文/田豐

殖民火星一直都是太空探索技術(shù)公司（SpaceX）及其創(chuàng)始人埃隆·馬斯克的理想。成立17年來，公司從“獵鷹1”號火箭三射三敗，到“獵鷹9”號成功翻身，再到回收成功一鳴驚人，直到“獵鷹重型”驚艷世界，太空探索技術(shù)公司在業(yè)界一步一步從籍籍無名走向舉足輕重。

這些火箭都距離登陸火星“終極目標(biāo)”太過遙遠(yuǎn)，但從9月28日在美國得克薩斯州博卡奇卡鎮(zhèn)的荒涼海灘邊召開的一次發(fā)布會開始，人類朝這個目標(biāo)似乎又前進(jìn)了那么“一小步”。這次發(fā)布會正是太空探索技術(shù)公司每年例行舉辦的新型火箭發(fā)布會。與往年的發(fā)布會相比，太空探索技術(shù)公司的新型火箭終于告別了“PPT火箭”的稱號，一艘高50米、直徑9米的全尺寸試驗飛船實物就屹立在主講人馬斯克的身后。

▲ 馬斯克和他后面的“龐然大物”在得州發(fā)布會現(xiàn)場

誕生三年三易方案

2016年的國際宇航大會上，太空探索技術(shù)公司在壓軸演講上首次公布了公司構(gòu)想的載人登陸火星用運載火箭——行星際運輸系統(tǒng)（Interplanetary Transport System，簡稱ITS）。從設(shè)計思路上ITS確實能夠?qū)崿F(xiàn)載人登陸火星的目標(biāo)，但是其設(shè)計理念之激進(jìn)、技術(shù)指標(biāo)之嚴(yán)格、發(fā)射規(guī)模之龐大無不刷新了人類航天的技術(shù)上限?？紤]到近地軌道運力百噸以上的重型火箭在人類歷史上一直都是“大國玩具”，是意識形態(tài)斗爭和戰(zhàn)爭行為在太空的延伸，這類火箭通常耗資巨大，吞金無數(shù)，周期漫長，一家私營企業(yè)想憑借一己之力研發(fā)一款萬噸起飛重量的重型火箭，無異于天方夜譚。所以業(yè)界同行對太空探索技術(shù)公司的瘋狂構(gòu)想大多一笑置之。

▲ 2016年首次公開時的ITS設(shè)計

但太空探索技術(shù)公司卻未停下腳步，每年舉辦一次發(fā)布會，2017年時甚至改名為“大獵鷹火箭”（Big Falcon Rocket，簡稱BFR）。三年間火箭的設(shè)計方案一變再變，規(guī)模一縮再縮，發(fā)射一推再推，這款可完全重復(fù)使用的重型火箭實物一直是“只聞樓梯響，不見人下來”。以至于“太空發(fā)射系統(tǒng)”（Space Launch System，以下簡稱SLS）的承包商波音公司CEO甚至公開稱波音一定能先于太空探索技術(shù)公司將航天員送上火星。

2019年初，太空探索技術(shù)公司再次推翻BFR的設(shè)計方案，將貯箱材料從高強度低密度的碳纖維復(fù)合材料變成航天業(yè)界鮮有使用的市售級301不銹鋼，這種“朝箭夕改”的做法幾乎磨光了業(yè)界的耐心。太空探索技術(shù)公司在巨大壓力之下只得壯士斷腕，退租了位于加州圣佩羅的BFR廠房，拆毀了價值數(shù)百萬美元的碳纖維貯箱專用工裝，改為選擇東海岸的兩處露天場地，想盡一切辦法加速火箭的研發(fā)進(jìn)度，而這次發(fā)布會上的試驗機就是這場“露天造箭”運動的產(chǎn)物。

▲ 被拆毀前的碳纖維復(fù)合材料貯箱工裝

▲ 位于卡納維拉爾角的星艦MK2制造場地

超越“土星5號”的新運載火箭之王？

在發(fā)布會上，這款之前被稱為“大獵鷹”的火箭已經(jīng)正式更名為“星艦”（Starship），火箭二級被稱之為“星艦飛船”（Starship spacecraft），火箭一級則稱為“超重型火箭”（Super Heavy rocket），兩者統(tǒng)稱“星艦”。發(fā)布會現(xiàn)場放置的正是“星艦”的MK1全尺寸驗證機，它高50米，直徑9米，干重約200噸，后續(xù)正式版“星艦”干重有望優(yōu)化至120噸，而起飛重量則為1400噸。

由這些參數(shù)可見，“星艦”的干質(zhì)比遠(yuǎn)落后師出同門的獵鷹9火箭，但作為一款采用不銹鋼貯箱的完全可重復(fù)使用火箭，加上不加壓狀態(tài)維持火箭完整的設(shè)計約束，使得太空探索技術(shù)公司無法采用“半人馬”上面級的不銹鋼氣球貯箱方案來降低干重，因此干質(zhì)比的犧牲和設(shè)計妥協(xié)都是難以避免的。太空探索技術(shù)公司公布的正式版“星艦”近地軌道運力不低于100噸，可攜帶返回地球的載荷重量為50噸，可實現(xiàn)將哈勃空間望遠(yuǎn)鏡帶回地球的設(shè)想。

▲ 現(xiàn)場“星艦”MK1實物

目前星艦MK1安裝有三臺海平面版本的猛禽發(fā)動機，發(fā)動機高3米，噴管直徑1.3米，均為雙擺設(shè)計，推力200噸，比沖330秒左右，同時用于推進(jìn)和反推著陸。未來正式版“星艦”將安裝有6臺猛禽，另外3臺是真空版。真空版發(fā)動機固定不可擺，真空推力220噸，比沖目標(biāo)為380秒?！懊颓荨苯?jīng)過多個版本迭代，加之比沖受液氧/甲烷推進(jìn)劑組合的理論比沖限制，技術(shù)參數(shù)基本穩(wěn)定。但憑借全流量分級燃燒循環(huán)的優(yōu)勢，推進(jìn)效率（比沖）已經(jīng)超越“藍(lán)色起源”公司的BE-4發(fā)動機。星艦MK1的20公里高度亞軌道試飛完成后，公司稱還將開建MK3、MK4乃至MK5，后續(xù)型號將改進(jìn)工藝并更新迭代，直至真正具備進(jìn)入地球軌道并從大氣層外再入返回的能力。公司稱“星艦”配備了9米直徑、高19米的可開合整流罩，具有現(xiàn)役和在研火箭中最大的整流罩空間。同時公司稱利用“星艦”的巨大運力和整流罩空間，可以發(fā)射比“詹姆斯·韋伯”更大的空間望遠(yuǎn)鏡，宣傳資料中就將尚在規(guī)劃中的“先進(jìn)技術(shù)大孔徑空間望遠(yuǎn)鏡”（ATLAST）放入了“星艦”整流罩內(nèi)。

▲ 整流罩中的折疊版ATLAST

▲ SpaceX公司官方的超重型火箭介紹

太空探索技術(shù)公司還將制造被稱之為“超重型火箭”的星艦一級，“超重型火箭”將與“星艦飛船”結(jié)合為一枚完整的兩級運載火箭，從而執(zhí)行真正的入軌發(fā)射。“超重型火箭”同樣采用9米直徑不銹鋼共底貯箱，設(shè)計安裝37臺猛禽發(fā)動機，中央7臺雙擺，外圈30臺固定，裝有6個尾翼，兼做著陸支腿。超重型火箭將有68米高，推進(jìn)劑加注量3300噸?！靶桥灐闭痫w重量超過5000噸，起飛推力7350噸，起飛推重比超過1.4，有望將人類火箭排行上“霸榜”半個世紀(jì)之久的“土星5號”拉下寶座。

快速復(fù)用和在軌加注

眾所周知，運載火箭級數(shù)越多，其回收設(shè)計就越困難，所以“星艦”雖然規(guī)模龐大，但受限于完全可重復(fù)使用的目標(biāo)，火箭目前只有兩級無助推器一種構(gòu)型。這種構(gòu)型對深空探測和高軌任務(wù)十分不利，但太空探索技術(shù)公司卻宣稱“星艦”“一箭多能”，可執(zhí)行近地、月球、火星乃至更遠(yuǎn)的深空任務(wù)。未來甚至將會淘汰掉自家的“獵鷹9”及獵鷹重型火箭，只運營“星艦”發(fā)射。要達(dá)到這樣的目標(biāo)，“星艦”必須解決兩大挑戰(zhàn)，一個是如何大幅降低發(fā)射成本，另一個是如何發(fā)射高軌深空任務(wù)。而實現(xiàn)這兩個目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)是“低成本快速復(fù)用”和“在軌加注”，這也是擺在太空探索技術(shù)公司面前的兩座大山。

說起低成本快速復(fù)用就不得不提起“獵鷹9”。經(jīng)過4年的迭代更新，“獵鷹9”的一級回收復(fù)用已經(jīng)日漸成熟，至今已執(zhí)行25次復(fù)用發(fā)射，任務(wù)成功率100%，同時復(fù)用發(fā)射報價相對新火箭報價降幅達(dá)上千萬美元，真正實現(xiàn)了“降本增效”。太空探索技術(shù)公司宣稱“星艦”未來可以和“獵鷹9”或“獵鷹重型”一樣執(zhí)行商業(yè)發(fā)射，而報價將持平甚至低于現(xiàn)役的獵鷹系列火箭。一型重型火箭報價要低于報價最低的商業(yè)火箭，現(xiàn)在聽起來無異于“天方夜譚”。事實上這正是上世紀(jì)航天飛機誕生時的美好構(gòu)想，憑借重復(fù)使用特性，航天飛機是人類航天史上第一型單次發(fā)射報價低于造價的運載工具，也就是說一次性發(fā)射是虧損的，只有通過多次復(fù)用才能收回成本乃至盈利。但航天飛機本身的高昂的成本，較低的復(fù)用率，繁復(fù)的翻修過程都推高了其使用成本，不但發(fā)射成本未能擊敗同時期運載火箭，可靠性也受到影響?！靶桥灐蹦壳暗脑O(shè)計正盡可能吸取航天飛機的經(jīng)驗教訓(xùn)，一方面降低火箭制造成本，比如采用成本低廉且工藝成熟的不銹鋼作為貯箱材料，成本僅為碳纖維的幾十分之一，還額外降低了熱防護(hù)系統(tǒng)的工作量，全箭僅使用猛禽一種發(fā)動機，縮減型號壓低成本；另一方面設(shè)法減少翻修工作量，比如采用新型非燒蝕易維護(hù)的TOFRUC防熱材料，使用成本低廉且無積碳的液氧/甲烷推進(jìn)劑組合，提高復(fù)用率到100%，避免重蹈航天飛機的覆轍。

▲航天飛機繁復(fù)的翻修過程

▲ 太空探索技術(shù)公司官方的在軌加注示意圖

而“星艦”執(zhí)行深空任務(wù)時，“在軌加注”這項技術(shù)是必不可少的。以火星任務(wù)為例，執(zhí)行奔火任務(wù)的“星艦飛船”首先進(jìn)入近地停泊軌道，然后滿載推進(jìn)劑的加油版“星艦飛船”發(fā)射并與之對接，將所有推進(jìn)劑轉(zhuǎn)移至停泊的星艦飛船中。之后根據(jù)任務(wù)需求重復(fù)多次在軌加注，直至獲得足夠的“奔火”所用推進(jìn)劑，最后“星艦飛船”再次點火奔向火星。

該技術(shù)與衛(wèi)星所用的常溫推進(jìn)劑補加不同，屬于“大規(guī)模低溫推進(jìn)劑在軌加注”，不僅推進(jìn)劑交換量高達(dá)上百噸，還要克服低溫推進(jìn)劑在軌蒸發(fā)問題，難度高且無先例。而太空探索技術(shù)公司目前正與美國宇航局馬歇爾航天飛行中心開展合作研發(fā)，之前因在軌加注技術(shù)有可能威脅SLS的地位，該技術(shù)在美國宇航局內(nèi)部研發(fā)受阻，因此馬歇爾中心對太空探索技術(shù)公司的資助無異于“友情支援”。

載人的攔路虎——逃逸和著陸

當(dāng)然，“星艦”在技術(shù)上遺留的挑戰(zhàn)遠(yuǎn)不止以上兩方面。作為一款載人-貨運兩用火箭，載人發(fā)射時的主動逃逸設(shè)計是必不可少的，但太空探索技術(shù)公司目前對“星艦”的逃逸設(shè)計一直避而不談，當(dāng)年航天飛機曾因為缺乏有效的逃逸手段而備受詬病。巨大的加壓艙室和全箭僅采用猛禽一型發(fā)動機的設(shè)計都使得類似逃逸塔的主動逃逸方案難以應(yīng)用在“星艦”上，這也使“星艦”難以進(jìn)入在載人安全性方面已經(jīng)“吹毛求疵”的美國宇航局的法眼。

▲“ 獵鷹9”著陸的最終階段，中央發(fā)動機功不可沒

▲ 太空探索技術(shù)公司官方曝光的三臺猛禽發(fā)動機

另一方面，由于“星艦”體積龐大，只能采用反推著陸方式。發(fā)布會上太空探索技術(shù)公司曝光了星艦MK1底部已安裝的三臺著陸用猛禽發(fā)動機，呈等邊三角形布置，發(fā)動機架直接安裝在貯箱底，由箱底承力。業(yè)界目前所有可垂直回收的運載火箭在著陸階段都設(shè)計使用單臺位于箭體中心軸線的發(fā)動機完成著陸。中心單臺反推發(fā)動機的思路很合理，控制率簡單，發(fā)動機布置容易，但容易發(fā)生單點失效，著陸階段一旦這臺發(fā)動機點火失敗，且未能及時重新點火，回收直接失敗。2018年2月，獵鷹重型火箭首飛時，芯級就因為點火劑不足導(dǎo)致著陸失敗直接墜入海中。

著陸失敗對于貨運發(fā)射并不致命，最壞的結(jié)果不過是“船炸貨毀”而已，但是對于載人的“星艦”而言著陸失敗卻是絕對不能接受的。目前“星艦”的三臺發(fā)動機全都不在箭體中心軸線上，反推時無法避免產(chǎn)生額外力矩，這就要求著陸階段不能垂降，而是傾斜下落，反推同時逐漸擺正姿態(tài)，著陸前瞬間恰好垂直?？刂坡蔬h(yuǎn)比單發(fā)復(fù)雜，姿控壓力也大，看起來像是“自找麻煩”，而事實上三臺著陸發(fā)動機可以互為備份，通過發(fā)動機擺動機構(gòu)、氣動翼面、RCS在自適應(yīng)著陸算法的組合控制下，彌補單臺失效對著陸的影響。

意料之中的挫折

北京時間2019年11月21日5:20分，星艦全尺寸原型機MK1的貯箱在一次低溫強度試驗中突然發(fā)生破裂，裂縫位于貯箱前底和筒段的連接焊縫處，裂縫迅速擴(kuò)展，整個不銹鋼前底在巨大的氣壓作用下被掀飛數(shù)十米遠(yuǎn)。幸運的是未發(fā)生燃燒爆炸，同時也無人員傷亡。事故發(fā)生后，SpaceX公司官方表態(tài)當(dāng)日試驗是一次“極限測試”，所以爆炸破裂的結(jié)局并不意外。話雖如此，但這次事故事實造成星艦MK1的徹底報廢，公司數(shù)月心血毀于一旦，無法執(zhí)行后續(xù)的20公里亞軌道試飛。公司宣稱不會維修和試飛星艦MK1，在吸取此次事故經(jīng)驗的基礎(chǔ)上直接跳躍至軌道版MK3的設(shè)計和制造，但對卡角遺留的MK2去留并未表態(tài)，作為MK1的同架構(gòu)型號，其前景也不容樂觀。

眾所周知，SpaceX公司的研發(fā)思路和速度堪稱美國航天界“異類”，在大膽嘗試新技術(shù)的背景下屢遭挫折。成立至今的17年間，公司炸過飛船、炸過火箭、炸過發(fā)射臺，爆炸幾乎幾乎成為“家常便飯”，所以這次星艦MK1的爆炸并沒有太讓業(yè)界感到意外。公司直接略過失敗的MK1直奔MK3也是公司的一貫思路，2014年，垂直回收試驗火箭F9R在一次懸停試驗中因傳感器失效導(dǎo)致火箭姿態(tài)異常，觸發(fā)自毀后當(dāng)空自爆。后來SpaceX公司未再重造F9R，而是直接略過F9R，在“獵鷹9”實際發(fā)射中進(jìn)行回收試驗，終獲成功?；蛟S這次是想重復(fù)以往越挫越勇的設(shè)計思路，但“畢其功于一役”的將風(fēng)險集中在MK3上不得不說是一次“豪賭”。

▲ “星艦”MK1全尺寸驗證機

▲ 炸飛后的貯箱前底

從2016年第一次公布這款火箭開始，3年間唯一不變的就是變，就像這次發(fā)布會的名字一樣，他只是“星艦”的一次設(shè)計“更新”而已，以后還會有數(shù)不清的迭代和更新。在“重返月球”計劃如火如荼的今天，在傳統(tǒng)航天承包商組成的登陸器“國家隊”面前，“星艦”這種設(shè)計難以分得一杯羹，更不會得到成規(guī)模的資金支持，未來能否走遠(yuǎn)，還是讓我們拭目以待吧。