
所以当时我可能申报了第二个方案，就是太空船到外太空后，当货舱开顶时，试验盒子的顶盖也打开，释放出一个气球。
由于太空没有重力和大气层，这个球里不一定要装氢气，因为装了氢气也不会自己升起。那么气球怎么跑出来呢？盒子里有个储压缩气的气瓶，盒盖一开，有一根软管开始把压缩气输入原先基本没有存气的半瘪气球里，使得气球开始膨胀，同时在气球底部有一个较小的阀门，此时是打开状态，气球里的气，有一部分从这个阀门“泄漏”出来，但气球进的气始终要多于出的气。由于这个面向盒底的“漏气”，气球受到反作用力，开始上升，软管也相应伸长，直到气球完全离开航天飞机的货舱，已经到达外太空的安全高度以上，此时软管也伸长到极限，开始绷紧，拉动机关，把气球上的进气阀和小出气阀都关闭，软管脱落，气球飘离航天飞机(因为航天飞机仍在太空高速飞行，而气球已经没有推进力，所以两者很快会拉开距离)。在气球下挂着核心舱，太阳风渐渐开始推动气球，向太阳系以外飞去。
使用气球的优点有三个：一，不再需要光敏探头和调姿火箭，气球是圆的，太阳风不管从哪里吹来，受风面积都是一样的。二，气球的体积较大，气球表面是银色膜，在太空里可以最大限度反射太阳光，那么模型自身不需要装长寿命的无线电发射机，即便无线电发射机的电池耗尽，观察者在地面凭比较好的天文望远镜就可以继续跟踪。三，用压缩气体，容易在最小的载荷要求下，搭建出最大尺寸的构件。
但是外太空的温度是-270℃，仅仅比绝对零度高了3摄氏度，普通气体无法保持气态，所以这个“在外太空放个气球”的方案，在当时绝不比“在外太空放个折叠伞/风筝“的方案，来得容易。（以上两个方案中，当年我申报的是哪个，已经记不清楚了，不过今天能够重新做一次的话，我会选择气球方案，理由就是下一段）
不过经过30来年，问题已经解决了。2016年4月8日，美国SpaceX公司研发的猎鹰9号火箭为国际空间站运送新一轮货物补给，其中除了3.5吨重的研究器材和宇航员物资外，还有一款最新研制的可充气式太空屋。自1990年代起，NASA位于休斯顿的约翰逊宇航中心即开始着手研制太空屋，目的是为未来前往火星的宇航员提供“火星工棚”。工程师Kriss Kennedy解释说，充气太空屋有诸多好处，“其中之一就是可将其事先压缩包装， 抵达太空后再展开”。太空屋建筑材料采用质地牢/重量轻的Kevlar合成纤维，以及其他防微小陨石的原材料。 Kennedy说太空屋虽然膨胀成形，却并非如想像中柔软不堪。 “（它）非常坚实。只要内部保持一点点气体压力就会变得像铝一样坚硬。”
尽管NASA的研究热情高涨，但美国国会兴趣了了， 2000年该项目被中止拨款。此时，亿万富豪Robert Bigelow介入了该计划， Bigelow经营平价旅馆发家，他打算拿这个技术，在将来搞太空旅馆。获得NASA的研发许可后，Bigelow成立了Bigelow宇宙航空公司，16年后，该公司终于推出首款太空屋BEAM。 BEAM在折叠状态，尺寸大约2米X2米，扩展后为4米X3.3米，内部可用空间16立方米，全重1.4吨。负责BEAM研究团队的NASA科学家Jason Crusan介绍说，Beam太空屋抵达国际空间站后，宇航员将其与空间站的一个舱门对接，充气过程4分钟即可完成。如果外层被陨石戳破的话，“当然它会漏气，却不会像气球一样爆掉。”
2017年10月2日，NASA宣布将延长BEAM原定为两年的使用寿命。
所以，我希望人类从国际空间站或是天宫空间站，释放一批这种气球，每个气球的直径可以是200米左右，下吊一个核心舱，飘到小行星带时，就近拍照传回地球。
“太阳风飞船”的缺点也很明显。第一，即使是在零重力状态下，要张开面积巨大的塑料薄膜也很难，需要复杂的微型卷轴和绞盘。第二，太阳风的推力和飞行器离太阳的距离是成比例的，一旦太阳帆离开太阳5个天文单位以上的距离，推力就会明显的下降。第三，宇宙间有大量固体物质在流浪，薄膜很容易被击穿。当然，如果气球可行的话，上述几点可能会好一点。
那么模型的放飞解决后，1：1的实用载人太空船，能不能造出来呢？
(二)
一个天文单位是约1.5亿公里。目前载人航天器，最大飞行速度可以短暂达到第二宇宙速度（11.2公里/秒）从而摆脱地球引力，进入外太空。如果能较长时间保持的高速度，在今天，对于较大型的载人飞船而言，恐怕顶多就是11公里/秒，再快的话飞船船体强度受不了，上面的人也受不了。
这里我们只考虑载人飞船，因为是为未来人类大规模外徙做准备。同时，我也不考虑冬眠技术，因为即便有了冬眠技术，至少在这艘飞船上，必须有若干宇航员是清醒的，轮班操控飞船，要不然出个事故失事了，这些冬眠人和地球上的宇航中心都不知道哪里出了岔子，截糊的是火星人还是天顶星人。
如果我们假定一艘载人飞船，全程以11公里/秒的速度飞行，从地球附近太空某一点出发，飞出去60个天文单位，再折返地球，全程120个天文单位，那么这艘飞船必须飞51年零一个月。就是说，如果宇航员出发时是25岁，回来落地已经76岁了。由于是一股劲往外飞，中途换一班人马都不可能。
你想想看，连续飞51年不落地的飞机，要多少燃料多少费用？还不能出一点大故障，还要载人。而太空船比大型飞机更加复杂。 一台核反应堆，不停歇地运转50年是可行的，但这要求有大量的外围支援，随时提供零配件和抢救人力等等，这才踏实。而在小小的太空船上，这些“技术冗余度”是不存在的。
如果依托现有的技术，硬上，那么我的设想是这样的：
首先，一定是载人飞船和无人飞船配套研发。无人飞船先放飞，一是探路，二是先赶到预定地点停下成为 “驿站”，等载人飞船过来。
其次，载人飞船总重大约100吨，极限情况下可以短期收载15名宇航员，正常情况下只有2名宇航员。这2名宇航员在没有任何冬眠服务的前提下，可以连续操作飞船飞行50年。由于要做如此长期的飞行，他们的生活环境必须尽可能接近地球生活环境，最主要是要有“模拟重力”。
因此，这艘(还不能飞出太阳系的)宇宙飞船“橘徕-1号”，有一个直径50米的核心舱，和一个碗型甲板。整个飞船在天宫空间站上搭建完成，先把核心舱一段一段地送到空间站，连接起来。碗型甲板由一根一根充气软管（类似于放大的自行车内胎）充气后捆扎而成，软管和压缩气分别送上太空，然后充气组装，所充的气是氧气和氮气的混合体，但含氧量比地球大气要高，宇航员在飞行途中就吸这个储备气。
如果我们要建立“模拟重力”，最好的办法就是造一个能旋转的大圈圈，宇航员站在圈里，靠圈圈旋转时产生的离心力，来模拟重力的存在。
在“橘徕-1号”上，这个大圈圈就是镶嵌在碗型甲板外缘的“离心旋转管道”，管道横截面的直径4.2米（两层楼高），整个圈圈直径1300米，每70秒旋转一圈。
宇航员在“离心旋转管道”里健身，休息，作业，不必穿宇航服，也享受到“模拟重力”，生活条件接近于地球状态；非常有必要时，才坐电梯去核心舱，体验一把失重状态。
由于AI技术发展，飞船操作高度自动化，宇航员的工作强度不大，差不多说，这2名宇航员类似在地球上守护一座无人小岛，只要心理上不出毛病，一呆50年，上班打卡，回家做饭，跟一般夫妻也没有差别。
当然，为了避免宇航员身体出问题，在出生前，就进行了基因修补，确保生下来的婴儿，将来不会有任何家族性遗传病或者老年病出现。然后你吃得科学，每天锻炼锻炼，估计到70岁还是很硬朗。
“碗型甲板”起到几个作用，第一，连接核心舱（绰号“烟囱”）和“离心旋转管道”，确保飞船整体的结构牢固。第二，储存氧气，各类货物。第三，在甲板上可以安装大型射电天线，与地球联络并探测前路。第四，宇航员出舱外作业时，沿着甲板走动，比较安全。第五，收放“电动帆”的索具。
美国科学家们正在开发一种叫做“电动帆”的新推进方式，这种推进器可以利用太阳不断吹出的质子，电子以及其他颗粒，来当做我们飞船的推进力。Les Johnson是“太阳风静电快速传输系统(Heliopause Electrostatic Rapid Transit System ,HERTS)”的主要研发人员，这是一个获得NASA创新先进概念(NASA Innovative Advanced Concepts ,NIAC)计划两次资助的电动帆研究项目。HERTS团队也包括芬兰气象研究所的Pekka Janhunen，是他在2006年提出了电动帆的概念。受雇于NASA在阿拉巴马州亨茨维尔的“马歇尔太空飞行中心”的Les Johnson在 “100年星舰讨论会(100-Year Starship Symposium)”上，介绍电动帆概念为："这对于探险深太空看起来非常的有前途。这个计划有望在2025到2030年之间实用化。”
一个设想中的电动帆会从微型太空飞行器上伸出10到20条电线，每条0.6到20公里长，非常细，只有25微米的直径(人发大约50微米)。轴心会旋转，甩动电线，让这些电线绷紧，离心力使线缆每小时旋转一圈，逐渐延伸成为一个大的圆形丝网，然后对电线通电，用这些带正电荷的电线来拦截太阳送来的带正电的质子。假如在距离太阳一个天文单位（1.5亿公里）的位置，这些电线通电后形成电场的有效受推面积是600平方公里；但是在5AU的距离，这个面积就会增长到1200平方公里以上了。“经过好几个月的加速，这小小的力量可以让太空船加速到不可思议的速度，可能是每秒100到150公里(20到30AU/年)”。 电动帆太空船可以比太阳能帆太空船航行得更远（可受推距离是太阳风的3倍），可以在10年内让太空船到达太阳层顶(太阳圈影响力的外沿，即太阳风与星际物质碰撞/平衡的地带)，比“太阳风帆船”的飞船要快至少1倍。
但电动帆是否可行，目前还不确定。电动帆方案，正在NASA的“高强度太阳能环境测试系统(High Intensity Solar Environment Test system)”中进行试验，这个系统是一个可控等离子室，可以模拟星际空间的真空和等离子体大环境。在等离子室中测试的项目包括“使用中被线缆吸收的电子的数量”，电动帆将要工作的地方(太空)是一个封闭的高度真空环境，如果展开的电线们积累了很多静电电荷，它就会像学校物理课上演示的莱顿瓶那样变成一个电容器。一旦积累了过多的电荷，电动帆就会失效。为了使静电电荷保持在低水平，电动帆飞船里装有在老式阴极射线管中用于显像的那种电子枪，这并不是要在电视机屏幕上播放什么东西------这个电子枪会把电子射入太空，来阻止任何的静电积累。目前的困难在于，Johnson他们还无法确定，一旦电动帆的电子枪开动，需要多少能量才能满足设计师们的要求。现有的两个模型给出的结果非常不一样。Johnson表示，其中一个结果说只需要适当（且可以做到）的功率，另一个结果说，飞船上无法提供这么大的功率。
另一名参与的科学家Bruce Wiegmann 强调: “作为研究这个项目的团队，很显然电动帆的设计非常具有灵活性和适应性。太空任务和载具的设计者可以权衡利弊，选择适合的线缆长度、线缆数量和电压等级来适应他们的需求。不论是前往内层行星、外层行星还是日球层顶，电动帆都可以根据需求来调整。”
配套的无人飞船 “橘徕-2型”，外观 与载人型非常相似，只是总尺寸和吨位要小很多，中间50米直径的烟囱就显得很粗壮。通过使用相应改短了的电线，“橘徕-2型”同样可以使用电动帆技术。
我觉得，电动帆方案也好，太阳风方案也好，这种“帆船化，利用飞船以外的能量推动飞船前进”的技术方案，最大的优点不是节省燃料，而是可以让飞船自己携带的核动力推进装置间歇性停机或怠速运行，从而延长推进系统各机械部件的使用寿命，使得“50年内不大修”变得可行。“橘徕-1号”自带的生活物资，可以供2名宇航员消耗2-3年(或6名宇航员消耗半年)。在物资耗尽前，“橘徕-1号”会与已经等在前方的一艘“橘徕-2型”会合，再得到大约45吨的物资补给，在赶到下一站前又可以撑3年。这样在50年的全航程中，“橘徕-1号”会对接补给大约20次，其中约15次与“橘徕-2型”对接，剩余多次则是在返程中与其他航天器会合。“橘徕-1号”无法降落地球（不能穿越大气层），只能回到“天宫空间站”系泊，两名70岁的宇航员摆渡到“天宫”上，再搭补给飞船回到地球。
整个方案，需要一个大型的“天宫空间站”，一艘“橘徕-1号”，至少17艘“橘徕-2型”，以及这些飞船出发时所载的物资（光这近千吨物资从地球和月球基地运到空间站，运费就是天文数字），人员训练以及研发中耗用的较为“隐形”的费用等等。参考国际空间站（总重400吨，已使用20多年，预计全寿命费用将超过2000亿美元，其中美国承担80%左右），“橘徕”方案至少需要一万亿人民币的投入。
人类历史上有过几次耗费惊人但劳而无功的探险，郑和下西洋是一次，国际空间站排到第二次，那么‘橘徕工程’ 会不会无法达到我们预期的成果，成为第三个坏例子呢？探险总是未知和冒险的，没有人可以保证其收益。这个工程将耗时60年以上，主要在前30年花钱，平摊下来前30年每年就是300亿人民币，少拍一些流量电视剧，大概就可以省出来了。
如果有人问：“为了将‘橘徕工程’完工，中国国家航天部究竟需要什么？”马卡洛夫同志会回答说：“中华人民共和国、党中央、国务院、中国共产党中央军事委员会和九个国防工业部、600个相关专业、8000家配套厂家，外加‘电动帆’技术实用化------总之，需要一个伟大的国家才能完成它。”
通宝推：witten1,桥上,陈王奋起,家园 我觉得吧，为啥在科研项目上不搞众筹呢？ 科学家把项目计划书弄出来，大家参与小额众筹，项目研发出来后的商业化收益由科学家和众筹们一起共享。
我估么着这样搞应该是可以的，毕竟很多中小型的科研项目的耗资预算实际上并不太高，完全可以靠众筹的形式募集个百万或者千万级别的资金来启动前期研发，有了一定成果后再找机构跟投，类似于目前初创企业多轮融资的方式，这样可以让前期参与众筹的人溢价退出。为了保证项目开发人员的资质和可靠性，可以由各所大学来牵头发起。比如资金配置上，某个有潜力的研究项目，国家或者学校投一部分，然后剩下的部分让众筹来参与。我估么着像中科院、北京大学、清华大学这些顶级科研院所如果组织项目上众筹平台，很可能是要被抢疯的。
有机构有兴趣的话可以组建相关的平台探索一下这个方向的商业化。这个模式能让科研经费的来源实现多元化，科研人员可以不再完全依赖于机构，同时也给普通的民间资本一个便捷的投资渠道，这个方向一旦探索出路子，可能会给目前的技术研发模式带来巨大的改变。
家园 您忘了说充什么气体 家园 说不上来啊 我希望能充的，是氧气和氮气的混合气体，氧气占的比例比地球大气要高一些。在这里充纯氧气的话太危险。
但要看BEAM里，美国人现在用了什么气体，我觉得这个是商业机密，不是随便哪个气就能用的。
- 复 说不上来啊
家园 我说的是气球，就是您说的可能会变液体的问题 家园 当时的中学生项目，只是纸上作业 有点类似于申请实用新型的专利，把点子写出来，附带几个草图，有一点初步的计算。所有方案汇总后筛选，至于最后选出的方案，由哪一方面出面，负责做出整套实验器物，我就不清楚了。当时整个社会都挺穷的，轻工业品都做得很粗糙，就算找小工厂（那时候只有街道小厂）外包，靠一个中学的力量把点子落实（工程化），肯定是不现实的。所以当时，我没有考虑过用什么气体这么细节的问题。
而且这两个项目（放风筝，吹泡泡）有个共同的问题，就是“骚扰宇航员”。“中学生项目”的前提，就是每次出航，太空船上总有剩余未用的商用载荷，就免费给小朋友们做点小实验，但这些实验不能占用宇航员的精力，顶多就是升空后宇航员过去摁一下开关，启动实验，实验过程中的录像/数据记录等等，都由实验盒自己包办，回来后自己把盒子领走；这个过程中，不能有危险品，不能产生异味，不能发热/发声，等等。所以绝大多数实验，是在内舱（就是宇航员不穿宇航服就可以漂着工作的那些舱室）里，这里恒温恒湿，只是利用太空微重力环境，发发豆芽什么的。我这两个项目，虽说没有把宇航员当牛马使唤，把人家一个中校差来差去，是免不了的。
不过在今天，中国确实可以在现有天宫空间站的基础上，搞一个类似的项目，全国申请上来的方案，按“好声音”的流程，先由专家筛选，然后网友投票；就算被专家毙掉的，如果网上票数多，还是可以“复活”，继续参加PK。最后，给天宫送补给的“航班飞船”每次带上去12个项目，8个是胜选的，国家买单，免船票上船；另4个是没有选上但得到众筹资金支持，自己“租”了实验仓位，买票进场的，这样王思聪同学如果大包大揽，一次买断3个船票，也是允许的嘛。
这样，对科学的帮助不大，但可以扭转社会风气，好过你们花钱给网红打Call
家园 你开个飞船，就运两个人，根本毫无意义 星际文明，第一步就该是小行星开发，改造。然后宇宙飞行物就是资源而不是威胁了。
家园 一屋不扫，何以扫天下？ 如果从“星际”标准来看，我们人类还在茹毛饮血，根本走不出自己的小世界，哪里有啥子文明？
脚踏实地，一点一点来吧。如果两个人都没法运，如果10AU都不能“触地得分”，谈其他有毛用？
在太空船上，一个人一年，至少需要用掉7吨物资。就人类目前的太空站，太空补给链，和宇航飞船的科技水平，在50年里养活2个人，还真做不到咧。
家园 人脑电脑结合后，这每人年7吨的物资全都省下啦 为战胜这一百多斤的质量而带来的克服地球引力、太阳引力付出的代价也都省下啦
肉身宇宙航行，目前看是没有前途和可行性的
该去航行的是思想是意识，连云天明的大脑都不应该去
家园 我的目标 是普通人类作为“乘客”，可以参加星际旅行，就像1900年，搭乘“泰塔尼克号”渡过大西洋一样的方便。
《流浪地球》在这方面，跟我的想法是一样的，我只是不赞同“带球跑”，不是不赞同“跑”，该跑的时候还是要跑，人类文明，进展到现在不容易。
所以，普通人的肉身，可以去。这就是我的目标。
家园 拿条小船，就载两个人出海，那是流放不是科研 好像妹喜和夏桀也就是这个待遇，没有那么浪漫。写小说能把很糟糕的事说得很浪漫，比如英国殖民者泡个印第安人妹子可以编成迪斯尼美女识英雄的动画。真实情况是五十年是很长的时间，人是很容易死的东西。人命关天的事不能靠浪漫主义。先设计个自动维持的太空生态圈，再把人轮流放上去。
家园 守边陲哨卡，南海岩礁，便是如此 印度北部山区里，大英帝国曾经有一个哨卡，放一小队英军在那里，就是宣示统治权的意思，毫无其他用处。
那里条件很恶劣，终年潮湿，英军士兵，不断自杀以求解脱。但英军从不后撤。
50年孤独无靠，是心理上很漫长的煎熬；人也是生理上很脆弱易碎的生物-----这些我都知道，但冲锋号一吹，明知要死人，还是要冲锋的。今天不苛求自己，奋力去做，人类永远有各种理由，跨不出自己的温柔乡。
愚公移山那个故事，是编得错的。即便天帝没有让天神把那两座山搬走，赢的仍然是愚公，他做了，哪怕不可能成功（搬山），也好过坐而论道的智叟。说不定挖着挖着，愚公挖到一个溶洞，可以穿山而过呢？但你不挖，就永远没有机会找到。“橘徕”飞船，就是同样的意思。
家园 首先需要重型可复用的火箭和飞船 没错，我说的是 BFR 或者 蓝色起源 的 newgelen。
有了复用火箭，才谈得上其他。