可别随便地设计火星车

51|14评论|3522人气|16收藏|2022-06-19 09:15:56

前两天,我们国家第一台火星车成功登陆了火星表面,真是振奋人心,于是我就去看了看火星方面的书......


其实事情不是这样的。


我不是来蹭热门话题的,这是一个巧合。


最近在一个高校配合他们的专业课题做了关于医疗的讲座


上周医疗的课题结束了,要开始下一个课题。设定的题目是火星车设计。


老师问我要不要参与的时候,我还是很犹豫的,这玩意......


我的第一反应:这不是瞎胡闹吗?就不太想参与。


但是后来,我转念一想,不对呀,瞎胡闹我不是很在行吗,我纠结什么呢?于是答应了。


原本呢,我想,开题那天,我就随便给孩子们看一些自己收集的火星车或者太空科幻设计图片吧。


比如下面这些。


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然后,然后我就不知道该讲点什么了。


那我教学生怎么设计呢?总得有些技术条件限制,或者场景什么的吧?


学生问我的话,我总不能说什么都不知道吧。


我就看着这些图片,就思考。


我突然想到,这些图片里的车也太大了吧,这么大怎么可能从地球运到火星?


难道它们是在火星上制造的?未来火星可以本地生产车辆吗?


最终肯定能啊,但是是什么情况下才可以生产呢?


第一个蹦出来的最偷懒的想法,当火星变得和地球差不多的时候。


这不是废话,直接把地球上的车样子照搬上去就好了,那还设计个什么劲呢。


所以出现了第一个关键问题。


什么时候,火星上才可以本地生产车辆呢?虽然这肯定最终能实现,但是它实现的条件是什么呢?


嗯,我想,有了这个问题,这个设计课题起码有了一个起点,就是假设火星本地可以生产的时候,这个火星车长什么样?


不过,这个问题还需要延伸,如果可以本地生产,那代表着火星已经变成了一个什么样子呢?这必须有一个大致画面,才可以继续讨论。


至少火星上要有炼钢厂,可以生产钢铁,那这又需要具备什么先决条件呢?


更不要说别的,什么玻璃,塑料,电线等等东西了。


ok。这是我想到的一个思路。


那么另一个情况就是火星本地还不能制造车辆的时候,车辆要整体从地球运过去,这可能也就和现在的火星车差不多了,小小的一个,因为太大的话肯定送不过去。


嗯嗯。


然后,我看着这些图片,我又想到了另一个问题,火星车要不要载人呢?


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你看这些国外CG大神,绘制的太空站无人维修设备,看上去特别的专业。


如果没有人,好像也不要紧,那么火星车设计似乎又可以分出两个方向,一个是载人火星车,一个是无人火星车。


但是,人最终还是将登上火星的,那么载人火星车也必然存在。但是什么情况下才会出现载人的需要呢?


我们第一次送人去火星的时候,需要什么先决条件呢?那个时候送人去是什么目的呢?与之匹配的火星车需要长什么样呢?


我有了一连串的问题,这些问题不单单是我想到的,学生肯定也会想到,那我该告诉他们什么答案呢?


想到这里,我觉得这个课题很不简单。我得去找找答案。


由于我只有三四天的时间准备PPT,所以开启了极速学习模式,这个极速只是对我自己而言,相信很多人学习效率比我高。


先在网上买了两本书,书还没到的时候先快速浏览B站和抖音上关于火星的视频,课程和纪录片。这样,等拿到书之后,就可以入戏更快些。


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书不薄,所以我先对自己关注的问题进行查阅,这样能有个大致了解。


下面就分享一下我学到的内容,也是这篇题目叫做学习笔记的原因。


首先的问题,是关于什么时候送人去火星。


依照目前的条件,我们送去火星的东西基本上是接不回来的,也就是送去就扔那里了。除了小型探测器的土壤取样之外。


尤其是人。送人去肯定不是为了葬在火星,送去要是活不了,那没有意义。所以只要送人去就要搭配人能居住的房子和生命维持设备。


但这些东西一起送去有点太重了。人啊,氧气啊,食物啊,水啊,房子啊,乱七八糟的。


那假设我们把这些都设计的小一点,紧凑一点,就装一个人,选一个身材最矮小的,然后打包送去,可以不?


也不是不行,但是这人送去干嘛呢?就去拍张照发个朋友圈吗?


所以一个重要问题就出现了,人为什么要去?(这里不是说移民火星的目的)


或者说的具体一点,条件不成熟的时候有必要急着把人送去吗?


显然没必要。那人什么时候去?目前只能说,能晚点去,尽量晚点去。


还有一个问题就是,最开始送人去的时候,人是要接回来的。人送去不但要活下来,还得活着回来,是吧。


总得回来开个会吧,做个PPT,汇报一下那里的情况吧。然后培训下一批火星人员再去执行下一次任务吧。


但目前最大的问题就是回不来。


为啥呢?


你说房子那些送去就留那里了不要了,人回来也那么难吗?


是的,关键是燃料问题。


火箭燃料主要用于脱离行星引力,离开地球的时候就要消耗大部分。


如果还要带上返回地球时用来脱离火星的燃料,那负担……基本上就重的别发射了。


理论上可行,实际上就是贵的离谱。大概是这个意思。


那么唯一可行的方案就是,在火星本地生产返回时的燃料。


这个时候针对我前面的问题就有了第一个答案。


在火星没有自己生产燃料能力之前,都不会派人去火星。


所以在此之前的火星车都不需要载人功能。


那如果学生选择不载人火星车的设计方向,其实就没有很多别的内容需要讨论了。


就只要考虑火星车的具体功能,执行的任务等等因素。把设计工作推进下去。


不过不代表这条路做下去没有难度。因为这些车都是从地球上送去的。


先从功能上来看,一般都是摄像,泥土采样分析,水源探测,生命探测,磁场探测,气象探测,等等。


这些内容不是设计的重点,学生只要找一些仪器样式作为参考,放到设计的车辆上就可以了。


那你说,我们还有什么可以发挥的空间呢?


从车辆的设计角度,还有车辆的速度和动力。


我们先看看美国人刚着陆的火星车毅力号。


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先说说动力方面。


它是没有太阳能电池板的,它自带了放射性同位素钚238的核电池,所以可以不需要带太阳能电池板,这样就节约了大量的空间,以及省去了一些折叠结构的设计工作。


另外,核电池还有保温的功能,也就是自带暖宝宝,这样保证火星车不会因为电量不足,晚上被冻死在火星上。你看它尾部核电池外表面的管道,像不像我们熟悉的电热毯。


你说,这货还能被冻死?


金属构件确实冻不死,但是电子仪器就会了。具体的缘由我也不懂了。


没有太阳能电池板的话,对学生来说,在造型上就有了更多的发挥空间。


那最可以发挥的应该就是车辆的行驶部分了。


但是,这真的还有很多可能性吗?


先看看别人的发挥。


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你看CG大神们设计的火星车的轮子都是硕大硕大的。


我的第一反应就是,这不会是从地球送来的吧?应该是火星本地产的车吧?轮胎就这么大?火箭里装不下吧?


因为火星车要想降落火星,不单单只有车辆本身,还有整流罩,减速伞,小型反推火箭等等,才能让火星车安全着陆。


也就是说,假如你在楼下,我要从20楼扔个鸡蛋给你,要保证你拿到的是好鸡蛋,那我这包装就得特别讲究,巴不得我直接扔只母鸡下来,落地之后,下个蛋给你。


不过,像上图中,这么大的轮胎,越野性能当然好啦。


但是我们现在是在讨论从地球上送到火星的车子。轮胎不可能这么大,而且需要可折叠的轮胎支架。


车辆肚子要离地面高,这样才能行走于岩石很多的地形。


轮子要每个都有动力,而且四个角的轮子要能自由转向。


那可不是只能做成下面这个样子吗?


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那对于学生来说还有什么发挥可言呢?


好吧,本以为是个简单入手的方向,结果发现死路一条,没有什么好发挥的。


那好,回到刚才的岔路口。另一条路是设计载人火星车。


有人去火星了,说明人从火星返回地球的问题解决了,也就是说在火星生产燃料的问题解决了。这是咋解决的呢?


火星大气95%是CO2


这里允许我写个化学式,我也顺便复习了一下中学化学。


CO2+4H2 ——> CH4+2H2O


看,CH4甲烷来了,是的,火星上具备生产甲烷的条件。除了........


除了没有氢气。


那怎么办?


一本书的作者说,氢气可以从地球上带,送去不占多少空间,到那里就可以大量生产甲烷和水。然后再把水电解成氧气和氢气,氢气又继续生产甲烷。这个过程只需要耗电。


......


于是,人就可以去了。


但是,另一本书作者说,氢是带去不火星的。


氢的压缩和保存都极其困难。尤其到宇宙中,没一会就漏光了。


好吧,这岂不是不可能了?


送人去的唯一前提就是火星本地可以生产燃料,它的关键是氢元素的获取,却又不能从地球带去。那么唯一的办法就是在火星找到水源,或者应该叫做水矿,对其进行电解,这样同时还能获得氧气。

所以,从这个角度来说,在火星找到水是多么的重要。


它是矿,未来会有一种叫水矿钻井车,你想象一下,就像地球上石油打井似的。一口井打下去,地下液态水在高压下向天空喷出,在火星表面零下6,70度的环境下,迅速变成冰渣,从天而降,在井口迅速形成一座雪山......


那景象,就和在地球上突然出现一座金山差不多。


看到这里,我似乎意识到,哪个国家能率先在火星上发现水源就基本掌握了火星移民的未来。也许正因为这个一点,我们国家正在赶时间去争取这个机会。


如果人类发现了一个巨大的地下水库,就可以用电解的方式来大量产生氧气和氢气。(需要大量电能)


但是......


如果火星上没有任何巨大的地下水库呢?或者说,即使有,也要等到人类登陆火星很久之后才会偶然发现呢?难道就没有别的办法了吗?


有的。


那就是火星土壤。


在两极和赤道,或者古老河床和湖底,土壤的含水量相对高一些。


于是我们需要用简单粗暴的方式把土壤中的水,烤出来。是的,烤出来。(这也需要大量的电能才能实现。)


不过如果靠太阳能发电获得电能的话,在火星上确实太慢了点。


于是两本书的作者都说到,如果我们在火星上建一个可控核聚变反应堆。那么就可以解决这个问题了。


哦,不。应该是从地球上运送一个可控核聚变反应堆过去。


火星上也有大量的氘,所以能源材料充足。


不过可控核聚变这事,还不知道什么时候能成熟呢,但是我们国家还是冲在前面的。


现在假设,在火星上,发现了少量的水,并通过一些无人车辆和设备,通过太阳能储存的电力,预制好了足够一次返回地球的甲烷和氧气燃料。


那我们就可以派人去火星了,做更进一步的勘探,研究实验工作。


这样的话,火星车的设计话题就可以继续了。这次就是载人火星车。


相比无人火星车,它有更多的可能性,有更多可讨论的内容。


比如,我们派几个人去?都有谁?


这里就省略书里的内容了,我直接说结论。


先派四个人,两个全能维修工程师,两个野外科学家。野外科学家指的是,一个地质学家和一个生物学家。


四个人,加上一个四人居住的“房子”,外加一辆火星车。


四个人分成两组,一个维修工程师搭配一个野外科学家为一组。假设任务执行时间为两年,期间两组人员依次轮流执行外出勘探任务。


所以可以得出,火星车载人数量为两人。


这里其实有一个问题,就是火星车其实比较大,即使是在地球上,两人座的跑车也不小。


再加上携带的各种设备,核电池,水和氧气等等,这个车肯定小不了。


所以火星车不太可能和“房子”搭乘一班火箭去火星。


除非...... 可控核聚变技术成熟,实现了核动力火箭。怎么又扯到那去了。


回来回来。


所以我们先把人和房子放一起,坐一班飞机去火星,然后火星车再搭另一个班飞机去火星。


但是有个技术问题,就是我们很难两次把货物空投到同一个地方。 


这个不难理解。


好比我们坐着车,车在高速上行驶,然后我们先要从车窗里扔下去一个垃圾桶下去。


然后,等我们第二次跑高速经过这里的时候,我们要把手里的一个苹果,扔进第一次我们扔在路边的垃圾桶里。这就有点难度了。


目前,火星同一地点着陆的误差大概在100KM范围。这也太远了。


所以,当人和房子落在火星上之后,大概率,车子会在离他们很远的地方着陆。那么这个时候就要求车子自己能开过来,就像我们打了个滴滴似的。


那么这个对学生的设计来说,可能又能提供一些线索,因为自动驾驶的功能需求。


不过这毕竟是个车的设计,还是得有底盘和悬挂系统,还有轮胎的设计。


但是,还是得提醒自己,它是从地球运来的,不是火星本土生产的。不可能那么大,也不能随意发挥。


没事,那我们继续畅想。


如果火星上可以生产车辆。


那火星上得有炼钢厂。得从地球运个炼钢厂来?难以想象。


不过理论上是可能的。因为火星上氧化铁丰富。通过对CO2进行电解,产生CO和O2。也就是一氧化碳和氧气,再用一氧化碳从氧化铁中提取铁。其中细节就不赘述了。


然后还有二氧化硅,乙烯和丙烯的生产,再进行聚合反应,获得塑料。再寻找硫化铜,脱硫后,生产铜丝。加上塑料,就可以生产电线了。等等。


就等于把地球上的现代工业都搬过来了,少量无法生产的材料就从地球运来。


那你可能会说,那火星上公路都给它修好算了。那车子还有什么好设计的。照抄地球的就行了呗。


嘿嘿,别急,虽然这些听上去实现已经很难了,但是,就算实现了,我们面对的火星地表依然是零下6,70度的平均气温,每天100度的昼夜温差。所以大多数事情还是和地球不同的。


比如,我就想,为什么火星车的轮胎不能用橡胶?


以我在网上搜到的回答来说,是因为宇宙射线和每天100度的昼夜温差,使得橡胶轮胎很可能一碰就立马粉粉碎,更不要说用来越野了。


除非人类已经完成了行星加热计划,把火星温度整体抬高了,也就是给火星裹上了厚厚的大气层之后。


那么在此之前,大概率不能用橡胶作为轮胎材料。


现在NASA不是在研究一种合金记忆金属编制的网状轮胎嘛,那个效果就更适合越野了。样子就有点像我们平时用的漏勺或者中世纪的锁子甲,它不怕温差和射线,越野性能又好。


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那轮胎的问题解决了,车子就可以开的快了吗?还不行。


因为火星的重力只有地球的0.38。这意味着,很多东西在火星上都变轻了,这显然是好事。但是物体的惯性和质量有关,质量不变,惯性不变,而只有重力变小了。


这样一来,车子在火星上跑就和地球上效果不同了。


车子会表现的起步困难,轮胎打滑。然后,不敢跑快,跑快了不敢转弯,不敢刹车,一转弯就漂移,一刹车就滑行,刹不住。大概是这样一个画面。


你看看月球车的录像大概能体会到。那是引力只有地球六分之一的地方。虽然尘土飞扬,但是位移轨迹就像是一个刚学会自行车的人,歪歪扭扭地骑了个来回。


这样一来,在轮胎的设计上,就需要做一些修改,可能要变宽变大,速度也不能快等等。


那如果想要高速的移动怎么办?


那......


那修高铁算了咯。反正都能炼钢了。


再往后的畅想,就是行星加热计划了,让火星形成以二氧化碳为主的大气层。使得火星温度升高。


接着就是行星充氧,开始种植苔藓和松树,经过大概100年左右时间,实现用氧气替代二氧化碳。




唉,研究了一遍,这课题确实让人上头,但起码也能找到一些思路,供学生们参考。


可是,就在我做好了PPT,准备第二天去给学生分享的时候。


老师通知我说,他们的课题变了!


改成“海洋出行”了。


好吧。


这样的话,查的这些资料用不上了,海洋方面我也没有任何的知识储备,现在再准备也来不及了,算了,哥们不去了。

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