近日，美國(guó)太空探索技術(shù)公司(SpaceX)發(fā)布了新一代火箭的藍(lán)圖：被稱為“星艦”(Starship)的下一代重型運(yùn)載火箭，將成為人類有史以來(lái)最大的航天運(yùn)載器。
在新計(jì)劃發(fā)布會(huì)上，SpaceX展出了已建成的星艦第二級(jí)全尺寸原型機(jī)MK1。SpaceX創(chuàng)始人埃隆·馬斯克(Elon·Musk)發(fā)表演講稱，SpaceX計(jì)劃在年內(nèi)進(jìn)行MK1的無(wú)人飛行測(cè)試。此外，原型機(jī)MK2也在建造中，之后還有MK3、MK4……SpaceX正不遺余力地推進(jìn)星艦計(jì)劃。
按照SpaceX官網(wǎng)的說(shuō)法，“星艦”將用于前往“地球軌道、月球、火星和更遠(yuǎn)”。馬斯克一再?gòu)?qiáng)調(diào)，他創(chuàng)立SpaceX的目標(biāo)主要是為了幫助人類移民火星。從星艦的設(shè)計(jì)參數(shù)上，顯然是瞄準(zhǔn)這一目標(biāo)的。那么，史上最強(qiáng)運(yùn)力、史上最多發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量、軌道燃料加注、火箭重復(fù)使用……這些挑戰(zhàn)人類技術(shù)極限的黑科技，會(huì)實(shí)現(xiàn)嗎?人類的火星計(jì)劃，會(huì)成為現(xiàn)實(shí)嗎?
迭代中的星艦 從設(shè)想走到現(xiàn)實(shí)
在SpaceX的官網(wǎng)首頁(yè)，并排顯示了4個(gè)項(xiàng)目。前兩個(gè)項(xiàng)目是“獵鷹9號(hào)”和“獵鷹重型”兩個(gè)現(xiàn)役的運(yùn)載火箭項(xiàng)目，第三個(gè)項(xiàng)目是“龍”飛船，這是SpaceX的“運(yùn)輸機(jī)”，已成功向國(guó)際空間站運(yùn)送物資，明年或?qū)⑸?jí)為載人飛船，向國(guó)際空間站運(yùn)送宇航員。最后一個(gè)項(xiàng)目則屬于未來(lái)。它有一個(gè)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(jí)“超級(jí)重型”，也有著史無(wú)前例的超大推力。馬斯克在9月曾評(píng)論說(shuō)：“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?gòu)?qiáng)調(diào)，他創(chuàng)立SpaceX的目標(biāo)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(yùn)輸系統(tǒng)”(ITS)設(shè)計(jì)概念——它將專門用于太陽(yáng)系內(nèi)行星間的運(yùn)輸。馬斯克當(dāng)時(shí)說(shuō)，他的最終計(jì)劃是每26個(gè)月向火星運(yùn)送1000人，目標(biāo)是在50—100年內(nèi)在火星上建立一個(gè)百萬(wàn)人城市。
SpaceX也在反復(fù)調(diào)整設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的名稱。比如，2017年時(shí)候，ITS就被改名為BFR(大型獵鷹火箭)，設(shè)計(jì)指標(biāo)也有所縮水。而之后，更名為BFR項(xiàng)目又不斷更新設(shè)計(jì)，幾乎恢復(fù)了ITS最初的水準(zhǔn)。
2018年9月，SpaceX公布了首位購(gòu)買BFR繞月飛行“機(jī)票”的乘客——日本富翁前澤友作。他計(jì)劃于2023年前往月球。
2018年11月，SpaceX宣布，BFR計(jì)劃正式更名為“星艦”。這一運(yùn)輸系統(tǒng)中，第一級(jí)/助推器被稱為“超級(jí)重型”火箭，上面級(jí)/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(jìn)入現(xiàn)實(shí)。SpaceX快速地生產(chǎn)并測(cè)試了數(shù)個(gè)“星艦”原型機(jī)，甚至包括全尺寸原型機(jī)MK1。
時(shí)間回到2019年7月。SpaceX在美國(guó)得克薩斯州南部的博卡奇卡測(cè)試場(chǎng)對(duì)星艦飛船原型——“星蟲(chóng)”(Starhopper)進(jìn)行自由懸浮測(cè)試，創(chuàng)造了150米飛行高度的新紀(jì)錄。
到2019年9月末，SpaceX在發(fā)布會(huì)上展出了“星艦”上面級(jí)的全尺寸原型機(jī)MK1。這個(gè)高50米、直徑9米的巨型飛船安裝3臺(tái)“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)，飛得比“星蟲(chóng)”更高。發(fā)布會(huì)上，馬斯克說(shuō)，MK1大概會(huì)在1個(gè)月以后進(jìn)行20千米高度的試飛。
另一臺(tái)原型機(jī)MK2也在生產(chǎn)中，預(yù)計(jì)比MK1稍晚下線。MK3和MK4預(yù)計(jì)會(huì)在6個(gè)月以后建成并且進(jìn)行首次軌道飛行。MK5也在計(jì)劃中。
航天工程博士毛新愿對(duì)南方日?qǐng)?bào)記者表示，這種速度正是SpaceX的特色：通過(guò)優(yōu)秀的管理手段降低試錯(cuò)成本，實(shí)現(xiàn)技術(shù)和產(chǎn)品的快速迭代。“這確實(shí)是它的另類之處，也是它能夠擊敗眾多對(duì)手、取得現(xiàn)有成績(jī)的前提。”
全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩也表示，SpaceX多次變更“星艦”項(xiàng)目的技術(shù)參數(shù)，顯示其技術(shù)還遠(yuǎn)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(shí)踐中改進(jìn)的做法值得借鑒。
史上最多 第一級(jí)火箭有37臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)
馬斯克在SpaceX的發(fā)布會(huì)上介紹，星艦系統(tǒng)的上面級(jí)，高50米，直徑9米，干重200噸，未來(lái)有望優(yōu)化到120噸。裝有6臺(tái)“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)，近地軌道運(yùn)力最終將達(dá)到150噸;返回地球的載荷重量為50噸，推進(jìn)劑加注量1200噸。星艦的艙內(nèi)空間達(dá)1100立方米，可載運(yùn)100人。
第一級(jí)“超級(jí)重型”火箭的指標(biāo)更夸張。它的直徑達(dá)9米、高68米，裝有37臺(tái)“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)，起飛推力約7500噸，相當(dāng)于“土星五號(hào)”火箭的兩倍——“土星五號(hào)”是阿波羅載人登月計(jì)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(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)組成的第一級(jí)，也是一個(gè)紀(jì)錄。目前，SpaceX的“獵鷹重型”是現(xiàn)役世界上推力最大的運(yùn)載火箭，發(fā)射時(shí)27臺(tái)“梅林”發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)工作。
當(dāng)時(shí)，在“獵鷹重型”發(fā)射前，外界紛紛對(duì)這種“推力不夠，數(shù)量來(lái)湊”的火箭工作方式表示擔(dān)憂。27臺(tái)“梅林”發(fā)動(dòng)機(jī)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(méi)有在發(fā)射臺(tái)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(shí)候，蘇聯(lián)為了實(shí)現(xiàn)載人登月，采用了30臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)串聯(lián)工作的第一級(jí)火箭設(shè)計(jì)，但是4次發(fā)射均告失敗。
“多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)一起工作確實(shí)有風(fēng)險(xiǎn)。如果有一兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)失效且與之對(duì)稱布局的發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有順利關(guān)閉，或者是哪怕一個(gè)爆炸的話，就會(huì)摧毀整個(gè)火箭。”毛新愿說(shuō)。
“比如說(shuō)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(shí)使用這么多發(fā)動(dòng)機(jī)，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(jì)泵循環(huán)合理分配燃料的系統(tǒng)，以及這些發(fā)動(dòng)機(jī)如何開(kāi)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(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)火箭設(shè)計(jì)上顯得頗有心得。毛新愿表示，SpaceX已經(jīng)通過(guò)自己的實(shí)際例子，證明了技術(shù)的可行性。“‘獵鷹重型’火箭第一級(jí)有27臺(tái)‘梅林’發(fā)動(dòng)機(jī)，幾次發(fā)射都取得了成功。”
“SpaceX對(duì)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(dāng)一枚獵鷹火箭一級(jí)/助推器回收的過(guò)程中，并不是9臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)控制水平。”毛新愿表示，“星艦”由37臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)組成第一級(jí)比較可行，并不會(huì)成為技術(shù)瓶頸。
此外，毛新愿提到，SpaceX的設(shè)計(jì)在成本上也有優(yōu)勢(shì)。“小型發(fā)動(dòng)機(jī)可以大規(guī)模量產(chǎn)，成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于使用幾個(gè)大型發(fā)動(dòng)機(jī)。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(yuǎn)
也許我們將很快見(jiàn)到“星艦”的發(fā)射。SpaceX表示，“星艦”首飛或?qū)⒂?021年實(shí)現(xiàn)，但早期飛行將是無(wú)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(jìn)行“太空加油”。馬斯克在發(fā)布會(huì)上詳細(xì)介紹“星艦”的“軌道補(bǔ)給”計(jì)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(dāng)“加油機(jī)”，兩艘飛船會(huì)合，實(shí)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(duì)接要比現(xiàn)在“龍”飛船對(duì)接國(guó)際空間站更簡(jiǎn)單，“這是在月球或火星上建立基地的另一個(gè)關(guān)鍵。”
毛新愿評(píng)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(fù)雜;另一方面，失重環(huán)境下進(jìn)行大規(guī)模液體傳送，技術(shù)難度也很高。
不過(guò)毛新愿認(rèn)為“太空加油”對(duì)于人類“遠(yuǎn)航”的意義很重要。“實(shí)現(xiàn)‘太空加油’就意味著可以極大地降低成本。比如說(shuō)可以通過(guò)多次任務(wù)不斷地去補(bǔ)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(kāi)來(lái)，整體上降低成本，提高成功率。”
無(wú)論如何，我們距離實(shí)現(xiàn)火星登陸，恐怕還有一段不短的時(shí)間。
根據(jù)此前NASA的規(guī)劃，美國(guó)政府主導(dǎo)的載人登火星項(xiàng)目預(yù)計(jì)在21世紀(jì)30年代中期展開(kāi)，馬斯克的計(jì)劃則激進(jìn)得多，號(hào)稱2024年載人前往火星。不過(guò)鑒于SpaceX中長(zhǎng)期規(guī)劃的一貫性跳票，很少有人把2024年火星計(jì)劃當(dāng)真。
“按照現(xiàn)有的藍(lán)圖，‘星艦’離開(kāi)地球，用于比較成熟的月球探測(cè)和初步的火星探測(cè)，是沒(méi)有問(wèn)題的。”毛新愿說(shuō)，“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(gè)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(gè)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(kāi)發(fā)，甚至是在火星上生產(chǎn)火箭燃料，因?yàn)閺牡厍驇н^(guò)去是非常不現(xiàn)實(shí)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(guó)、俄羅斯、中國(guó)這些單獨(dú)一個(gè)國(guó)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(gè)宏偉計(jì)劃，但目前人類離這一步還是差很遠(yuǎn)的。”
南方日?qǐng)?bào)駐京記者 王詩(shī)堃 統(tǒng)籌策劃：張志超
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