往期回顾
在本系列的之前的文章中，我们一起回顾了重型猎鹰首飞的成败得失（鹰之击）；浏览了猎鹰系列火箭（鹰之躯）；并对梅林以及猛禽这两代火箭发动机进行了简介（鹰之心）；而SpaceX的看家绝活——火箭回收和复用也作为重点进行了介绍（鹰之魂）；在上两期中我们则一起对SpaceX的火星之梦以及圆梦巨人BFR进行了初步介绍，并对火星梦的由来和合理性进行了铺垫（鹰之梦，上、中）
详情请移步：
认准这只鹰（一）—— 鹰之击
认准这只鹰（二）—— 鹰之躯
认准这只鹰（三）—— 鹰之心
认准这只鹰（四）—— 鹰之魂
认准这只鹰（五）—— 鹰之梦（上）
认准这只鹰（六）—— 鹰之梦（中）
连载之七：鹰之梦（下）
上回书我们说到：和太阳系内其他那些歪瓜裂枣的行星相比，火星简直就是一个世外桃源。而和那些虽然可能和地球高度类似但无比遥远的系外宜居行星来说，火星之旅又简直是如同去邻居家串个门。貌似去火星也是可以成为一场说走就走的旅程，但理想很丰满，现实很骨感——火星之旅从来就不是一件容易的事情。
04 一切都为了“交集”
在马大叔看来，能够去火星的都是什么人？排除其他身份不谈，马大叔觉得能去火星的人，至少需要符合两点要求：首先，是有勇气且愿意去火星的人。另外，还是必须有能力负担火星之旅的费用的人。翻译成人话就是：胆大且买得起票的人。也就是必须是同时符合这两个条件交集的人。
然而不幸的是，直到目前为止，这个交集几乎为空。
冯·布劳恩时代的计划
马大叔的PPT之一
上图来自于马大叔“让人类成为多行星物种”演讲稿。其实笔者觉得，这张图做的有点问题，因为右侧“付得起钱的人”那个圈在目前阶段应该几乎是无穷小。因为现阶段的载人火星项目的费用实在是太高太高了。
早在50年代中期，“火箭狂人”冯·布劳恩就提出过了载人登陆火星的方案。而到了1989年，老布什政府也授意NASA对载人登陆火星方案进行过研究。
冯·布劳恩的火星计划
NASA当时大致研究方向还是基于当年冯·布劳恩的方案。也就是在近地轨道上建立一个庞大的空间站，在空间站打造（组装）基于核热推进技术的火星飞船。因此这个空间站或许被称为“建造站”更为确切。然后从建造站出发前往火星。到达火星后飞船指令舱进入绕火星的轨道飞行，并释放载人登陆舱登陆火星表面。完成任务后，登陆舱重新从火星起飞并和指令舱汇合后再次沿着地火转移轨道返回地球轨道。前几篇中提及到的马特呆萌的电影《火星救援》中巨大的地火转运飞船赫尔墨斯号其实就是脱胎于这个火星计划。
《火星救援》中的地火转运飞船赫尔墨斯号
其实这个过程和冯·布劳恩主持的阿波罗登月计划高度类似。只不过飞船出发地由地球表面变成了近地轨道上的建造站。而当初这个计划中的建造站的总重量超过3000吨。几乎是现在的国际空间站的总重量的8、9倍。而国际空间站是由六个顶级的国际航天机构倾注十几年之力才打造出来的。因此比他还要大8、9倍的建造站的难度和费用几乎是难以估量的。按照当时的预算折合到现在，整个项目的费用超过5000亿美元。如果按照送4-5名宇航员登陆火星表面，那么平均每人的花费将超过1000亿美元。而且每次停留在火星表面的时间也将非常有限。因此这个计划无疾而终也就不难理解了。
火星直击计划
之前曾经提到过备受马大叔推崇的祖布林博士的“火星直击计划”。这个计划和老冯之前的计划最大的不同在于“直击”。也就是地球直接到火星，轨道上不留任何物体。
祖布林博士的火星直击计划就收录在此书中
再普及一下地火转移轨道吧。地球和火星之间最方便的轨道是沿着地火转移轨道。这是霍曼转移轨道的一种。下面的动图就展现了地球到火星的飞行轨迹。
地火转移轨道
（黄色部分）
由于地球和火星都是沿着太阳公转，同时火星公转一周的时间几乎是地球的2倍。而地火转移轨道总是发生在地球和火星之间相对于太阳的夹角为44°时。因此如果要使用地火转移轨道前往火星的话，差不多每次发射间隔为2年。
发射窗口总在44°
而火星直击计划就是基于这样的时间节点——每两年的一次的发射窗口。
而火星直击计划的另一个重要支撑则是一个被称为“萨巴蒂尔反应”（Sabatier）的化学方程式。
萨巴蒂尔反应用于制备甲烷和液氧
萨巴蒂尔反应其实就是水和二氧化碳在催化剂的作用下生成甲烷和液氧的过程。本质上是甲烷和氧气燃烧过程的逆反应。
火星大气中96%都是二氧化碳，而火星的两级以及地下有大量的以冰层形式存在的水。因此在火星上通过开采冰层得到水，就可以和火星大气中几乎取之不尽的二氧化碳通过萨巴蒂尔反应产生甲烷——这就是火箭的燃料。而作为氧化剂的氧气则可以通过电解水而产生。因此火箭的燃料和氧化剂都可以在火星上“因地制宜”的制造，而无需从地球上携带过来。
而火星直击计划中，首次发射（第1年）将在火星地表降落一个无人地球返回载具（ERV, Earth Return ehicle，亦称返地飞行器），降落后ERV携带的装置将开始生产甲烷和氧气。第二次（2年后，也就是第3年）将发射载有4名宇航员的着陆飞船以及第二艘ERV飞船。宇航员在完成大约1年半的火星表面任务后将在第5年搭乘最早着陆并已经自己制备完甲烷和液氧的ERV返回地球。与此同时第三艘ERV 飞船以及第二艘载人飞船也将从地球上发射前往火星。而在第7年时，第二批宇航员将搭乘第二艘ERV返回地球，同时地球将发射第四艘ERV和第三艘载人飞船，依次类推第周期为两年的任务。
火星直击计划是一个周期为2年的循环方案
而在《火星救援》中，也吸收了这个概念。也有先期发射的返回飞船早于宇航员之前着陆火星，并开始制备甲烷和液氧。只不过，这个返回飞船并非如火星直击计划那样直接飞回地球，而是和重新返回火星轨道的赫尔墨斯飞船对接。
《火星救援》中的返回飞船也是取材于火星直击计划
火星直击计划相比于老冯的火星计划来说是有着巨大的进步的，他的不在轨道上留任何物体以及在火星上制备返程燃料的思路是非常先进的。马大叔也是深受其影响。
但是马大叔还是觉得这个方案很贵。他在演讲中是这么说的：
马大叔的PPT之二
这里的“传统方案”其实指的就是火星直击计划。按照这个计划，可以把人均的火星之旅费用从之前老冯的上千亿美元降到不到1/10的100亿美元。但是即便如此，交集几乎还是0。
马大叔的疯狂
按照马大叔的设想，如果要殖民火星。那么仅仅送几个宇航员上去是无济于事的。要建立一个自给自足，并能持续发展的火星基地，最少需要往火星上送去100万人！而为了实现这一点，那么之前提及的“交集”必须足够的大。这就必须要求旅行费用降低到足够的低，而且前往火星以及返回的方案有足够的可行性。
在演讲中，马大叔的第三张PPT是这样的：
马大叔的PPT之三
“在美国的一栋房子的钱”，其实指的就是50万美元。也就是马大叔觉得如果把火星之旅的人均费用降低到50万美元的样子就可以差不多凑够100万人前往火星殖民了。
这是什么概念？这意味着马大叔要把人均费用降低到火星直击计划的人均费用的两万分之一！做个类比吧：如果现在一张往返美国的机票售价8000元人民币，那么突然跳出来一个人说“我可以把票价降低到4毛钱！” 不知你听到这句话时会是什么样的感受？我想十有八九你会说——你个骗子！
会这么想其实一点也不奇怪，人家NASA捣鼓了半个多世纪的火星计划，还没实施呢。突然跳出一个半路出家的马大叔，声称可以把火星之旅的票价降到原先二十万分之一，或者说是0.0005%，我想稍微有点理智的人都会觉得这个人不是个疯子就是个骗子。怎么可能做到啊！别说是在已经多年没有实质性技术进步的航天领域，就算是在遵循疯狂的摩尔定律的计算机行业内，我们通过简单的计算也会发现，要将成本降低到原来的二十万分之一也是需要30-40年的时间。
那么马大叔凭什么敢夸下如此海口呢？
05 火星殖民计划
SpaceX如何做到“降低票价”？
在“鹰之梦（上）”中我们曾一起预览过马大叔利用BFR来进行火星殖民计划的宣传视频。现在我们不妨再看一遍：
SpaceX火星殖民计划视频
其实通过这段视频可以大致说明马大叔为何敢夸下如此海口的原因。SpaceX的火星殖民计划要降低人均成本其实是通过两条途径并行实施来实现：一是降低总成本，这个主要通过BFR火箭和飞船的完全重复使用来实现；而则是一次性尽可能多的载运客人来摊薄成本。
在之前已经说过，火箭和飞船的复用是SpaceX的看家绝活，目前的猎鹰九号火箭第一级，以及“龙”货运飞船都已经很多次的实现了回收和复用。而BFR的火箭和飞船设计之初的就是奔着“全复用”去的。也就是说，BFR的所有部分都是可以回收和重复使用的。这就意味着在运载工具上的费用将仅仅是燃料费以及必要的检测维修费用。和传统的“用完就抛”的方式相比可以实现指数级的成本下降。
同时，和传统火星登陆计划一次载运4-5人相比，计划中的BFR飞船一次可载运80-100人。下图就是马大叔在演讲中展示BFR飞船的载人舱部分。
马大叔在介绍BFR客运飞船
根据马大叔说，BFR飞船中可以设置40个独立的舱位，整个可以供乘客活动的区域的总面积甚至比一架A380主舱的面积还大，这主要是因为BFR飞船在低重力环境中飞行时，没有所谓的上下概念，可以沿着舱壁环形布置舱室。
借助降低总成本以及增加载客量这两点，马大叔宣称他有信心在未来10-15年左右将火星旅行成本降低到大约人均50万美元，并计划随着方案的持续优化，将人均成本进一步降低到大约10万美元。
火星殖民计划流程简介
我们来正式地看一眼SpaceX的火星殖民计划到底将如何实施吧。
首先是在2022年，SpaceX计划发射了两艘无人货运飞船着陆火星表面。这两艘无人飞船将携带有相关的无人设备用于寻找水源（用于制备燃料等），并携带必要的生存物资以供首批火星访客建立最基本的生存基地。
2022年将发射2艘无人货运飞船着陆火星
然后，在2年后发射窗口再次来临的2024年，所有首批乘客登上BFR飞船后，将被发射至近地轨道。而BFR火箭将重新返回发射场。
通过BFR火箭将客运飞船送至近地轨道
BFR火箭返回发射场之后，补充燃料（液氧+甲烷），并装配上一艘BFR货运飞船。这艘BFR货运飞船满载着液氧和甲烷，将负责对载客的BFR进行在轨燃料补充。
BFR火箭带着这艘货运飞船再次发射，将货运飞船送入轨道后BFR火箭将再次返回发射场。而货运飞船将与客运飞船对接，对后者在轨补给燃料后返回发射场。
通过货运飞船对客运飞船在轨加注燃料
其具体的在轨加注燃料场景就像视频中那样，客运货运飞船手牵手肩并肩。撒完狗粮，呃，是加注完燃料之后货运飞船返回发射场。
在轨加注场景
而由于BFR客运飞船飞往火星所需的燃料量远大于货运飞船一次能够补给的量，因此上述撒狗粮的场景可能需要重复进行4、5次，直至客运飞船获得足够的燃料。当然，在此过程中无论是BFR火箭还是货运飞船都是不断的重复使用的。还是那句话，谁叫咱马大叔穷呢。
在轨加注需要多艘货运飞船的发射
加注满燃料的BFR客运飞船就将启动自己的发动机，沿着地火转移轨道开始飞往火星。同时，BFR飞船还将展开两侧那如同羽翼的太阳能电池板，这两块太阳能电池板将提供整个前往火星之旅所需的绝大部分电力。
BFR飞船“展翅飞翔”前往火星
在历经大约3个月的飞行后，BFR飞船将抵达火星。然后将直接进入火星大气，首先通过大气的气动减速随后则是SpaceX标志性的垂直着陆。
BFR飞船气动减速后垂直着陆火星
如此一来，将首批乘客运往火星的旅程就完成了。他们将依托之前发射的货运飞船携带的物资开始建设最开始的火星基地。其实，在首批客运飞船发射的同时，第二批货运飞船也将抵达火星。带来更多的生存物资和建设物资。
火星基地的建设
然后，随着每两年一个间隔的发射，SpaceX将源源不断地将更多的客运飞船和客运飞船发射到火星表面。最终将建立一个完全自给自足，可容纳百万人的火星基地。
火星基地
而在火星上制备完燃料的飞船也将装载着想返回地球的探险者飞回地球并垂直着陆在地球上的发射场。也就是说，SpaceX的火星殖民计划提供的并非是单程票。只要愿意，还是可以返回地球的。
以上就是SpaceX给大家画的火星殖民计划的大饼。虽然其中有不少脑洞的成份，而且其中必然要解决无数难以想象的难题。比如长时间低重力环境下的问题，BFR的可靠性问题，火星基地自给自足的问题。但现实的说，以上计划所需要的基本技术SpaceX目前还都是具备的，只需要不断的改进罢了。
至于马大叔给大家画的另外一张更大的饼，不妨也一并提一下：
而随着火星人口的逐渐增加，特别是慢慢培植的适合火星环境的绿色植物的增加。火星上的大气成分也将慢慢改变，或许是历经几万年之后，火星上的环境会渐渐地变得类似于地球。或许稍微冷一点，但也是有可能成为下一个生机勃勃的蓝星的。
06 “One More Thing”
其实上面的介绍已经涵盖了SpaceX的火星殖民计划的全部内容了。但是就像马大叔做产品发布会时喜欢再最后说一句“One More Thing”（还有一件事）一样，这里也是有隐藏的彩蛋的。是啥呢？还是先看一段视频吧：
Earth to Earth宣传片
BFR只能用于火星之旅？不不不，马大叔觉得用来从纽约飞往上海也挺好。因为这段11897公里的旅程用BFR只需39分钟就可以抵达哦！
纽约登机，不，应该是“登箭”
从纽约发射
39分钟后抵达上海
好吧，快是够快，但比起机票来说估计贵的也不是一点两点吧。
估计这个Earth to Earth的“地对地导弹”式的旅程只是马大叔的一时脑洞吧。其实除了飞往火星外，马大叔还设想过让BFR飞船前往其他行星。或许不是为了殖民，而是用于科研探险，亦或是纯粹旅游？
土星
木星
或者替代早已退役的航天飞机，用来释放超大的卫星？
释放卫星
或者用于重返月球，建立月球基地？
用BFR建立月球基地
不过，等等！！BFR在月球上卸货这张照片咋瞅着这么眼熟呢？放大看看：
BFR飞船在月球上卸货
不觉得想起什么了吗？哈哈，难道马大叔这是在向《丁丁历险记》致敬吗？
《丁丁历险记》中飞船的卸货
07
结束语
这个系列终于要和大家再见了。五个主题，七篇文章，近四万字的介绍其实还是很难做到题目所言的“认准这只鹰”。毕竟Space的故事有点传奇，他家的黑科技有点多，马大叔的各种脑洞实在有点大。
但还是很希望通过这个系列的简单介绍，能够帮助有兴趣的朋友初步揭开这只鹰身上笼罩着的那层神秘光环。另外，更希望我们自己的航天技术能够脚踏实地的迎头赶上。我们最强的“胖五”火箭目前首发成功，次射失败。失败的原因近期刚刚公布，果然是主发动机的涡轮出的问题，是心脏的心脏出了问题。查出问题就好，接下去就是好好的改进，希望今年长征五号的第三次发射能够顺利。
SpaceX这只鹰目前有点一枝独秀。但一花独放不是春，百花齐放春满园。人类要想真正的走出蓝星，仅仅依靠一家SpaceX是不够的，不是吗？
