近日，美國太空探索技術公司(SpaceX)發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創始人埃隆·馬斯克(Elon·Musk)發表演講稱，SpaceX計劃在年內進行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，他創立SpaceX的目標主要是為了幫助人類移民火星。從星艦的設計參數上，顯然是瞄準這一目標的。那么，史上最強運力、史上最多發動機數量、軌道燃料加注、火箭重復使用……這些挑戰人類技術極限的黑科技，會實現嗎?人類的火星計劃，會成為現實嗎?
迭代中的星艦 從設想走到現實
在SpaceX的官網首頁，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，明年或將升級為載人飛船，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，他創立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”(ITS)設計概念——它將專門用于太陽系內行星間的運輸。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年內在火星上建立一個百萬人城市。
SpaceX也在反復調整設計和系統的名稱。比如，2017年時候，ITS就被改名為BFR(大型獵鷹火箭)，設計指標也有所縮水。而之后，更名為BFR項目又不斷更新設計，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”。兩者構成的系統也被統稱為“星艦”。
令人驚嘆的是，“星艦”如此之快地進入現實。SpaceX快速地生產并測試了數個“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，創造了150米飛行高度的新紀錄。
到2019年9月末，SpaceX在發布會上展出了“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”發動機，飛得比“星蟲”更高。發布會上，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：通過優秀的管理手段降低試錯成本，實現技術和產品的快速迭代。“這確實是它的另類之處，也是它能夠擊敗眾多對手、取得現有成績的前提。”
全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩也表示，SpaceX多次變更“星艦”項目的技術參數，顯示其技術還遠不夠成熟，但其大膽采用新技術、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臺發動機
馬斯克在SpaceX的發布會上介紹，星艦系統的上面級，高50米，直徑9米，干重200噸，未來有望優化到120噸。裝有6臺“猛禽”發動機，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，現已退役。
37臺發動機組成的第一級，也是一個紀錄。目前，SpaceX的“獵鷹重型”是現役世界上推力最大的運載火箭，發射時27臺“梅林”發動機并聯工作。
當時，在“獵鷹重型”發射前，外界紛紛對這種“推力不夠，數量來湊”的火箭工作方式表示擔憂。27臺“梅林”發動機并聯工作，飛行中可能因產生共振而爆炸，一度是該型火箭最大的技術挑戰之一。馬斯克本人也表示只要火箭沒有在發射臺上爆炸，就已經算是成功。好在“獵鷹重型”成功發射。更早的時候，蘇聯為了實現載人登月，采用了30臺發動機串聯工作的第一級火箭設計，但是4次發射均告失敗。
“多臺發動機一起工作確實有風險。如果有一兩個發動機失效且與之對稱布局的發動機沒有順利關閉，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，但是關鍵就在于，為了同時使用這么多發動機，需要很多輔助的設施，包括各種燃料供應、電子電路和結構控制系統等。例如如何設計泵循環合理分配燃料的系統，以及這些發動機如何開和關的控制系統，很多環節都需要配合好。”毛新愿介紹。
SpaceX在多臺發動機火箭設計上顯得頗有心得。毛新愿表示，SpaceX已經通過自己的實際例子，證明了技術的可行性。“‘獵鷹重型’火箭第一級有27臺‘梅林’發動機，幾次發射都取得了成功。”
“SpaceX對于火箭燃料系統的分配、控制系統、輔助系統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臺發動機一起工作，是不斷分步驟地按照不同的數量去工作。這體現了非常高超的火箭發動機控制水平。”毛新愿表示，“星艦”由37臺發動機組成第一級比較可行，并不會成為技術瓶頸。
此外，毛新愿提到，SpaceX的設計在成本上也有優勢。“小型發動機可以大規模量產，成本遠遠低于使用幾個大型發動機。再加上‘星艦’也可以做回收，所以目前的方案，也是SpaceX基于現有技術下能夠做到的，甚至是最優解了。”
“太空加油” 讓飛船走得更遠
也許我們將很快見到“星艦”的發射。SpaceX表示，“星艦”首飛或將于2021年實現，但早期飛行將是無人飛行，可能用于通訊衛星發射等。
至于前往月球和火星，就要進行“太空加油”。馬斯克在發布會上詳細介紹“星艦”的“軌道補給”計劃。按設想，載人飛船先飛到地球軌道待命，然后再發射第二艘滿載燃料的飛船充當“加油機”，兩艘飛船會合，實現在軌燃料轉移加注，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鍵。”
毛新愿評論道，“太空加油”技術難度很高。一方面是任何載荷發射到太空都很復雜;另一方面，失重環境下進行大規模液體傳送，技術難度也很高。
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‘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不斷地去補給燃料，這樣的話，單次任務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，我們距離實現火星登陸，恐怕還有一段不短的時間。
根據此前NASA的規劃，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中長期規劃的一貫性跳票，很少有人把2024年火星計劃當真。
“按照現有的藍圖，‘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，包括‘星艦’也是。”
“如果挑戰載人登陸火星，就需要做大量的其他技術的開發，甚至是在火星上生產火箭燃料，因為從地球帶過去是非常不現實的。這也意味著巨大的資金成本和技術挑戰，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 統籌策劃：張志超
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責任編輯：Rex_01
