四射四炸后，“星舰”为何仍中标登月舱

文/ 田丰

▲ 中标后太空探索技术公司公布的登月舱渲染图

2021年4月17日，美国宇航局正式宣布美国太空探索技术公司（SpaceX）被选为美国“阿尔忒弥斯”登月计划中“载人登陆系统”，也就是载人登月舱的唯一承包商。在此过程中，太空探索技术公司基于其正在研发的、完全可重复使用的火箭“星舰”，打造了一款专用于月球登陆的“星舰”改版“登月舱”。该方案最终出乎业界意料击败了由“蓝色起源”+“洛克希德·马丁”+“诺格创新系统公司”+“德雷珀”组成的全明星“国家队”，以及Dynetics公司牵头25家分包商组成的“小企业队”，最终雀屏中选。这是一份价值28.9亿美元的固定额度合同，按里程碑进行阶段性付款。此次合同范围包括整个登月舱的第三阶段研发资助，以及后续的一次无人和载人落月演示任务。

在任务架构上，目前基于2024年执行的阿尔忒弥斯-3任务规划，美国宇航局的“太空发射系统”（SLS）将发射猎户座飞船前往月球，飞船搭载4名航天员。进入环月轨道后，猎户座飞船将与“星舰”在轨对接，其中2名航天员将转移到“星舰”上，随后“星舰”分离着陆月球表面。经过大约一周的月面探索后，他们将登上“星舰”，返回环月轨道并与猎户座飞船对接，最终全部航天员乘坐猎户座飞船返回地球。

商业航天采购模式的终极表演

此次招标之所以备受瞩目，不仅因为原定的合同额度诱人，美国宇航局仅在投标第二阶段便豪掷9.7亿美金支持研发，加之投标方众星云集，堪称美国航天界的“神仙打架”，既有“洛·马”和“诺格创新系统公司”这种传统军工巨头，也有太空探索技术公司和“蓝色起源”这种业界新贵。更重要的是，这是近十年来美国商业航天采购模式从近地轨道任务向旗舰级深空载人任务延伸的一次突破。

在传统观念中，载人登月项目应该由美国宇航局统一管理和实施，而事实也的确如此。阿尔忒弥斯计划四大重要组成部分中的两个——猎户座飞船和太空发射系统，即俗称的“一船一箭”均采用了类似阿波罗时期的传统采购模式，美国宇航局一揽子负责任务规划、设计、经费并拥有航天器所有权，而“波音”和“洛·马”等航天企业仅作为总承包商负责制造。但这种模式近年来弊端尽显，“一船一箭”的经费超支和进度拖延已让美国宇航局骑虎难下，累计耗资已近350亿美元。而另一方面，近年来美国宇航局主张的一系列商业航天采购项目却硕果累累，项目的进度和经费都得到了合理控制，和“一船一箭”项目形成了鲜明对比。

美国宇航局的商业航天采购始于2008年的“商业货运服务项目”，在项目中该局一改以往的“包办船长”角色，变身“付费乘客”，只购买国际空间站的货运服务，并不保有航天器和火箭所有权，不介入具体设计和制造。但为了控制安全、进度和经费，设置了一系列“里程碑”，完成节点方可获拨对应合同款。最终太空探索技术公司及轨道科学技术公司（现已被“诺·格创新系统公司”收购）两家公司分别以16亿和19亿美元价格中标，成功研发了货运龙飞船和天鹅座两款飞船，以及“猎鹰9”和“心宿二”两款运载火箭，两者互为备份并共同支撑了国际空间站的货物上下行。

▲ 天鹅座货运飞船

▲ 货运龙飞船

随后，美国宇航局提出了“商业载人航天项目”，该项目借鉴了“商业货运服务项目”的成功经验，飞船所有权归属企业，中标企业可以在满足美国宇航局任务需求外执行太空旅游等商业任务，借此激励企业创新和自筹部分资金。最终美国宇航局仅耗资约82亿美元，就获得了“载人龙”和“星际线”两款载人飞船，以及两型配套的载人级运载火箭。该项目与耗资150亿美元却仍未正式首飞的“猎户座”形成鲜明对比。

▲ “载人龙”（左一）和“星际线”（左二）加一起都没猎户座（右一）贵

▲ 登月舱对接月球轨道平台门户渲染图，图中类似“蓝色起源”方案，可见登月舱尾部的转移级

商业航天采购模式在近地轨道的成功，鼓励了美国宇航局将该模式向深空推进。在随后的“月球轨道平台门户”（LOP-G）项目上，该局继续采用这种模式采购其核心舱段。同样经两轮筛选后，“麦克萨”凭借其在全电推进通信卫星领域的丰富经验，成功中标“推进与电力舱段”（PPE）；诺·格创新系统公司则利用已有的天鹅座货运飞船中标美国居住舱。至此，LOP-G的核心舱段全部发包完毕，基于商业航天模式利用了成熟技术，采用成熟的商业火箭发射，合同经费和进度有望被合理控制。

作为重返月面的最后一块重要拼图，登月舱的招标也顺理成章延续了商业采购模式。2019年9月，美国宇航局发布载人登陆系统采购需求，采购类似前述项目，固定额度合同，根据里程碑完成情况拨款。需求提出拟在2024年执行的阿尔忒弥斯-3任务上，进行首次载人（无人）登月尝试。该项目吸引了5家企业参与投标。2020年4月，经过初步评标筛选，该局在5家中选择3家进入设计阶段，首先由“蓝色起源”牵头的“国家队”组合登月舱毫无悬念中标，获资5.8亿美元；随后是Dynetics的整体登月舱获资2.5亿美元，最后是太空探索技术公司基于“星舰”的登月舱方案，仅获资1.35亿美元。

▲ “蓝色起源”综合着陆器的渲染图

五“仙”登月，各显其能

在落榜企业中，“波音”最初投标的登月舱类似阿波罗登月舱，由上升级和下降级组成，需SLS的Block 1B改进型火箭整体发射升空。“波音”的方案意图顺路搭售自家承制的SLS火箭，同时倒逼美国宇航局立项拨款SLS的Block 1B改型。考虑到SLS Block 1型单发成本已逼近20亿美元，Block 1B耗资只多不少，所以该方案成本已超美国宇航局心理预期。然而投标截止期前“波音”突然修改投标方案，将整体式登月舱改为可由“火神”等商业火箭发射升空并在月球轨道对接的组合式登月舱。但标书修改后不久，便被媒体曝光“波音”临阵变卦是受到美国宇航局内部人士泄密的“指导”，因此“波音”只得退出竞标。

“国家队登月舱”命名为“综合着陆器”，由转移级、下降级和上升级3部分组成，3个部分可分别通过“新格伦”和“火神”运载火箭发射，并在环月轨道或月球轨道平台门户进行组装；也可以通过SLS整体发射。下降级源于“蓝色起源”2019年5月公开的的“蓝月亮”项目，公司为该项目单独研发了代号BE-7的氢氧发动机。该发动机推力40千牛，可深度节流（变推力），采用独特的“双膨胀燃烧循环”，还为此进行了相关试车。上升级的动力系统和乘员舱均由“洛·马”负责，设计上尽可能与猎户座飞船共用系统。转移级则由诺格创新系统公司负责，同样充分参考其在天鹅座货运飞船上的设计；德雷珀公司则负责航电系统的研发。“综合着陆器”可以与“猎户座”或月球轨道平台门户对接，并可长期在轨以供远期重复使用。

Dynetics的“载人登陆系统”是一种单级登月舱，上升和下降阶段采用同一套系统，但是引入了模块化的可抛式推进剂贮箱，既可以在上升阶段抛掉部分贮箱以减重，也可以在月球轨道平台门户进行模块化补加。其优势在于乘员舱高度较低，航天员相对另两家方案更易出入。规划采用“联合发射联盟”的火神运载火箭发射升空。

太空探索技术公司的登月舱与其他厂商的专研方案不同，其派生自公司正在自行研制的，代号“星舰”的两级可完全重复使用重型火箭。星舰全箭采用公司自研的“猛禽”液氧甲烷发动机，贮箱主要采用不锈钢，近地轨道运力不低于100吨。而投标所使用的登月舱实际上是星舰二级的登月专用改型，也被称为“星舰飞船”（Starship spacecraft，下文继续简称“星舰”）。它高50米，直径9米，干重约100吨（最终方案可能有所压减），可加注约1200吨推进剂。相对于标准“星舰”的二级，登月版“星舰”针对月球环境做出了优化。目前具体设计尚未最终固化，但已有部分变动公开。首先，月球并无大气层，因此所有气动翼面均被删除，迎风面大面积覆盖的陶瓷基非烧蚀隔热瓦也全部取消。其次，着陆腿考虑月壤和缓冲需求亦有修改。此外，考虑到月球的低重力和猛禽发动机节流能力有限，加之为减小发动机尾流对着陆区影响，登月版星舰在上部增设着陆专用发动机。最后，还增设了航天员和货物用电梯以及两个独立的气闸舱。

▲ 2019年5月，发布会上的“蓝月亮”计划

最终投标结果原定今年2月揭晓，不料项目中途遭遇“预算”危机，2021财年美国宇航局为“载人登陆系统”项目申请32亿美元预算，但国会最终实批仅有8.5亿美元经费。这些经费支撑一家企业研发都尚不充裕，更遑论实现以往招标中三选二且互为备份的目的。因此开标前业界普遍预测实力强劲且方案相对成熟的“国家队”将成为经费缩水后的唯一中标方，但4月17日太空探索技术公司中标的结果却让业界大跌眼镜。

▲ Dynetics的登月舱渲染图

烫手的合同，难拿的项目

太空探索技术公司中标消息爆出后各方反应不一。众议院科技委员会主席玛丽亚·坎特韦尔直接表态对美国宇航局的选择表示失望，同时称该局不应在新任局长尚未任命的前提下宣布招标结果，且强调载人登月级别的任务应保有必要的备份。美国“深空探测联盟”对美国宇航局宣布开标结果表示礼节性祝贺，却只字未提中标方。而两家落标方则对招标公开表示质疑，并表示将进行申诉。

▲ 4台星舰原型机的“前炸后继”，终于换来了合同

由于美国法律规定投标申诉需在开标后30天内进行，4月26日，两家在采购申诉期压线向“美国政府问责办公室”提交了长达175页的申诉申请。抗诉点在于认为美国宇航局对方案的各个方面进行了不当评估，且没有留给另外两家适应性修改报价和标书的机会。4月30日，美国宇航局迫于压力暂停合同执行，直到“美国政府问责办公室”作出最终裁决。

虽然这份合同在各方势力交错下一波三折，但“星舰”本身的研发却仍在高歌猛进。5月6日，星舰SN15原型机首次成功执行10千米试飞，在两台猛禽发动机的推动下稳稳落地。据消息透露SN15的状态良好，经过修整评估后会继续组织更多试飞。而瞄准入轨发射的SN20号原型机也已经在制造当中，“星舰”一级的试制工作也在紧锣密鼓地开展，完全未受中标风波的影响。

美国的登月大戏真的是愈加精彩了。

▲ 平稳着陆后的“星舰”SN15，后续还将重上蓝天，为登月做技术储备