文/ 田豐

▲ 登月版星艦動畫示意圖

2020 年12 月9 日，在美國太空探索技術公司位于得州博卡奇卡的試驗場，公司正在研發(fā)的代號“星艦”（Starship）的SN-8 原型試驗箭進行了首次12.5 千米高度試飛?；鸺晒ζ痫w，但約7 分鐘后在嘗試著陸時因著陸發(fā)動機點火后推力不足發(fā)生爆炸。

“星艦”是太空探索技術公司正在研發(fā)的一款兩級可完全重復使用的重型火箭，全箭采用公司自研的代號“猛禽”的液氧甲烷發(fā)動機驅動，貯箱主要采用不銹鋼材料制成，近地軌道運力不低于100 噸。其中，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）。此次試飛的是其二級“星艦飛船”（以下簡稱“星艦”）高50 米，直徑9 米，干重約110 噸，可加注約1200 噸推進劑。

飛得完美 炸得漂亮

9 日的試飛中，“SN-8”安裝有3臺代號“猛禽”的液氧甲烷發(fā)動機，點火后“星艦”迅速離架升空。升空后“星艦”基本垂直向上爬升，過程中3 臺猛禽發(fā)動機漸次關機。起飛后1 分40秒開始，第一臺“猛禽”關機，關機過程中短時引燃了發(fā)動機艙內設備，好在并未影響后續(xù)飛行。第二臺于起飛后3 分15 秒關機，隨后進行了部分液氧的釋放。最后一臺發(fā)動機則于起飛后4分40 秒關機。隨后，“星艦”靠慣性到達此次飛行的最高點。在前后可動翼面的控制下，火箭從垂直轉入水平姿態(tài)，隨后“星艦”維持水平姿態(tài)，進行了約一分半鐘的平穩(wěn)滑翔。起飛后6 分32秒時，前翼面展開，“星艦”頭部氣動阻力上升，后翼面收起，尾部氣動阻力下降。同時，兩臺猛禽發(fā)動機重新點火并調整方向。在翼面和發(fā)動機聯(lián)合作用下，箭體迅速從水平轉為垂直姿態(tài)，以嘗試最終垂直著陸。但發(fā)動機點火后，噴管火焰間歇性異常變綠，同時箭體減速不足，下落速度過快。收起在發(fā)動機艙裙段內的著陸支腿還未展開，箭體即已墜地爆炸，星艦SN-8 徹底報廢。

回顧整個發(fā)射過程，“星艦”的起飛、關機、轉身、滑翔，以及最終的“神龍擺尾”都符合試驗預期。太空探索技術公司也表示，已經(jīng)收集到了所有預期的試驗數(shù)據(jù)，尤其是采用新型控制翼面進行姿態(tài)控制的數(shù)據(jù)，雖然公司之前已經(jīng)進行過仿真分析和風洞試驗，但實飛驗證的數(shù)據(jù)仍然難能可貴。對于最終階

段的著陸失敗，公司稱是由于著陸專用的甲烷貯箱的增壓系統(tǒng)異常，未能向發(fā)動機壓送足夠的甲烷推進劑，從而導致發(fā)動機推力不足，減速過慢，最終墜地。

對于著陸前發(fā)動機噴管的綠色火焰，公司僅稱是因為甲烷供給不足，發(fā)動機富氧燃燒導致。業(yè)界猜測其具體原因在于猛禽發(fā)動機采用全流量分級燃燒循環(huán)，其配置有富燃、富氧兩個預燃室，雖然甲烷供應不足，但由于兩個預燃室燃燒富燃、富氧比例很大，未能對其造成明顯影響。但經(jīng)過預燃室的推進劑最終匯入主燃燒室時，甲烷總量不足導致液氧注入量相對過大，發(fā)生了富氧燃燒，高溫富氧燃氣沖刷含銅內壁發(fā)生焰色反應致使火焰變綠，同時異常的混合比也導致了推力未達預期。

▲ 星艦SN-8 升空

▲ 發(fā)射臺現(xiàn)場航拍

“天價船票”引發(fā)的飛速迭代

“星艦”從最初藍圖到此次試飛狀態(tài)經(jīng)過了4 年的迭代。早在2016 年的國際宇航大會上，太空探索技術公司創(chuàng)始人埃隆·馬斯克在壓軸演講上首次公布了公司構想的載人登陸火星用運載火箭——行星際運輸系統(tǒng)。但因發(fā)射規(guī)模過大，技術指標過高，其設計方案一變再變，火箭規(guī)模一縮再縮。2017 年時改名為“大獵鷹火箭”，規(guī)?？s水至近地軌道運力百噸級，但當時貯箱材料為復合材料。2018 年，日本富豪前澤友作斥巨資購買船票，并聯(lián)合太空探索技術公司進行了“繞月之旅”發(fā)布會。當年末，公司再次推翻“大獵鷹火箭”的設計方案，將貯箱材料從高強度低密度的碳纖維復合材料變成目前火箭貯箱中鮮有應用的市售級301 不銹鋼，并改為現(xiàn)用名稱“星艦”。

▲ “星艦”一級正在總裝中

不銹鋼方案敲定后，“星艦”研發(fā)才真正駛入“快車道”。2019 年7 月，太空探索技術公司就在得州博卡奇卡開展了“星跳者”（Starhopper）的首次試飛，飛行高度約20 米，同時也是全流量分級燃燒循環(huán)的猛禽發(fā)動機首次試飛。但“星跳者”貯箱壁厚達14 毫米，系統(tǒng)高度簡化，只能稱之為低空跳躍試飛平臺，而非運載火箭原型。同年9 月，該公司的開建“星艦”的MK 系列，不但在博卡其卡制造MK-1，同時還在佛羅里達州的肯尼迪航天中心附近制造“星艦”MK-2，二者齊頭并進。然而2 個月后，太空探索技術公司首次進行MK-1 的貯箱加壓測試時，MK-1 焊縫強度不足發(fā)生破裂，前箱前底被炸飛。此次試驗后MK-1 被認定為不適合飛行，由于MK-2 的工藝與MK-1 幾乎相同，兩者直接退役。隨后公司裁撤佛州團隊，“星艦”生產和試驗全部集中于得州博卡奇卡，并開展SN 系列的生產和試驗。然而出師不利，2020 年2 月28日，星艦SN-1 原型機在開展加注液氮進行低溫高壓壓力測試時發(fā)生爆炸，隨后SN-2 壓力測試獲得成功。2020 年4月3 日，SN-3 在加注液氮進行低溫壓力測試時，由于排氣閥在超低溫加壓時泄漏，貯箱壓力不足導致箭體失穩(wěn)崩潰，這是損毀的第三艘星艦原型機。同年5月29 日，SN-4 在進行第5 次靜態(tài)點火測試后約2 分鐘后發(fā)生爆炸。2020 年6 月15 日，太空探索技術公司對SN-7進行壓力測試，在對貯箱加壓持續(xù)8個多小時后，貯箱出現(xiàn)了泄漏降壓，最后壓力0.76MPa，測試終止。一連串的挫折并沒有阻撓其前進的腳步，8 月5日，星艦SN-5 的150 米試飛成功，隨后SN-6 進行了同樣的150 米跳躍測試，亦獲成功。

▲ 星艦SN-8 起飛瞬間

▲ 星艦SN-5 即將著陸

▲ SN-9 貯箱貼敷的隔熱瓦

今年的挑戰(zhàn)——平穩(wěn)著陸和成功入軌

在前期大量原型機的試驗數(shù)據(jù)支持下，SN-8 安裝了全套控制翼面和頭錐，開始挑戰(zhàn)12.5 千米試飛。之所以說SN-8 的試飛相對于SN-5、6 有大幅進步，主要在于以下三點：首先是3 臺猛禽發(fā)動機首次組合工作，著陸用的“頭部貯箱”首次用于著陸反推，最關鍵的是“星艦”首次具備了與日后實飛狀態(tài)一致的完整氣動外形和氣動翼面。因此在SN-8 試飛更貼近“星艦”服役后再入大氣層過程中的滑翔階段，該階段中發(fā)動機不工作，而是僅依靠前后兩對可動翼面來控制飛船姿態(tài)。從試驗結果來看，3 臺“猛禽”的組合控制和滑翔的氣動控制基本成功，但“頭部貯箱”的增壓設計仍存問題。

太空探索技術公司目前已經(jīng)準備好SN-9 號原型機，其配置與SN-8 基本相同，但“頭部貯箱”增壓方式從SN-8 的自生增壓變更為冷氦增壓，以期避免SN-8 的增壓問題，并在近期準備再次進行12.5 千米試飛。太空探索技術公司曾在獵鷹系列火箭上長期使用冷氦增壓方式，可謂經(jīng)驗豐富，但公司稱未來還要對貯箱增壓方式繼續(xù)進行研究，以找到最適合“星艦”的增壓方式。

不過即使SN-9 順利完成試飛并著陸，“星艦”距離首飛入軌仍面臨一系列技術挑戰(zhàn)。首先就是“星艦”再入大氣層的熱防護系統(tǒng)，目前“星艦”計劃在迎風面大面積覆蓋陶瓷基非燒蝕隔熱瓦TUFROC 作為防熱材料，為了驗證這種隔熱瓦的貼敷性能，公司曾在星跳者、SN 系列原型機乃至貨運龍飛船上實驗性安裝隔熱瓦。不要小看這“貼瓷片”的驗證，由于貼敷技術不成熟，航天飛機在研發(fā)初期就曾被隔熱瓦大面積脫落的問題長期困擾。其次是“星艦”一級，也就是“超重型火箭”的多發(fā)并聯(lián)問題，不同于“重型獵鷹”每個通用芯級安裝9 臺，三芯并聯(lián)共27 臺，“超重型火箭”僅在一個9 米直徑箭體底部就計劃安裝28臺（目前方案）“猛禽”，同時工作時起飛推力將高達6600多噸，該方案會產生發(fā)動機布置、承力結構、熱防護、耦合振動等一系列技術挑戰(zhàn)。以上只是“星艦”為實現(xiàn)首飛而將面臨的多種技術挑戰(zhàn)中的一部分。不過公司已經(jīng)準備了SN-10 到17 的一系列星艦原型機，以及星艦一級“超重型火箭”的第一個原型機BN-1。

之所以要制造數(shù)量眾多的原型機，源于“星艦”不同于傳統(tǒng)火箭的研發(fā)思路。由于種種原因，傳統(tǒng)運載火箭在正式入軌發(fā)射前都是沒有過試飛的，設計人員在漫長的研發(fā)進程中一直都在想方設法用盡可能多的地面試驗來模擬實際飛行工況，試圖讓上天的問題全部暴露在地面并得到解決。但地面終究是地面，誰也無法保證所有問題都能在地面復現(xiàn)。隨著垂直回收技術的實用化和成熟化，“星艦”的設計過程迥異于傳統(tǒng)重型火箭，利用不斷提升高度的懸停和試飛不斷暴露各種問題，逐步驗證各種技術，最終逼近實用化運載火箭。如此一來，技術風險和問題被高度分散，不再需要“畢其功于一役”地將風險集中于首飛。

▲ 著陸前發(fā)動機火焰呈現(xiàn)綠色

“星艦”未來仍存變數(shù)

“星艦”從研發(fā)開始至今，雖然過程頗多坎坷，但尚未遇到顛覆性問題，因此擺在太空探索技術公司面前的最大挑戰(zhàn)就是時間和資金。資金方面，由于美國政府兩黨輪替，拜登政府的航天政策相較特朗普會有所變動，尤其是對“阿爾忒彌斯”計劃為首的深空載人重視度下降，轉而向地球科學方向傾斜?！靶桥灐弊鳛橛媱潈缺揪瞳@資助最少的登月艙承包商（一期國家隊獲批5.8 億美元，而太空探索技術公司僅1.35 億美元），即使三選二成功，后續(xù)經(jīng)費也將受到削減。還有，“星艦”還曾獲美國宇航局在軌加注技術演示項目5300 萬美元的資助。此外再無公開的外部資金支持，雖然美國軍方對亞軌道“星艦”的快速全球投送能力表現(xiàn)了濃厚興趣，但目前依然“一毛不拔”，商業(yè)發(fā)射客戶也多持觀望態(tài)度。因此目前“星艦”及配套猛禽發(fā)動機的高昂研發(fā)費用均由公司自掏腰包，與同為重型火箭卻被美國國會百般呵護而“衣食無憂”的“太空發(fā)射系統(tǒng)”相比，“星艦”的研發(fā)風險和壓力可想而知。隨著“太空發(fā)射系統(tǒng)”首飛進度不斷延宕，“星艦”研發(fā)的快速推進，誰能率先首飛并完成入軌仍存巨大變數(shù)。

成功入軌對于一般火箭來講已可稱之為“大功告成”，但對于“一箭包打天下”的“星艦”來說，首飛成功也至多不過是“賽程過半”。“星艦”二級還需挑戰(zhàn)再入大氣層并成功著陸回收。而后針對載人任務，還需積累可靠性數(shù)據(jù)，增設必要的維生和逃逸設備，最終定型載人版“星艦”。為應對規(guī)劃中在軌加注需求，還需設計專門貯存和轉運低溫推進劑的在軌加注版“星艦”。而為了滿足美國宇航局的登月艙需求，還需要打造精簡所有大氣層再入用設備的月球版“星艦”。最后為了實現(xiàn)馬斯克本人的“野望”，還需要打造可往返地球火星的火星版星艦。而以上構型能夠實現(xiàn)的最關鍵前提，就是要實現(xiàn)“星艦”的廉價、快速和可靠的重復使用，這才是“星艦”項目的核心挑戰(zhàn)，也是不斷迭代的終極目的，其實也是最艱難和耗時的一步。

“星艦”的設計一如既往采用快速迭代的思路，低成本快速成型，然后試錯，成功就繼續(xù)改進，繼續(xù)試錯；失敗就馬上掉頭，改換思路。為實現(xiàn)這些看似瘋狂的設計需求，“星艦”未來不僅會挑戰(zhàn)既有的運載火箭設計定式，也可能推翻自家的設計思路。一如“獵鷹1”時期傘降實驗失敗，公司果斷轉向垂直起降回收；還有“星艦”最初擬采用復合材料貯箱，后發(fā)現(xiàn)其對成本和熱防護系統(tǒng)設計造成巨大困難，毅然拆毀貯箱工裝迅速轉向不銹鋼貯箱。后續(xù)研發(fā)中也應如此，比如業(yè)界目前基本接受了獵鷹9 火箭一級的可展開著陸腿設計，無論是返場回收還是著陸部署在海上回收平臺，著陸腿都不可或缺。但“星艦”計劃取消一級火箭的著陸腿，公司近期宣稱未來規(guī)劃讓一級直接落回到發(fā)射臺上，由發(fā)射塔支臂來接住火箭一級，利用柵格舵來承受箭體重量。這樣一來其回收過程就并非著陸而是捕獲。該設計的優(yōu)勢在于可省去箭體著陸支腿的重量和成本，也避免了支腿無法可靠展開和鎖定的潛在風險（“獵鷹9”曾因支腿鎖定機構失效而傾倒爆炸）。并讓火箭能夠馬上在發(fā)射臺上重新就位，從而能夠使火箭具備快速重復發(fā)射的能力。

總之，星艦SN-8 的奮力一躍只是“萬里長征第一步”，面對落地失敗爆炸的結局，無論是“雖敗猶榮”，還是“善始未善終”，未來入軌之路依舊道阻且長。太空探索技術公司慣用的快速漸進迭代的設計思路在“星艦”上到底能否再次奏效，賭上公司家底的一次技術豪賭能否成功，著陸火星的藍圖究竟會是“夢想成真”還是“黃粱一夢”？還是讓我們拭目以待吧。

▲ 著陸前姿態(tài)轉換，可見前翼面展開，后翼面收起

▲ 網(wǎng)友制作的發(fā)射臺捕獲構想圖