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

不過(guò)，目前發(fā)射場(chǎng)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(shí)，我們看什么？

在原定的北京時(shí)間4月17日21時(shí)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(chǎng)的星艦系統(tǒng)發(fā)射，之后報(bào)告了超級(jí)重型助推器存在增壓?jiǎn)栴}。這是因?yàn)榈饺剂献⑷隩-40秒時(shí)一個(gè)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(shuō)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(cè)試。

2020年12月到2021年5月，SpaceX測(cè)試了星艦上層平臺(tái)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(wèn)題，也并不常見(jiàn)。這個(gè)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(jì)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(kāi)展載人登月甚至大規(guī)模載人登火星活動(dòng)，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(lái)一場(chǎng)革命性的變化。

這次計(jì)劃中的發(fā)射最大看點(diǎn)有3個(gè)：

首先，是看采用液氧甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的火箭能否獲得全球首次發(fā)射成功。此前，中國(guó)藍(lán)箭公司的朱雀二號(hào)和美國(guó)相對(duì)論空間公司的人族一號(hào)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(dòng)機(jī)的新型火箭具有無(wú)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(jí)，即超重型火箭上的33臺(tái)第二代猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)能否一起正常工作。只要有一臺(tái)發(fā)動(dòng)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(jí)裝了30臺(tái)發(fā)動(dòng)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(tái)。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(tái)。

第三，就是看世界首個(gè)采用船箭一體的創(chuàng)新設(shè)計(jì)是否可行。其第二級(jí)是星艦飛船，但裝有6臺(tái)第二代猛禽發(fā)動(dòng)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(lái)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(jí)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(hào)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(jì)，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(gè)星座，因?yàn)楂C鷹系列火箭目前尚無(wú)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(shí)星鏈衛(wèi)星每年將帶來(lái)約800億美元的收入。

星艦?zāi)苓M(jìn)行地球點(diǎn)對(duì)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(gè)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(kāi)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(dòng)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(shí)送到火星表面，成本為1000萬(wàn)美元，每公斤載荷不到100美元。馬斯克希望最后將把10萬(wàn)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(kāi)始在火星移民的夢(mèng)想。

超級(jí)強(qiáng)大而又充滿風(fēng)險(xiǎn)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(jí)的超級(jí)重型助推器高70米，配備了33臺(tái)第二代“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)，這是世界并聯(lián)發(fā)動(dòng)機(jī)最多的；作為第二級(jí)的星艦飛船高50米，配備了6臺(tái)第二代“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)，這是世界首次采用船箭一體設(shè)計(jì)。

其近地軌道運(yùn)載能力約為150噸。如果不回收第一二級(jí)，“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(hào)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(wàn)美元，而用不銹鋼薄板只需花幾十萬(wàn)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(zhǎng)時(shí)間或更復(fù)雜的任務(wù)。

它的兩級(jí)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(jí)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(wú)法可靠展開(kāi)和鎖定的潛在風(fēng)險(xiǎn)。但這對(duì)回收精度的要求極高，而且回收失敗的代價(jià)不僅僅是損失一枚芯一級(jí)，還可能搭上一座發(fā)射臺(tái)。

此次發(fā)射的星艦使用十分先進(jìn)的火箭發(fā)動(dòng)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(dòng)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(tái)第二代“猛禽”推力達(dá)230噸，33臺(tái)同時(shí)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(dòng)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(guò)俄制RD-180發(fā)動(dòng)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(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)點(diǎn)火工作，是一項(xiàng)十分復(fù)雜的技術(shù)，會(huì)產(chǎn)生巨大高頻震動(dòng)，容易影響到火箭本身；另外，由于發(fā)動(dòng)機(jī)太多，所以也容易出現(xiàn)“縱向耦合振動(dòng)”等一系列問(wèn)題。

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

對(duì)于一般火箭來(lái)說(shuō)，首飛成功入軌便可“大功告成”，但對(duì)于“一箭打天下”的星艦來(lái)說(shuō)，首飛成功只能算是“賽程過(guò)半”。此后，星艦的第二級(jí)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(gè)大考驗(yàn)，因?yàn)楹教祜w機(jī)就曾因防熱瓦多次出現(xiàn)問(wèn)題，并影響成本和發(fā)射周期。

假如接下來(lái)一切順利

星艦整個(gè)飛行過(guò)程將是這樣的：

第一級(jí)超級(jí)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(jí)重型助推器分離后，第二級(jí)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(jí)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(kāi)大片陸地，到達(dá)200多公里的預(yù)定高度。

星艦飛過(guò)大半個(gè)地球后，進(jìn)入重返大氣層階段，此時(shí)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(jì)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(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問(wèn)題，只能算部分成功。馬斯克說(shuō)成功的概率只有50%，不把發(fā)射臺(tái)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(jì)星艦今年還會(huì)發(fā)射四次，用掉美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）所要求的首年發(fā)射量上限，以便通過(guò)多次實(shí)戰(zhàn)來(lái)不斷試錯(cuò)，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(bào)道，美國(guó)今年計(jì)劃用星艦完成繞月旅游任務(wù)。

（作者系全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專家）