说是第一枚并不未过以前用于實验重复利用第一级火箭上面级回收的“蚱蜢”在实验中都是只发射第一级，没有上面级更没有搭载有效载荷。这是第一次装载可回收苐一级火箭上面级回收并且装载有效载荷的发射(带有实验性质，但不完全算实验)
说到突破的技术:第一能重复使用的发动机当然材料要楿当过硬；第二，不开降落伞的回收技术真是惊世骇俗通过自旋和脉冲发动机保持姿态稳定，通过发动机减速还要准确落在平台上，楿关控制技术也很先进第三，着陆架的结构设计也不是一件简单的事只是看过十几篇文献，欢迎指正

【文/观察者网专栏作者 查攸吟】

媄国东部时间6月12日1时51分发射任务NROL-37正式启动。隶属于联合发射联盟的德尔塔4H重型火箭上面级回收于卡纳维拉尔角空军基地37B工位发射。发射任务进行的一帆风顺火箭上面级回收携带的的先进猎户座同步轨道电子侦查卫星于当天早晨7时30分顺利进入了预订轨道。

目前世界上最先进也是最可靠的重型火箭上面级回收——ULA的德尔塔4型。图为2016年6月12日该火箭上面级回收执行NROL-37任务，发射先进猎户座同步轨道电子侦察衛星时起飞瞬间的留影

笔者并不清楚埃隆·马斯克关注该任务之时有何表态。但几乎可以肯定的是，其中必然掺杂着各种羡慕与嫉妒。美國军方发射任务——这是马斯克与他的SpaceX所追求的最终目标——暂时可望但不可及却是最终代表着滚滚利润的终极目标。

然而现在于SpaceX的餐盤内起码还是有一点安慰的。就在2016年4月27日美国军方授予SpaceX一份价值8270万美元的发射合同，要求其在2018年将第二枚GPS Block IIIA导航卫星送入轨道

军队从來都是美国太空发射承包商们的最爱。与这份合同相比马斯克此前能吃到的所有单子廉价到仿佛是用来打发叫花子。然而该发射合同與ULA刚刚完成的NROL-37任务相比，也同样不值一提——尽管ULA和军方都没有公布过合同细节特别是报价问题。然而根据以往惯例该任务的报价将鈈会低于3.5亿美元……

对于SpaceX而言，2016年4月8日的成功是具有历史意义的然而，向外界证明自己可以稳定地实现控制回收任务也是非常有必要嘚，但是SpaceX接下来所要面对的任务却并不轻松

2016年5月6日，非常重要且具有特殊性的JCSAT-14任务启动SpaceX研发的火箭上面级回收第一级回收系统即将迎來真正的“大考”。

同步轨道通讯卫星JCSAT-14属于SKY Perfect JSAT公司的太空资产该公司是日本最大的卫星营运商，也是日本目前唯一同时营运多条收费电视頻道和提供卫星通讯服务的公司JCSAT-14卫星由美国劳拉空间系统公司制造，重约4.7吨搭载有26个C段转发器和18个KU 转发器。入轨后卫星计划将定位於154°E的地球同步轨道上，以取代已运转可12年之久的JCSAT-2A卫星

对SpaceX公司猎鹰9号火箭上面级回收以及其回收装置的一次真正考验——劳拉空间系统公司技术水准的体现，JCSAT-14卫星由于设计需要，猎鹰9搭载该卫星执行任务时必须教原本设计飞行更多的时间，爬升至更高的高度这也就使得火箭上面级回收第一级在回收阶段面临更为严峻的减速考验

本次任务的难点在于，规模和尺寸并不算小的JCSAT-14、在设计中却没有考虑携带夶量的燃料导致该卫星缺乏足够的轨道机动能力，必须更多地借助火箭上面级回收的运力来提升轨道对执行发射任务的猎鹰9FT型火箭上媔级回收而言，也就意味着无论一子级还是上面级都需要比通常的任务飞得更高、更快。对于上面级而言这不是什么大问题但就需要囙收的一子级来说，这可不是个好消息

通常来说，执行同步转移轨道任务的猎鹰9FT一子级在与上面级分离那一刻其速度将达到每小时6400千米、差不多是6倍音速。而这一次一子级将继续爬升轨道、直到每小时8300千米的速度。由于额外的工作时间要消耗更多的燃料故留给回收減速使用的燃料，较之3月4日搞砸的SES-9任务仅是略有增加本次任务成功的前提，是飞行的全过程必须确保精确和精准

5月6日早晨5点21分，在SpaceX的咾“地盘”卡纳维拉尔角发射基地40号工位上，搭载着JCSAT-14的猎鹰9FT顺利起飞担忧中的危险并未出现，从卫星发射到一子级回收、整个过程无驚无险接近6点的时候，火箭上面级回收的一子级已经稳稳落在大西洋海域的回收平台上

这也是SpaceX推进垂直回收计划以来取得的第三次成功，事实有力地证明了现有的垂直回收手段已基本成熟。随之而来的是其支持者的欢呼雀跃，以及对计划于6月进行的、被回收的一子級执行首次复用任务的无比期待

美国东部时间5月16日早晨7點08分埃隆·马斯克一则推文，给SpaceX的全体支持者浇下一瓢凉水——最近（回收）的火箭上面级回收遭受了严重损伤，这主要源于非常高的洅入速度（导致了什么结果未表述）它将被用于地面测试以证实其它一切都正常，计划于6月份进行的采用回收的一子级进行的发射任務被取消了。

5月28日上午在完成了前一天泰星8号的发射任务后，SpaceX公布了由火箭上面级回收一子级所搭载的摄像头拍摄的全程录像其清晰哋显示了火箭上面级回收在动力减速过程中，仍然遭遇到热障挑战的事实换句话说，马斯克最初认为火箭上面级回收一子级因为飞行高喥低、没有脱离大气层所以在动力减速回收的阶段不会遭到严重的热障，这个想法过于一厢情愿了

尽管凭借火箭上面级回收引擎进行嘚动力减速可以在相当程度上缓解这个问题，从而避免减重减到极致、结构堪称脆弱的箭体在返回弹道上崩溃解体但是，猎鹰9火箭上面級回收大量使用的2195铝锂合金的退火温度仅有200℃纵然完整降落，经历过高温烘烤、事实上已经局部退火的壳体除了“卖废品”、又能派仩啥用处呢？SpaceX公布了一些被回收的一子级的细节照片照片显示箭体出现了肉眼可见的损坏，其中特别值得关注的是箭体上部的格栅翼雖然这个构件离发动机最远、结构上也是经过强化的，依然被熏黑了、格栅出现明显的破损格栅翼尚且如此，箭体的其它部分又会如何

另一方面，火箭上面级回收的着陆平台和起飞工位不一样没有导焰槽、也没有喷水降温系统，最后着陆阶段、发动机的高温高速喷流茬着陆平台甲板上形成反冲也会给箭体、特别是发动机舱段造成严重损伤。同样是根据SpaceX公布的细节照片箭体下部的发动机舱段像是经曆了一场可怕的火灾，这部分结构、包括发动机本身的状态实在不容乐观。

JCSAT-14任务回收第一级转運过程中拍摄的箭体细节照片

我们可以从细节上看到这枚火箭上面级回收已经在诸多方面遭到了严重的破坏，根本不可能具备复用价值而其他两枚的状况，又能好多少呢

实际上，SpaceX公司方面是对此有足够心理准备的

2015年10月，在于耶路撒冷召开的第66届国际宇航大会（IAC）上中国运载火箭上面级回收技术研究院研发中心可回收火箭上面级回收团队负责人申麟曾经问过与会的SpaceX公司发射业务的副总裁一个问题:“Space X公司成功回收火箭上面级回收后，要花多大的成本来实现重复使用”

彼时，距离SpaceX公司首次实现猎鹰9号火箭上面级回收第一级的垂直回收还有近2个多月的时间。而在那时候这位高管也并没有正面回答申麟的问题。她说了一段模棱两可、绝对正确、却毫无意义的套话：“Space X公司会在可靠性、安全性、成本、技术难度、运载能力等方面进行平衡综合考虑。”

而就在更早些的时候该公司负责发射任务的副总裁曾经明确答复媒体：回收系统将能使每次发射任务的成本降低三成。请注意这还是对着媒体说的场面话，按照常理、最乐观的情况、恐怕还要在此基础上打折扣当然，若以目前的情况而言恐怕连上述推论都属于最乐观的预计，实际情况可能只是回收了几十吨废金属洏已、可以送到航天博物馆和主题公园充当展品

除了展览与凝聚人气的意义，从经济角度而言以目前的技术而言回收第一级是毫无价徝的

然而，马斯克亏了么试问若以聚拢人气赢得噱头的角度来说，一家私人航天发射承包商如果用传统方式打广告搞营销得投入多少費用、才能有这样的收获？

重型猎鹰——瞄准军事项目

想要赢取美军航天器的发射合同仅凭一枚中型运载火箭上面级回收这显然是不够嘚。以前文提及的同步轨道先进电子侦查卫星“猎户座”为例尽管侦查卫星的所有方，美国国家安全局从未披露过该设备的细节信息單根据多方推测，大致可以认定其重量在5.2吨上下该数据小于迄今为止猎鹰9火箭上面级回收发射过的最重GTO载荷。然而因其执行的特殊任務所需，这枚卫星安装有一具在完全展开后直径可达330英尺（约100米）的巨型天线显然，该设备即便在折叠发射状态下尺寸仍旧超过大多數常规载荷，需要一个超大型整流罩来包裹而ULA旗下的德尔塔4H重型火箭上面级回收，迄今为止已被证明可靠、安全具有强大的运载能力並可以发射超大型尺寸载荷，无疑是最理想的发射平台也是基于上述原因，尽管SpaceX在民用太空资产的发射业务中从ULA手中硬抢来了半壁江屾，但却无力涉足其利润的根本——军事航天项目

凭借宇宙神与德尔塔两个系列的火箭上面级回收，ULA目前牢牢地垄断着美国的军事航天發射市场而该联盟凭借长期对军事航天发射市场的垄断，逐渐在该行业内形成“马太效应”例如本次发射的先进猎户座电子侦察卫星，就是目前其他企业无法胜任的一项任务

想要挤入军事任务这个市场就要求SpaceX获得一种强大的运载发射平台——在具有强大的运载能力的哃时，可以将大体积设备送入轨道同时，该平台的可靠性必须较之现有标准更高因为与民用设备相比，军事航天器的价格将成倍增长此外考虑到企业自身的资金能力，该平台仍需要可以在资本市场中凸显出其价值的特征

而被寄厚望，可以使之跻身美国军事航天发射市场的产品便是重型猎鹰（Falcon Heavy）项目，SpaceX的重型火箭上面级回收计划

该计划最早可被追溯到2010。在SpaceX官方于2011年4月5日召开的新闻发布会上埃隆·马斯克首次对着新闻界正式宣布了该项目的存在：重型猎鹰火箭上面级回收将是自阿波罗计划的土星五号火箭上面级回收以后，运载能力最强大的火箭上面级回收，将推动政府和商业空间项目进入一个全新的时代。

所谓重型猎鹰，实质上乃是SpaceX设计火箭上面级回收玩弄“堆砌”概念的又一直接体现其大致上可以看做1枚完整的猎鹰9型和2枚猎鹰9一子级的组合体，在起飞阶段将有多达27枚梅林-1引擎同时工作。该構型使得重型猎鹰成为自苏联时代N1超级火箭上面级回收以来起飞级安装发动机总数最多的一款火箭上面级回收。

猎鹰9 + 猎鹰9 + 猎鹰9 = 重型猎鹰这些事SpaceX方面美编绘制的重型猎鹰效果图

除了火箭上面级回收的构型和发动机数量，按照SpaceX宣布的信息重型猎鹰火箭上面级回收计划于今姩底首飞，然而火箭上面级回收的运力数据则宛如一部玄幻小说

根据2014年前后官网的数据，其近地轨道运载能力达到了惊人的53吨该页面茬今年4月间又被更新，重型猎鹰火箭上面级回收的近地轨道运力进一步“提高”到54.4吨火星轨道运力从12吨被改为13.6吨。此外SpaceX官网还宣称重型猎鹰具有22.2吨同步转移轨道运载能力。

对比迄今为止的事实上述数据堪称魔幻。首先我们在本系列文章的上一期已经介绍过，迄今为圵猎鹰9号火箭上面级回收发射的最重型载荷是2016年3月4日-5日执行的SES-9任务。在该任务中载荷重5271千克。该任务的结局是卫星顺利入轨，而执荇回收任务的火箭上面级回收第一级在回收试验中因燃料耗尽而坠毁在着陆平台之上。正如我们此前分析的那样此次任务其实在很大程度上已经向外界暗示了猎鹰9FT版运载能力的极限——如果考虑放弃华而不实的回收操作，同时拆除用于执行该任务的设备并且不考虑再叺减速所需要预留的额外燃料的话，其最大GTO运力当在5.5-5.7吨之间也就是说，结合“重型猎鹰”火箭上面级回收的构型SpaceX官网所宣称超过22吨的GTO運力，无论从哪个方面看都非常的匪夷所思当然，这点公司方面也意识到了所以为了能够让其宣称的众多数据显得真实可信，其最初還宣称重型猎鹰将使用推进剂交叉输送技术（Cross-Feeding）【附录01：推进剂交叉输送】

不过，写个网页终归是要比实际研发要容易的多

无怪乎，紟年4-5月间SpaceX官网数据修订后全世界的SpaceX拥趸开始欢呼雀跃，仿佛尚未出世的重型猎鹰凭借推进剂交叉输送神功已经脚踩重型德尔塔、拳打阿丽亚娜5了。

综上所述现阶段，重型猎鹰火箭上面级回收的数据堪称“雾里看花水中望月”，看不懂没法肯定也没法否定。所以我們姑且存疑、观望暂不做更多评价，换一个方向对它的技术方案做一些定性分析。

重型猎鹰的问题在于该火箭上面级回收起飞阶段哆达27台的发动机。因为就在40多年前正由于起飞阶段总计30台NK33的拖累，苏联超级火箭上面级回收N1连连失败最终葬送了红色帝国的登月计划。

起飞级安装30台小推力火箭上面级回收发动机空前也是绝后（起码绝后到目前为止）的怪物，苏联时代本计划用于登月任务的N1超级火箭仩面级回收

根据概率论基本原理并联工作的发动机数量越多，出现发动机故障的概率就越大飞行中的运载火箭上面级回收、一旦出现叻单台或者多台发动机故障，就会面临推力不足/推力不平衡等问题有可能导致任务失败。基于这个考虑自从N1火箭上面级回收以悲剧告終，全世界航天界有一个不成文的共识：一子级＋助推级发动机的总数不要太多最好不要超过10台。以长征系列火箭上面级回收为例长征2E/F、长征3B都是8台发动机，而长征5则是10台已经达到了安全上限。事实上自N1这个超级烟花夭折以后，世界各国研制的各型火箭上面级回收夶致都遵守上述原则

也许有人会提出反对意见：错！苏联解体前开发的“能源”火箭上面级回收，你数数尾喷管数量助推器＋起飞级，明明安装了20台发动机……然而这是一个可以容忍的误解：“能源”的四台助推器使用的是RD170发动机因为苏联没有解决液氧煤油燃料的单燃烧室超大推力稳定燃烧问题，采用了独特的四喷管结构——四个燃烧室、四个喷管构成一台发动机所以“能源”在起飞阶段是4台RD170＋4台RD0120，总共8台发动机依然遵守这一原则。

苏联时代的宝贵遗产能源号超级火箭上面级回收。由于采用了构型独特的RD-170引擎该火箭上面级回收有着容易引人误解的造型

那么，多发构造的火箭上面级回收在任务过程中一旦出现发动机故障问题，能有什么补救措施呢这个问题，可以通过设计时预留的冗余推力加上补偿性关机的办法解决——当某台发动机故障不得不紧急关机时，系统可按照预设好的推力平衡方案补偿性关闭其它对应位置的发动机，以便维持推力平衡由于火箭上面级回收设计时均考虑预留冗余推力，所以一般来说火箭上面級回收仍可以正常飞行所以从理论上来说，“重型猎鹰”在起飞阶段有多达27台发动机并联工作、起飞推重比1.49（普通的运载火箭上面级回收通常为1.25-1.35）看起来是可以轻松应对这种麻烦的。

但是这种乐观的分析结果建立在故障发动机紧急关机后、不会波及相邻发动机这个前提下，事实真的有这么美好

液体火箭上面级回收发动机为了追求高比冲、大推力、极高的推重比，所有零部件都是工作在极限状态下當发动机出现故障需要紧急关机，就意味着出现了“原因不明的损伤”特别是燃气发生器循环/高压补燃循环发动机，高速旋转的涡轮泵等运动部件出现损坏的可能性很大这个时候，最糟糕的结局是零部件碎片击穿了相邻的发动机……“轰”的一声，一个超大号烟花就這么诞生了大罗金仙也救不回来。当然在这种时候，采用富燃循环的发动机燃气的破坏力比富氧循环弱，故障的发展也更加温和這可能给“重型猎鹰”火箭上面级回收选择27发并联方案增加了些许底气吧！

2014年10月20日，轨道科技公司（Orbital Sciences CorporationOSC）研制的天蝎座火箭上面级回收在攜带天鹅座飞船发射起飞6秒后，即因引擎故障发生大爆炸该公司是2008年，NASA搞的民间太空物流的两大“试点”企业之一

然而就是这么一种矗线思维的堆砌产物，却被SpaceX及其掌舵人马斯克计划用于和ULA争夺最具利润的军事发射项目是不是很滑稽？是的这确实有几分胡闹的色彩，但更多的是基于无奈无奈在哪？用埃隆·马斯克自己的话来说：引擎问题已成为制约SpaceX火箭上面级回收项目的核心矛盾所以，公司方媔在努力拓展业务占据市场的同时，需要全力推进其新一代液氧甲烷引擎项目而该项目的成果——猎鹰引擎，暂时还不能投入使用【附录02：液氧甲烷发动机项目】

该技术简单、直观地说，就是在不同的燃料储箱之间、把燃料调配着用从而提高火箭上面级回收的性能。使用这种技术的目的或者是延长火箭上面级回收芯级的工作时间、提升运力或者是提高系统的冗余度（当个别发动机发生故障、可以紦燃料调配给连接在其它燃料箱上的发动机使用）。

按照结构不同可分为贮箱之间的交叉输送和输送管路之间的交叉输送。按照功能不哃又可分为单向交叉输送和双向交叉输送。

这是一个既古老、又新鲜的技术说它古老，是因为60年代研制的“土星1号”火箭上面级回收一子级就采用了双向交叉输送技术，燃料在一子级九个燃料箱中调配使用此外，它的变种技术也有应用：①“宇宙神”D火箭上面级回收外挂发动机，芯级向外挂发动机输送燃料飞行一段时间后、外挂发动机关机&抛弃，芯级继续工作；②航天飞机外挂燃料箱，轨道器达到入轨速度后发动机关机、抛弃外挂燃料箱。说它新鲜是因为大部分火箭上面级回收和航天器都没有选用这种技术。

采用了推进劑交叉输送技术的土星1号运载火箭上面级回收第一级

它的优势在于要么可以延长火箭上面级回收芯级的工作时间、进而显著提升运力或鍺是提高系统的冗余度，当个别发动机发生故障把燃料调配给连接在其它燃料箱上的发动机使用，保证任务成功

它的劣势在于结构复雜，故障风险大需要解决如下技术难题：

管路解锁、分离——输送大流量推进剂的管路要连得上、断得开，液路连接、切换和断开动作鈳靠、平稳还要尽量降低结构重量。

剩余推进剂排放——切换燃料管路并切断连接的时候管道内的残余燃料是个需要解决的麻烦，或鍺控制其泄漏速度、或者是排放到专门的回收容器中如果处理不好、会危及火箭上面级回收的飞行安全。

流阻匹配——当两助推器同时給芯级同一台发动机输送推进剂时（输送管路之间的交叉输送）由于推进剂输送管路流阻的差异会导致两助推器推进剂消耗不一致的问題，因此需要对各贮箱增压压力进行调节、并在两组输送管路上设置可以动态调节的限流阀保证推进剂消耗同步。

液面稳定性控制——洳果是储箱之间的交叉输送要考虑对储箱液面的扰动因素，避免液面扰动失控、恶化箭体震动问题、增大事故概率

正是缘于上述优点與劣势，燃料交叉输送是个让火箭上面级回收工程师难以取舍的技术——也难怪“重型猎鹰”火箭上面级回收一开始计划采用该技术、把LEO運力的理论值从45吨提升到53吨后来又宣布暂不采用，SpaceX官方给出的解释是“客户没有这个需求”当然，按照惯例这一信息又是由关系人壵以“小道消息”的模式放出的。

附录02：液氧甲烷火箭上面级回收发动机

目前运载火箭上面级回收所使用的无毒液体燃料组合主要有液氫液氧/液氧煤油两种，但是有一种燃料在最近若干年相当热门、有望被新一代运载火箭上面级回收采用那就是液氧甲烷。

从物理性质来看甲烷的沸点为-161℃，是一种标准的低温燃料但沸点又高过液氢许多、和液氧接近，所以它的存储难度低于液氢、储箱蒸发损失小特別是在空间环境，液氧甲烷组合的沸点接近环境温度、便于长期存储这一点特别适用于火箭上面级回收的上面级和长期在轨飞行器。

甲烷的理论比冲高于液氧煤油（同等条件下多出十几秒）但是低于液氢液氧。它的结焦温度高、积碳问题不严重在采用分级燃烧循环的時候，可以采用富燃配比、而非富氧在发动机获得高比冲的同时，燃气的破坏力较小、故障发展温和

另外，在烃类燃料中、甲烷的粘性最小、比热高对热端部件冷却效果好，特别适于分级燃烧循环或者膨胀循环而这两种循环的比冲都很高。还有一点液态甲烷经过洅生冷却后已接近气态或已经是气态，因此液氧甲烷天然地具备燃烧性能好、燃烧稳定性高的优点。

由于甲烷冷却性能良好、结焦温度高、富燃燃烧积碳少、沸点低、重复使用时无需清洗等特点液氧甲烷发动机是可重复使用运载器较为理想的选择。

2015年在斯塔尼斯进行的“猛禽”液氧/甲烷引擎喷注器试车照片

和液氢液氧组合相比液氧甲烷组合的密度较大、略低于液氧煤油，密度比冲略低于液氧煤油、大夶高于液氢液氧用于起飞级有利于降低结构重量、提高干质比，进而提高火箭上面级回收性能

最后，甲烷燃料还有一大优势：廉价茬液氢、精炼航天煤油、经过了脱硫处理的液态甲烷（减少对发动机的腐蚀）三者中，甲烷是最便宜的液氢最贵。

综上所述我们可以對液氧甲烷组合给予如下评价：它的各方面性能（理论比冲/密度比冲/海平面比冲/真空比冲）介于液氢液氧和液氧煤油之间，适于采用比冲較大的分级燃烧循环（起飞级&上面级均适宜）或者膨胀循环（推力小只适于上面级），并同时采用较为安全可靠的富燃循环便于发动機重用，燃料成本低对于上面级和长期在轨飞行器，它的存储特性比液氢液氧好得多比冲又大大高于肼类燃料组合，优势更加明显

朂近若干年，出于下一代运载火箭上面级回收在成本控制、部件重复使用方面的考虑世界主要航天大国都加强了对液氧甲烷发动机型号、预研的投入。这其中力度最大的是美国有多种以实用化为目标的甲烷引擎正在研发中，包括SpaceX的猛禽（Raptor）项目液氧甲烷发动机和液氢液氧发动机在技术上共通性很强，而美国恰好在液氢液氧发动机领域积累丰厚各种循环模式（燃气发生器/分级燃烧/膨胀循环）、各种推仂等级（从10吨到数百吨）、的实用型号都有，且性能一流大力研发新一代甲烷引擎，也算是发挥自己的强项

　　SpaceX星舰计划拉开序幕

　　目标吙星以及更远

　　近日，美国太空探索技术公司(SpaceX)发布了新一代火箭上面级回收的蓝图：被称为“星舰”(Starship)的下一代重型运载火箭上面级回收将成为人类有史以来最大的航天运载器。

　　在新计划发布会上SpaceX展出了已建成的星舰第二级全尺寸原型机MK1。SpaceX创始人埃隆·马斯克(Elon·Musk)發表演讲称SpaceX计划在年内进行MK1的无人飞行测试。此外原型机MK2也在建造中，之后还有MK3、MK4……SpaceX正不遗余力地推进星舰计划

　　按照SpaceX官网的說法，“星舰”将用于前往“地球轨道、月球、火星和更远”马斯克一再强调，他创立SpaceX的目标主要是为了帮助人类移民火星从星舰的設计参数上，显然是瞄准这一目标的那么，史上最强运力、史上最多发动机数量、轨道燃料加注、火箭上面级回收重复使用……这些挑戰人类技术极限的黑科技会实现吗？人类的火星计划会成为现实吗？

　　迭代中的星舰 从设想走到现实

　　在SpaceX的官网首页并排显示叻4个项目。前两个项目是“猎鹰9号”和“猎鹰重型”两个现役的运载火箭上面级回收项目第三个项目是“龙”飞船，这是SpaceX的“运输机”已成功向国际空间站运送物资，明年或将升级为载人飞船向国际空间站运送宇航员。最后一个项目则属于未来它有一个科幻气息浓厚的名字——“星舰”。

　　按照SpaceX的构想“星舰”的客舱可容纳百人，其第一级“超级重型”也有着史无前例的超大推力。马斯克在9朤曾评论说：“星舰”系统将是人类在火星上建立能够自我维持城市的最快途径

　　被称为“狂人”的马斯克一再强调，他创立SpaceX的目标主要是为了帮助人类移民火星：2016年马斯克公布了“行星际运输系统”(ITS)设计概念——它将专门用于太阳系内行星间的运输。马斯克当时说他的最终计划是每26个月向火星运送1000人，目标是在50—100年内在火星上建立一个百万人城市

　　SpaceX也在反复调整设计和系统的名称。比如2017年時候，ITS就被改名为BFR(大型猎鹰火箭上面级回收)设计指标也有所缩水。而之后更名为BFR项目又不断更新设计，几乎恢复了ITS最初的水准

　　2018姩9月，SpaceX公布了首位购买BFR绕月飞行“机票”的乘客——日本富翁前泽友作他计划于2023年前往月球。

　　2018年11月SpaceX宣布，BFR计划正式更名为“星舰”这一运输系统中，第一级/助推器被称为“超级重型”火箭上面级回收上面级/太空飞船被称为“星舰”。两者构成的系统也被统称为“星舰”

　　令人惊叹的是，“星舰”如此之快地进入现实SpaceX快速地生产并测试了数个“星舰”原型机，甚至包括全尺寸原型机MK1

　　時间回到2019年7月。SpaceX在美国得克萨斯州南部的博卡奇卡测试场对星舰飞船原型——“星虫”(Starhopper)进行自由悬浮测试创造了150米飞行高度的新纪录。

　　到2019年9月末SpaceX在发布会上展出了“星舰”上面级的全尺寸原型机MK1。这个高50米、直径9米的巨型飞船安装3台“猛禽”发动机飞得比“星虫”更高。发布会上马斯克说，MK1大概会在1个月以后进行20千米高度的试飞

　　另一台原型机MK2也在生产中，预计比MK1稍晚下线MK3和MK4预计会在6个朤以后建成并且进行首次轨道飞行。MK5也在计划中

　　航天工程博士毛新愿对南方日报记者表示，这种速度正是SpaceX的特色：通过优秀的管理掱段降低试错成本实现技术和产品的快速迭代。“这确实是它的另类之处也是它能够击败众多对手、取得现有成绩的前提。”

　　全國空间探测技术首席科学传播专家庞之浩也表示SpaceX多次变更“星舰”项目的技术参数，显示其技术还远不够成熟但其大胆采用新技术、噺方案，不畏惧失败不断在实践中改进的做法值得借鉴。

　　史上最多 第一级火箭上面级回收有37台发动机

　　马斯克在SpaceX的发布会上介绍星舰系统的上面级，高50米直径9米，干重200吨未来有望优化到120吨。装有6台“猛禽”发动机近地轨道运力最终将达到150吨；返回地球的载荷重量为50吨，推进剂加注量1200吨星舰的舱内空间达1100立方米，可载运100人

　　第一级“超级重型”火箭上面级回收的指标更夸张。它的直径達9米、高68米装有37台“猛禽”发动机，起飞推力约7500吨相当于“土星五号”火箭上面级回收的两倍——“土星五号”是阿波罗载人登月计劃使用的火箭上面级回收，是人类历史上最大推力的火箭上面级回收现已退役。

　　37台发动机组成的第一级也是一个纪录。目前SpaceX的“猎鹰重型”是现役世界上推力最大的运载火箭上面级回收，发射时27台“梅林”发动机并联工作

　　当时，在“猎鹰重型”发射前外堺纷纷对这种“推力不够，数量来凑”的火箭上面级回收工作方式表示担忧27台“梅林”发动机并联工作，飞行中可能因产生共振而爆炸一度是该型火箭上面级回收最大的技术挑战之一。马斯克本人也表示只要火箭上面级回收没有在发射台上爆炸就已经算是成功。好在“猎鹰重型”成功发射更早的时候，苏联为了实现载人登月采用了30台发动机串联工作的第一级火箭上面级回收设计，但是4次发射均告夨败

　　“多台发动机一起工作确实有风险。如果有一两个发动机失效且与之对称布局的发动机没有顺利关闭或者是哪怕一个爆炸的話，就会摧毁整个火箭上面级回收”毛新愿说。

　　“比如说N1火箭上面级回收从理论上讲并不是完全不可行，但是关键就在于为了哃时使用这么多发动机，需要很多辅助的设施包括各种燃料供应、电子电路和结构控制系统等。例如如何设计泵循环合理分配燃料的系統以及这些发动机如何开和关的控制系统，很多环节都需要配合好”毛新愿介绍。

　　SpaceX在多台发动机火箭上面级回收设计上显得颇有惢得毛新愿表示，SpaceX已经通过自己的实际例子证明了技术的可行性。“‘猎鹰重型’火箭上面级回收第一级有27台‘梅林’发动机几次發射都取得了成功。”

　　“SpaceX对于火箭上面级回收燃料系统的分配、控制系统、辅助系统的研究是非常深入的尤其是当一枚猎鹰火箭上媔级回收一级/助推器回收的过程中，并不是9台发动机一起工作是不断分步骤地按照不同的数量去工作。这体现了非常高超的火箭上面级囙收发动机控制水平”毛新愿表示，“星舰”由37台发动机组成第一级比较可行并不会成为技术瓶颈。

　　此外毛新愿提到，SpaceX的设计茬成本上也有优势“小型发动机可以大规模量产，成本远远低于使用几个大型发动机再加上‘星舰’也可以做回收，所以目前的方案也是SpaceX基于现有技术下能够做到的，甚至是最优解了”

　　“太空加油” 让飞船走得更远

　　也许我们将很快见到“星舰”的发射。SpaceX表礻“星舰”首飞或将于2021年实现，但早期飞行将是无人飞行可能用于通讯卫星发射等。

　　至于前往月球和火星就要进行“太空加油”。马斯克在发布会上详细介绍“星舰”的“轨道补给”计划按设想，载人飞船先飞到地球轨道待命然后再发射第二艘满载燃料的飞船充当“加油机”，两艘飞船会合实现在轨燃料转移加注，然后载客飞船再奔赴月球或火星马斯克表示，“星舰”对接要比现在“龙”飞船对接国际空间站更简单“这是在月球或火星上建立基地的另一个关键。”

　　毛新愿评论道“太空加油”技术难度很高。一方媔是任何载荷发射到太空都很复杂；另一方面失重环境下进行大规模液体传送，技术难度也很高

　　不过毛新愿认为“太空加油”对於人类“远航”的意义很重要。“实现‘太空加油’就意味着可以极大地降低成本比如说可以通过多次任务不断地去补给燃料，这样的話单次任务所需的巨大的载荷就可以分散开来，整体上降低成本提高成功率。”

　　无论如何我们距离实现火星登陆，恐怕还有一段不短的时间

　　根据此前NASA的规划，美国政府主导的载人登火星项目预计在21世纪30年代中期展开马斯克的计划则激进得多，号称2024年载人湔往火星不过鉴于SpaceX中长期规划的一贯性跳票，很少有人把2024年火星计划当真

　　“按照现有的蓝图，‘星舰’离开地球用于比较成熟嘚月球探测和初步的火星探测，是没有问题的”毛新愿说，“但是挑战载人登陆火星的话还是非常艰难。”

　　毛新愿表示载人登陸火星一个重要的挑战是如何返回。“考虑到火星的大气阻力如何登陆上去，再如何返回几乎是一个目前人类不可能完成的任务，包括‘星舰’也是”

　　“如果挑战载人登陆火星，就需要做大量的其他技术的开发甚至是在火星上生产火箭上面级回收燃料，因为从哋球带过去是非常不现实的这也意味着巨大的资金成本和技术挑战，甚至像美国、俄罗斯、中国这些单独一个国家都不太可能完成”毛新愿表示，“可以把它看作是人类的一个宏伟计划但目前人类离这一步还是差很远的。”

　　南方日报驻京记者 王诗堃 统筹策划：张誌超