“星舰”一小步，火星梦的一大步

文/田丰

殖民火星一直都是太空探索技术公司（SpaceX）及其创始人埃隆·马斯克的理想。成立17年来，公司从“猎鹰1”号火箭三射三败，到“猎鹰9”号成功翻身，再到回收成功一鸣惊人，直到“猎鹰重型”惊艳世界，太空探索技术公司在业界一步一步从籍籍无名走向举足轻重。

这些火箭都距离登陆火星“终极目标”太过遥远，但从9月28日在美国得克萨斯州博卡奇卡镇的荒凉海滩边召开的一次发布会开始，人类朝这个目标似乎又前进了那么“一小步”。这次发布会正是太空探索技术公司每年例行举办的新型火箭发布会。与往年的发布会相比，太空探索技术公司的新型火箭终于告别了“PPT火箭”的称号，一艘高50米、直径9米的全尺寸试验飞船实物就屹立在主讲人马斯克的身后。

▲ 马斯克和他后面的“庞然大物”在得州发布会现场

诞生三年三易方案

2016年的国际宇航大会上，太空探索技术公司在压轴演讲上首次公布了公司构想的载人登陆火星用运载火箭——行星际运输系统（Interplanetary Transport System，简称ITS）。从设计思路上ITS确实能够实现载人登陆火星的目标，但是其设计理念之激进、技术指标之严格、发射规模之庞大无不刷新了人类航天的技术上限。考虑到近地轨道运力百吨以上的重型火箭在人类历史上一直都是“大国玩具”，是意识形态斗争和战争行为在太空的延伸，这类火箭通常耗资巨大，吞金无数，周期漫长，一家私营企业想凭借一己之力研发一款万吨起飞重量的重型火箭，无异于天方夜谭。所以业界同行对太空探索技术公司的疯狂构想大多一笑置之。

▲ 2016年首次公开时的ITS设计

但太空探索技术公司却未停下脚步，每年举办一次发布会，2017年时甚至改名为“大猎鹰火箭”（Big Falcon Rocket，简称BFR）。三年间火箭的设计方案一变再变，规模一缩再缩，发射一推再推，这款可完全重复使用的重型火箭实物一直是“只闻楼梯响，不见人下来”。以至于“太空发射系统”（Space Launch System，以下简称SLS）的承包商波音公司CEO甚至公开称波音一定能先于太空探索技术公司将航天员送上火星。

2019年初，太空探索技术公司再次推翻BFR的设计方案，将贮箱材料从高强度低密度的碳纤维复合材料变成航天业界鲜有使用的市售级301不锈钢，这种“朝箭夕改”的做法几乎磨光了业界的耐心。太空探索技术公司在巨大压力之下只得壮士断腕，退租了位于加州圣佩罗的BFR厂房，拆毁了价值数百万美元的碳纤维贮箱专用工装，改为选择东海岸的两处露天场地，想尽一切办法加速火箭的研发进度，而这次发布会上的试验机就是这场“露天造箭”运动的产物。

▲ 被拆毁前的碳纤维复合材料贮箱工装

▲ 位于卡纳维拉尔角的星舰MK2制造场地

超越“土星5号”的新运载火箭之王？

在发布会上，这款之前被称为“大猎鹰”的火箭已经正式更名为“星舰”（Starship），火箭二级被称之为“星舰飞船”（Starship spacecraft），火箭一级则称为“超重型火箭”（Super Heavy rocket），两者统称“星舰”。发布会现场放置的正是“星舰”的MK1全尺寸验证机，它高50米，直径9米，干重约200吨，后续正式版“星舰”干重有望优化至120吨，而起飞重量则为1400吨。

由这些参数可见，“星舰”的干质比远落后师出同门的猎鹰9火箭，但作为一款采用不锈钢贮箱的完全可重复使用火箭，加上不加压状态维持火箭完整的设计约束，使得太空探索技术公司无法采用“半人马”上面级的不锈钢气球贮箱方案来降低干重，因此干质比的牺牲和设计妥协都是难以避免的。太空探索技术公司公布的正式版“星舰”近地轨道运力不低于100吨，可携带返回地球的载荷重量为50吨，可实现将哈勃空间望远镜带回地球的设想。

▲ 现场“星舰”MK1实物

目前星舰MK1安装有三台海平面版本的猛禽发动机，发动机高3米，喷管直径1.3米，均为双摆设计，推力200吨，比冲330秒左右，同时用于推进和反推着陆。未来正式版“星舰”将安装有6台猛禽，另外3台是真空版。真空版发动机固定不可摆，真空推力220吨，比冲目标为380秒。“猛禽”经过多个版本迭代，加之比冲受液氧/甲烷推进剂组合的理论比冲限制，技术参数基本稳定。但凭借全流量分级燃烧循环的优势，推进效率（比冲）已经超越“蓝色起源”公司的BE-4发动机。星舰MK1的20公里高度亚轨道试飞完成后，公司称还将开建MK3、MK4乃至MK5，后续型号将改进工艺并更新迭代，直至真正具备进入地球轨道并从大气层外再入返回的能力。公司称“星舰”配备了9米直径、高19米的可开合整流罩，具有现役和在研火箭中最大的整流罩空间。同时公司称利用“星舰”的巨大运力和整流罩空间，可以发射比“詹姆斯·韦伯”更大的空间望远镜，宣传资料中就将尚在规划中的“先进技术大孔径空间望远镜”（ATLAST）放入了“星舰”整流罩内。

▲ 整流罩中的折叠版ATLAST

▲ SpaceX公司官方的超重型火箭介绍

太空探索技术公司还将制造被称之为“超重型火箭”的星舰一级，“超重型火箭”将与“星舰飞船”结合为一枚完整的两级运载火箭，从而执行真正的入轨发射。“超重型火箭”同样采用9米直径不锈钢共底贮箱，设计安装37台猛禽发动机，中央7台双摆，外圈30台固定，装有6个尾翼，兼做着陆支腿。超重型火箭将有68米高，推进剂加注量3300吨。“星舰”整箭起飞重量超过5000吨，起飞推力7350吨，起飞推重比超过1.4，有望将人类火箭排行上“霸榜”半个世纪之久的“土星5号”拉下宝座。

快速复用和在轨加注

众所周知，运载火箭级数越多，其回收设计就越困难，所以“星舰”虽然规模庞大，但受限于完全可重复使用的目标，火箭目前只有两级无助推器一种构型。这种构型对深空探测和高轨任务十分不利，但太空探索技术公司却宣称“星舰”“一箭多能”，可执行近地、月球、火星乃至更远的深空任务。未来甚至将会淘汰掉自家的“猎鹰9”及猎鹰重型火箭，只运营“星舰”发射。要达到这样的目标，“星舰”必须解决两大挑战，一个是如何大幅降低发射成本，另一个是如何发射高轨深空任务。而实现这两个目标的关键技术是“低成本快速复用”和“在轨加注”，这也是摆在太空探索技术公司面前的两座大山。

说起低成本快速复用就不得不提起“猎鹰9”。经过4年的迭代更新，“猎鹰9”的一级回收复用已经日渐成熟，至今已执行25次复用发射，任务成功率100%，同时复用发射报价相对新火箭报价降幅达上千万美元，真正实现了“降本增效”。太空探索技术公司宣称“星舰”未来可以和“猎鹰9”或“猎鹰重型”一样执行商业发射，而报价将持平甚至低于现役的猎鹰系列火箭。一型重型火箭报价要低于报价最低的商业火箭，现在听起来无异于“天方夜谭”。事实上这正是上世纪航天飞机诞生时的美好构想，凭借重复使用特性，航天飞机是人类航天史上第一型单次发射报价低于造价的运载工具，也就是说一次性发射是亏损的，只有通过多次复用才能收回成本乃至盈利。但航天飞机本身的高昂的成本，较低的复用率，繁复的翻修过程都推高了其使用成本，不但发射成本未能击败同时期运载火箭，可靠性也受到影响。“星舰”目前的设计正尽可能吸取航天飞机的经验教训，一方面降低火箭制造成本，比如采用成本低廉且工艺成熟的不锈钢作为贮箱材料，成本仅为碳纤维的几十分之一，还额外降低了热防护系统的工作量，全箭仅使用猛禽一种发动机，缩减型号压低成本；另一方面设法减少翻修工作量，比如采用新型非烧蚀易维护的TOFRUC防热材料，使用成本低廉且无积碳的液氧/甲烷推进剂组合，提高复用率到100%，避免重蹈航天飞机的覆辙。

▲航天飞机繁复的翻修过程

▲ 太空探索技术公司官方的在轨加注示意图

而“星舰”执行深空任务时，“在轨加注”这项技术是必不可少的。以火星任务为例，执行奔火任务的“星舰飞船”首先进入近地停泊轨道，然后满载推进剂的加油版“星舰飞船”发射并与之对接，将所有推进剂转移至停泊的星舰飞船中。之后根据任务需求重复多次在轨加注，直至获得足够的“奔火”所用推进剂，最后“星舰飞船”再次点火奔向火星。

该技术与卫星所用的常温推进剂补加不同，属于“大规模低温推进剂在轨加注”，不仅推进剂交换量高达上百吨，还要克服低温推进剂在轨蒸发问题，难度高且无先例。而太空探索技术公司目前正与美国宇航局马歇尔航天飞行中心开展合作研发，之前因在轨加注技术有可能威胁SLS的地位，该技术在美国宇航局内部研发受阻，因此马歇尔中心对太空探索技术公司的资助无异于“友情支援”。

载人的拦路虎——逃逸和着陆

当然，“星舰”在技术上遗留的挑战远不止以上两方面。作为一款载人-货运两用火箭，载人发射时的主动逃逸设计是必不可少的，但太空探索技术公司目前对“星舰”的逃逸设计一直避而不谈，当年航天飞机曾因为缺乏有效的逃逸手段而备受诟病。巨大的加压舱室和全箭仅采用猛禽一型发动机的设计都使得类似逃逸塔的主动逃逸方案难以应用在“星舰”上，这也使“星舰”难以进入在载人安全性方面已经“吹毛求疵”的美国宇航局的法眼。

▲“ 猎鹰9”着陆的最终阶段，中央发动机功不可没

▲ 太空探索技术公司官方曝光的三台猛禽发动机

另一方面，由于“星舰”体积庞大，只能采用反推着陆方式。发布会上太空探索技术公司曝光了星舰MK1底部已安装的三台着陆用猛禽发动机，呈等边三角形布置，发动机架直接安装在贮箱底，由箱底承力。业界目前所有可垂直回收的运载火箭在着陆阶段都设计使用单台位于箭体中心轴线的发动机完成着陆。中心单台反推发动机的思路很合理，控制率简单，发动机布置容易，但容易发生单点失效，着陆阶段一旦这台发动机点火失败，且未能及时重新点火，回收直接失败。2018年2月，猎鹰重型火箭首飞时，芯级就因为点火剂不足导致着陆失败直接坠入海中。

着陆失败对于货运发射并不致命，最坏的结果不过是“船炸货毁”而已，但是对于载人的“星舰”而言着陆失败却是绝对不能接受的。目前“星舰”的三台发动机全都不在箭体中心轴线上，反推时无法避免产生额外力矩，这就要求着陆阶段不能垂降，而是倾斜下落，反推同时逐渐摆正姿态，着陆前瞬间恰好垂直。控制率远比单发复杂，姿控压力也大，看起来像是“自找麻烦”，而事实上三台着陆发动机可以互为备份，通过发动机摆动机构、气动翼面、RCS在自适应着陆算法的组合控制下，弥补单台失效对着陆的影响。

意料之中的挫折

北京时间2019年11月21日5:20分，星舰全尺寸原型机MK1的贮箱在一次低温强度试验中突然发生破裂，裂缝位于贮箱前底和筒段的连接焊缝处，裂缝迅速扩展，整个不锈钢前底在巨大的气压作用下被掀飞数十米远。幸运的是未发生燃烧爆炸，同时也无人员伤亡。事故发生后，SpaceX公司官方表态当日试验是一次“极限测试”，所以爆炸破裂的结局并不意外。话虽如此，但这次事故事实造成星舰MK1的彻底报废，公司数月心血毁于一旦，无法执行后续的20公里亚轨道试飞。公司宣称不会维修和试飞星舰MK1，在吸取此次事故经验的基础上直接跳跃至轨道版MK3的设计和制造，但对卡角遗留的MK2去留并未表态，作为MK1的同架构型号，其前景也不容乐观。

众所周知，SpaceX公司的研发思路和速度堪称美国航天界“异类”，在大胆尝试新技术的背景下屡遭挫折。成立至今的17年间，公司炸过飞船、炸过火箭、炸过发射台，爆炸几乎几乎成为“家常便饭”，所以这次星舰MK1的爆炸并没有太让业界感到意外。公司直接略过失败的MK1直奔MK3也是公司的一贯思路，2014年，垂直回收试验火箭F9R在一次悬停试验中因传感器失效导致火箭姿态异常，触发自毁后当空自爆。后来SpaceX公司未再重造F9R，而是直接略过F9R，在“猎鹰9”实际发射中进行回收试验，终获成功。或许这次是想重复以往越挫越勇的设计思路，但“毕其功于一役”的将风险集中在MK3上不得不说是一次“豪赌”。

▲ “星舰”MK1全尺寸验证机

▲ 炸飞后的贮箱前底

从2016年第一次公布这款火箭开始，3年间唯一不变的就是变，就像这次发布会的名字一样，他只是“星舰”的一次设计“更新”而已，以后还会有数不清的迭代和更新。在“重返月球”计划如火如荼的今天，在传统航天承包商组成的登陆器“国家队”面前，“星舰”这种设计难以分得一杯羹，更不会得到成规模的资金支持，未来能否走远，还是让我们拭目以待吧。