星艦系統(tǒng)今晚又約，這次能成嗎？ 環(huán)球焦點(diǎn)

三天前，在億萬群眾圍觀之下，馬斯克的星艦系統(tǒng)首次發(fā)射搞了個最熱鬧的“放鴿子”直播。隨著時間推移，星艦系統(tǒng)又將再次吸引全世界的目光。

不過，目前發(fā)射場的狀況好像不佳，貌似大霧彌漫。SpaceX發(fā)布推文稱：“星艦團(tuán)隊(duì)將進(jìn)行推進(jìn)劑加注；團(tuán)隊(duì)正在關(guān)注天氣?！?/p>

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當(dāng)看星艦發(fā)射時，我們看什么？

在原定的北京時間4月17日21時20分起飛前不到10分鐘，SpaceX宣布取消其博卡奇卡星艦基地試驗(yàn)場的星艦系統(tǒng)發(fā)射，之后報告了超級重型助推器存在增壓問題。這是因?yàn)榈饺剂献⑷隩-40秒時一個增壓閥似乎被凍住了。結(jié)果變成了一次濕彩排。此后只能卸載燃料，至少2天后再嘗試。

此次星艦的組合，據(jù)說是在推翻了數(shù)十次方案后才最終確定的，這兩年都在不斷地調(diào)整測試。

2020年12月到2021年5月，SpaceX測試了星艦上層平臺結(jié)構(gòu)的幾種原型，星艦原型機(jī)進(jìn)行了一系列亞軌道高空試飛，結(jié)果多次爆炸，最終在2021年實(shí)現(xiàn)成功垂直著陸。

增壓閥被凍住不是什么大的技術(shù)問題，也并不常見。這個閥門是加注氦氣或者液氦的，用于火箭貯箱增壓，混入極少量水汽導(dǎo)致凍結(jié)。

這是迄今為止全球運(yùn)載能力最大、技術(shù)最先進(jìn)而且最復(fù)雜的運(yùn)載火箭和宇宙飛船的首次發(fā)射。如果發(fā)射成功，將是一次壯舉，成為馬斯克將人和貨物運(yùn)送到月球和火星的目標(biāo)的早期里程碑，這樣就可確定這種設(shè)計方案的可行性，加速星艦系統(tǒng)的研制進(jìn)度。

這種全復(fù)用超重運(yùn)載火箭投入使用后，可以改變太空探索現(xiàn)狀，低成本地把大質(zhì)量物體送入太空，包括大規(guī)模開展載人登月甚至大規(guī)模載人登火星活動，使人類的多行星存在成為可能，并為太空經(jīng)濟(jì)和太空軍事帶來一場革命性的變化。

這次計劃中的發(fā)射最大看點(diǎn)有3個：

首先，是看采用液氧甲烷火箭發(fā)動機(jī)的火箭能否獲得全球首次發(fā)射成功。此前，中國藍(lán)箭公司的朱雀二號和美國相對論空間公司的人族一號液氧甲烷火箭都發(fā)射失敗了。這種采用液氧甲烷火箭發(fā)動機(jī)的新型火箭具有無毒環(huán)保、高比沖、低成本、易于重復(fù)使用等特點(diǎn)，并可在火星上原位生產(chǎn)，滿足商業(yè)化火箭發(fā)射需求，前景十分廣闊。

其次，是看該火箭第一級，即超重型火箭上的33臺第二代猛禽發(fā)動機(jī)能否一起正常工作。只要有一臺發(fā)動機(jī)失靈，就可能導(dǎo)致火箭爆炸。此前只有蘇聯(lián)N1火箭的第一級裝了30臺發(fā)動機(jī)，但4次發(fā)射均告失敗，而且第2次發(fā)射在升空后不久就撞向了發(fā)射臺。而馬斯克最擔(dān)心的就是火箭在起飛后可能立即爆炸，損壞發(fā)射臺。

第三，就是看世界首個采用船箭一體的創(chuàng)新設(shè)計是否可行。其第二級是星艦飛船，但裝有6臺第二代猛禽發(fā)動機(jī)，所以推力很大，有一定的火箭功能。這次將試驗(yàn)它落到指定海域的能力，這可為未來回收或在地外星球著陸奠定重要基礎(chǔ)。

馬斯克打造星艦系統(tǒng)想干啥

星艦的全新概念是2017年9月由馬斯克正式公布的一種完全可重復(fù)使用的運(yùn)輸系統(tǒng)，由超級重型助推器和船箭一體的星艦飛船組成，用于大大提高人類進(jìn)入太空的能力，可以將航天員和貨物運(yùn)送到地球軌道、月球、火星等地。

星艦飛船發(fā)射成功后，最主要的目的是發(fā)射SpaceX公司的星鏈衛(wèi)星。星艦與專門用于載人登月的土星五號和“航天發(fā)射系統(tǒng)”不同。不光用于載人登月或載人登火星，星艦憑借強(qiáng)大的運(yùn)載能力和多用化設(shè)計，還可發(fā)射更重、更多的第二代星鏈衛(wèi)星，甚至一次部署一個星座，因?yàn)楂C鷹系列火箭目前尚無法大規(guī)模運(yùn)載較重的第二代星鏈衛(wèi)星。到2040年，星鏈衛(wèi)星客戶數(shù)量有望升至3.64億，屆時星鏈衛(wèi)星每年將帶來約800億美元的收入。

星艦?zāi)苓M(jìn)行地球點(diǎn)對點(diǎn)運(yùn)輸和在軌基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，如打造巨大的太空電站、太空旅館等；它可以在軌道上捕獲并維修人造衛(wèi)星，也可以帶它們返回地球，或者把它們轉(zhuǎn)移至一個新的運(yùn)行軌道。

當(dāng)然，星艦的最大亮點(diǎn)是向月球和火星運(yùn)送航天員和設(shè)備，以及更富科幻色彩的外星殖民和太空礦業(yè)開發(fā)等總體質(zhì)量巨大的航天器，并且發(fā)射成本相當(dāng)?shù)汀?/p>

馬斯克透露，一旦相關(guān)試驗(yàn)取得成功，將啟動規(guī)?；a(chǎn)，以每年建造100艘的速度，打造1000艘“星艦”組成的太空艦隊(duì)。每次發(fā)射可把100人同時送到火星表面，成本為1000萬美元，每公斤載荷不到100美元。馬斯克希望最后將把10萬人和相關(guān)物資運(yùn)送到火星，實(shí)現(xiàn)從21世紀(jì)20年代后期開始在火星移民的夢想。

超級強(qiáng)大而又充滿風(fēng)險的星艦系統(tǒng)

此次發(fā)射的星艦被稱之為最大且最強(qiáng)的，它主要體現(xiàn)在以下方面。

星艦系統(tǒng)的直徑9米，總高度約120米，這是歷史最高的運(yùn)載火箭與飛船的組合體。其中作為第一級的超級重型助推器高70米，配備了33臺第二代“猛禽”發(fā)動機(jī)，這是世界并聯(lián)發(fā)動機(jī)最多的；作為第二級的星艦飛船高50米，配備了6臺第二代“猛禽”發(fā)動機(jī)，這是世界首次采用船箭一體設(shè)計。

其近地軌道運(yùn)載能力約為150噸。如果不回收第一二級，“星艦”有效載荷運(yùn)載能力可高達(dá)250噸到300噸。所以其運(yùn)載能力是土星5號和新研制的“航天發(fā)射系統(tǒng)”的2到3倍，達(dá)到世界之最。

而且，星艦外殼采用與眾不同的不銹鋼薄板，目的是為了更便宜，如果用碳纖維材料造要花幾千萬美元，而用不銹鋼薄板只需花幾十萬美元；

星艦飛船可以在軌多次加注燃料，目的是使飛船能在太空中執(zhí)行更長時間或更復(fù)雜的任務(wù)。

它的兩級都可以實(shí)現(xiàn)垂直降落回收、重復(fù)使用，這樣可大大降低成本。其中的超級重型助推器采用新穎的“筷子”回收，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(fēng)險。但這對回收精度的要求極高，而且回收失敗的代價不僅僅是損失一枚芯一級，還可能搭上一座發(fā)射臺。

此次發(fā)射的星艦使用十分先進(jìn)的火箭發(fā)動機(jī)——第二代“猛禽”，它是SpaceX為星艦火箭研發(fā)的一種新型液氧甲烷火箭發(fā)動機(jī)，具有很高的性能，能為星艦火箭提供巨大的推力。每一臺第二代“猛禽”推力達(dá)230噸，33臺同時點(diǎn)火，總推力可達(dá)7500噸，而星艦系統(tǒng)總重量為5000多噸。

第二代“猛禽”推力從第一代“猛禽”的185噸驟升至230噸，幾乎追平了藍(lán)色起源正在研制的BE-4發(fā)動機(jī)；它的預(yù)燃室可穩(wěn)定工作在高達(dá)30兆帕的室壓下，超過俄制RD-180發(fā)動機(jī)的26.7兆帕。因此，性能十分優(yōu)異。

并聯(lián)使用這么多臺發(fā)動機(jī)同時點(diǎn)火工作，是一項(xiàng)十分復(fù)雜的技術(shù)，會產(chǎn)生巨大高頻震動，容易影響到火箭本身；另外，由于發(fā)動機(jī)太多，所以也容易出現(xiàn)“縱向耦合振動”等一系列問題。

為此，SpaceX需要攻克發(fā)動機(jī)的布置、承力結(jié)構(gòu)、熱防護(hù)、耦合振動等一系列技術(shù)難關(guān)。SpaceX已通過類似“獵鷹重型”首飛階段逐漸增加靜態(tài)點(diǎn)火發(fā)動機(jī)數(shù)量的方式，獲得了振動數(shù)據(jù)，并摸索了啟動時序，因而已基本解決這一技術(shù)難點(diǎn)，但還需要通過實(shí)際發(fā)射來檢驗(yàn)。

對于一般火箭來說，首飛成功入軌便可“大功告成”，但對于“一箭打天下”的星艦來說，首飛成功只能算是“賽程過半”。此后，星艦的第二級還需面臨再入大氣層并成功著陸回收的挑戰(zhàn)。在再入大氣層的熱防護(hù)系統(tǒng)方面，星艦像航天飛機(jī)一樣在迎風(fēng)面大面積覆蓋了防熱瓦。這是一個大考驗(yàn)，因?yàn)楹教祜w機(jī)就曾因防熱瓦多次出現(xiàn)問題，并影響成本和發(fā)射周期。

假如接下來一切順利

星艦整個飛行過程將是這樣的：

第一級超級重型助推器（又叫B7）工作3分鐘，把星艦飛船（又叫BS24）送到預(yù)定軌道高度；升空8分鐘后受控在預(yù)定的墨西哥灣海域?yàn)R落；

與超級重型助推器分離后，第二級星艦飛船點(diǎn)火繼續(xù)加速，持續(xù)向東飛，進(jìn)入大約26.36度赤道傾角的軌道級飛行狀態(tài)，飛越大西洋、非洲南部、印度洋、印尼群島、太平洋上空，盡可能避開大片陸地，到達(dá)200多公里的預(yù)定高度。

星艦飛過大半個地球后，進(jìn)入重返大氣層階段，此時將演示星艦獨(dú)特的飛行姿態(tài)：腹部拍水式俯沖、神龍擺尾等高難度操作，最終在升空90分鐘后在夏威夷群島附近海域?yàn)R落。

如果按計劃，完成上述所有預(yù)定的飛行試驗(yàn)任務(wù)，即完全成功。如果哪個環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題，只能算部分成功。馬斯克說成功的概率只有50%，不把發(fā)射臺炸毀就是成功，這是指部分成功，最多算及格吧。

如果首飛成功，預(yù)計星艦今年還會發(fā)射四次，用掉美國聯(lián)邦航空局（FAA）所要求的首年發(fā)射量上限，以便通過多次實(shí)戰(zhàn)來不斷試錯，累進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，快速打磨、迭代星艦系統(tǒng)，從而早日研制出成熟版星艦。據(jù)報道，美國今年計劃用星艦完成繞月旅游任務(wù)。

（作者系全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家）