近日，美國太空探索技術(shù)公司(SpaceX)發(fā)布了新一代火箭的藍圖：被稱為“星艦”(Starship)的下一代重型運載火箭，將成為人類有史以來最大的航天運載器。
在新計劃發(fā)布會上，SpaceX展出了已建成的星艦第二級全尺寸原型機MK1。SpaceX創(chuàng)始人埃隆·馬斯克(Elon·Musk)發(fā)表演講稱，SpaceX計劃在年內(nèi)進行MK1的無人飛行測試。此外，原型機MK2也在建造中，之后還有MK3、MK4……SpaceX正不遺余力地推進星艦計劃。
按照SpaceX官網(wǎng)的說法，“星艦”將用于前往“地球軌道、月球、火星和更遠”。馬斯克一再強調(diào)，他創(chuàng)立SpaceX的目標主要是為了幫助人類移民火星。從星艦的設(shè)計參數(shù)上，顯然是瞄準這一目標的。那么，史上最強運力、史上最多發(fā)動機數(shù)量、軌道燃料加注、火箭重復使用……這些挑戰(zhàn)人類技術(shù)極限的黑科技，會實現(xiàn)嗎?人類的火星計劃，會成為現(xiàn)實嗎?
迭代中的星艦 從設(shè)想走到現(xiàn)實
在SpaceX的官網(wǎng)首頁，并排顯示了4個項目。前兩個項目是“獵鷹9號”和“獵鷹重型”兩個現(xiàn)役的運載火箭項目，第三個項目是“龍”飛船，這是SpaceX的“運輸機”，已成功向國際空間站運送物資，明年或?qū)⑸墳檩d人飛船，向國際空間站運送宇航員。最后一個項目則屬于未來。它有一個科幻氣息濃厚的名字——“星艦”。
按照SpaceX的構(gòu)想，“星艦”的客艙可容納百人，其第一級“超級重型”，也有著史無前例的超大推力。馬斯克在9月曾評論說：“星艦”系統(tǒng)將是人類在火星上建立能夠自我維持城市的最快途徑。
被稱為“狂人”的馬斯克一再強調(diào)，他創(chuàng)立SpaceX的目標主要是為了幫助人類移民火星：2016年，馬斯克公布了“行星際運輸系統(tǒng)”(ITS)設(shè)計概念——它將專門用于太陽系內(nèi)行星間的運輸。馬斯克當時說，他的最終計劃是每26個月向火星運送1000人，目標是在50—100年內(nèi)在火星上建立一個百萬人城市。
SpaceX也在反復調(diào)整設(shè)計和系統(tǒng)的名稱。比如，2017年時候，ITS就被改名為BFR(大型獵鷹火箭)，設(shè)計指標也有所縮水。而之后，更名為BFR項目又不斷更新設(shè)計，幾乎恢復了ITS最初的水準。
2018年9月，SpaceX公布了首位購買BFR繞月飛行“機票”的乘客——日本富翁前澤友作。他計劃于2023年前往月球。
2018年11月，SpaceX宣布，BFR計劃正式更名為“星艦”。這一運輸系統(tǒng)中，第一級/助推器被稱為“超級重型”火箭，上面級/太空飛船被稱為“星艦”。兩者構(gòu)成的系統(tǒng)也被統(tǒng)稱為“星艦”。
令人驚嘆的是，“星艦”如此之快地進入現(xiàn)實。SpaceX快速地生產(chǎn)并測試了數(shù)個“星艦”原型機，甚至包括全尺寸原型機MK1。
時間回到2019年7月。SpaceX在美國得克薩斯州南部的博卡奇卡測試場對星艦飛船原型——“星蟲”(Starhopper)進行自由懸浮測試，創(chuàng)造了150米飛行高度的新紀錄。
到2019年9月末，SpaceX在發(fā)布會上展出了“星艦”上面級的全尺寸原型機MK1。這個高50米、直徑9米的巨型飛船安裝3臺“猛禽”發(fā)動機，飛得比“星蟲”更高。發(fā)布會上，馬斯克說，MK1大概會在1個月以后進行20千米高度的試飛。
另一臺原型機MK2也在生產(chǎn)中，預計比MK1稍晚下線。MK3和MK4預計會在6個月以后建成并且進行首次軌道飛行。MK5也在計劃中。
航天工程博士毛新愿對南方日報記者表示，這種速度正是SpaceX的特色：通過優(yōu)秀的管理手段降低試錯成本，實現(xiàn)技術(shù)和產(chǎn)品的快速迭代。“這確實是它的另類之處，也是它能夠擊敗眾多對手、取得現(xiàn)有成績的前提。”
全國空間探測技術(shù)首席科學傳播專家龐之浩也表示，SpaceX多次變更“星艦”項目的技術(shù)參數(shù)，顯示其技術(shù)還遠不夠成熟，但其大膽采用新技術(shù)、新方案，不畏懼失敗，不斷在實踐中改進的做法值得借鑒。
史上最多 第一級火箭有37臺發(fā)動機
馬斯克在SpaceX的發(fā)布會上介紹，星艦系統(tǒng)的上面級，高50米，直徑9米，干重200噸，未來有望優(yōu)化到120噸。裝有6臺“猛禽”發(fā)動機，近地軌道運力最終將達到150噸;返回地球的載荷重量為50噸，推進劑加注量1200噸。星艦的艙內(nèi)空間達1100立方米，可載運100人。
第一級“超級重型”火箭的指標更夸張。它的直徑達9米、高68米，裝有37臺“猛禽”發(fā)動機，起飛推力約7500噸，相當于“土星五號”火箭的兩倍——“土星五號”是阿波羅載人登月計劃使用的火箭，是人類歷史上最大推力的火箭，現(xiàn)已退役。
37臺發(fā)動機組成的第一級，也是一個紀錄。目前，SpaceX的“獵鷹重型”是現(xiàn)役世界上推力最大的運載火箭，發(fā)射時27臺“梅林”發(fā)動機并聯(lián)工作。
當時，在“獵鷹重型”發(fā)射前，外界紛紛對這種“推力不夠，數(shù)量來湊”的火箭工作方式表示擔憂。27臺“梅林”發(fā)動機并聯(lián)工作，飛行中可能因產(chǎn)生共振而爆炸，一度是該型火箭最大的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。馬斯克本人也表示只要火箭沒有在發(fā)射臺上爆炸，就已經(jīng)算是成功。好在“獵鷹重型”成功發(fā)射。更早的時候，蘇聯(lián)為了實現(xiàn)載人登月，采用了30臺發(fā)動機串聯(lián)工作的第一級火箭設(shè)計，但是4次發(fā)射均告失敗。
“多臺發(fā)動機一起工作確實有風險。如果有一兩個發(fā)動機失效且與之對稱布局的發(fā)動機沒有順利關(guān)閉，或者是哪怕一個爆炸的話，就會摧毀整個火箭。”毛新愿說。
“比如說N1火箭，從理論上講并不是完全不可行，但是關(guān)鍵就在于，為了同時使用這么多發(fā)動機，需要很多輔助的設(shè)施，包括各種燃料供應(yīng)、電子電路和結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)等。例如如何設(shè)計泵循環(huán)合理分配燃料的系統(tǒng)，以及這些發(fā)動機如何開和關(guān)的控制系統(tǒng)，很多環(huán)節(jié)都需要配合好。”毛新愿介紹。
SpaceX在多臺發(fā)動機火箭設(shè)計上顯得頗有心得。毛新愿表示，SpaceX已經(jīng)通過自己的實際例子，證明了技術(shù)的可行性。“‘獵鷹重型’火箭第一級有27臺‘梅林’發(fā)動機，幾次發(fā)射都取得了成功。”
“SpaceX對于火箭燃料系統(tǒng)的分配、控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)的研究是非常深入的。尤其是當一枚獵鷹火箭一級/助推器回收的過程中，并不是9臺發(fā)動機一起工作，是不斷分步驟地按照不同的數(shù)量去工作。這體現(xiàn)了非常高超的火箭發(fā)動機控制水平。”毛新愿表示，“星艦”由37臺發(fā)動機組成第一級比較可行，并不會成為技術(shù)瓶頸。
此外，毛新愿提到，SpaceX的設(shè)計在成本上也有優(yōu)勢。“小型發(fā)動機可以大規(guī)模量產(chǎn)，成本遠遠低于使用幾個大型發(fā)動機。再加上‘星艦’也可以做回收，所以目前的方案，也是SpaceX基于現(xiàn)有技術(shù)下能夠做到的，甚至是最優(yōu)解了。”
“太空加油” 讓飛船走得更遠
也許我們將很快見到“星艦”的發(fā)射。SpaceX表示，“星艦”首飛或?qū)⒂?021年實現(xiàn)，但早期飛行將是無人飛行，可能用于通訊衛(wèi)星發(fā)射等。
至于前往月球和火星，就要進行“太空加油”。馬斯克在發(fā)布會上詳細介紹“星艦”的“軌道補給”計劃。按設(shè)想，載人飛船先飛到地球軌道待命，然后再發(fā)射第二艘滿載燃料的飛船充當“加油機”，兩艘飛船會合，實現(xiàn)在軌燃料轉(zhuǎn)移加注，然后載客飛船再奔赴月球或火星。馬斯克表示，“星艦”對接要比現(xiàn)在“龍”飛船對接國際空間站更簡單，“這是在月球或火星上建立基地的另一個關(guān)鍵。”
毛新愿評論道，“太空加油”技術(shù)難度很高。一方面是任何載荷發(fā)射到太空都很復雜;另一方面，失重環(huán)境下進行大規(guī)模液體傳送，技術(shù)難度也很高。
不過毛新愿認為“太空加油”對于人類“遠航”的意義很重要。“實現(xiàn)‘太空加油’就意味著可以極大地降低成本。比如說可以通過多次任務(wù)不斷地去補給燃料，這樣的話，單次任務(wù)所需的巨大的載荷就可以分散開來，整體上降低成本，提高成功率。”
無論如何，我們距離實現(xiàn)火星登陸，恐怕還有一段不短的時間。
根據(jù)此前NASA的規(guī)劃，美國政府主導的載人登火星項目預計在21世紀30年代中期展開，馬斯克的計劃則激進得多，號稱2024年載人前往火星。不過鑒于SpaceX中長期規(guī)劃的一貫性跳票，很少有人把2024年火星計劃當真。
“按照現(xiàn)有的藍圖，‘星艦’離開地球，用于比較成熟的月球探測和初步的火星探測，是沒有問題的。”毛新愿說，“但是挑戰(zhàn)載人登陸火星的話，還是非常艱難。”
毛新愿表示，載人登陸火星一個重要的挑戰(zhàn)是如何返回。“考慮到火星的大氣阻力，如何登陸上去，再如何返回，幾乎是一個目前人類不可能完成的任務(wù)，包括‘星艦’也是。”
“如果挑戰(zhàn)載人登陸火星，就需要做大量的其他技術(shù)的開發(fā)，甚至是在火星上生產(chǎn)火箭燃料，因為從地球帶過去是非常不現(xiàn)實的。這也意味著巨大的資金成本和技術(shù)挑戰(zhàn)，甚至像美國、俄羅斯、中國這些單獨一個國家都不太可能完成。”毛新愿表示，“可以把它看作是人類的一個宏偉計劃，但目前人類離這一步還是差很遠的。”
南方日報駐京記者 王詩堃 統(tǒng)籌策劃：張志超
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