星艦：航天次時代的來臨

呂默默

近期，發(fā)生了一件在整個人類航天史上都足以稱奇的事件：一枚試驗中的火箭攜帶著宇宙飛船，在第一次發(fā)射過程中發(fā)生了故障，剛一點火就有幾臺發(fā)動機(jī)沒點著，不過還是顫顫巍巍升空了，在飛行了幾分鐘后，最終失控爆炸，一頭栽進(jìn)大海之中。但無論是火箭點火不順利時還是起飛姿勢不穩(wěn)定時，都能聽到現(xiàn)場響起工作人員的歡呼聲，并且這歡呼聲一直持續(xù)到火箭失控栽入大海之后，甚至有人開始鼓掌，還開了香檳慶祝。

在航天領(lǐng)域，從來都是慶祝發(fā)射成功的，從沒有見過一枚火箭發(fā)射失敗，工作人員反而興高采烈地舉杯慶祝。就連制造這枚火箭的Space X公司的老板埃隆·馬斯克，也在火箭發(fā)射失敗后表示了祝賀。這樣的結(jié)果一時讓人大跌眼鏡，不明所以。

但如果你知道這枚叫作“星艦”的火箭對整個航天領(lǐng)域的意義，大概也會為這次發(fā)射失敗鼓掌了。這是人類航天歷史上載重量最大的火箭與飛船合體的首次發(fā)射，如果最終試驗成功，也許會將人類太空旅游的費用減少到現(xiàn)在的1/1 000～1/200，從而徹底把人類拉進(jìn)廉價航天階段。

迄今為止最大載重量的火箭，加上低廉的運輸成本，讓大家對這次的發(fā)射測試非常關(guān)注。所以，研究人員定了一些“小目標(biāo)”，比如只要火箭順利點火，沒有炸掉發(fā)射臺，就是成功；能順利起飛，并且持續(xù)飛行，就是大成功；第一級火箭順利分離，飛船順利點火，就是超級成功；飛船順利進(jìn)入軌道，則是史無前例的成功。

如此也就不難理解，為什么發(fā)射失敗了，工作人員仍然開香檳慶祝。

不再昂貴的飛天夢

對現(xiàn)在的人類來說，飛向太空是個不大不小的夢想。不大是因為，只要你往上空飛行100 千米，過了卡門線就算進(jìn)入太空，而100 千米不算多長的距離，汽車在高速路上行駛1 個多小時就能抵達(dá)；不小是因為，在陸地上開車100 千米很簡單，燒不掉10 升汽油，用不了2 個小時，但想要擺脫地心引力，垂直上升100 千米，就是非常難的事情了。

如果你在路邊隨意找100 個路人，問他們?nèi)绮豢紤]費用，想不想去太空旅行一趟，可能會有超過九成的人說愿意。既然這么多人想去太空，為什么太空旅行產(chǎn)業(yè)沒發(fā)展起來呢？首先是因為火箭發(fā)射成功率雖然高，但是一旦發(fā)生危險，就是一個箭毀人亡的結(jié)果; 其次則是貴，如果你想乘坐火箭去往太空，買船票需要2 000 萬～4 000 萬美元，也就是1.4 億～2.8 億元人民幣。

如果Space X 公司的星艦測試成功，最終可以載人或者運送貨物進(jìn)入太空，每千克的運送成本能降低到100 美元，而傳統(tǒng)火箭運送1 千克的貨物進(jìn)入太空，則要花費20 000 美元。如此算來，如果一個人的體重是70 千克，不算太空服，只需要花7 000 美元（約合5 萬元人民幣），他就能被送入太空了，加上生命維持系統(tǒng)和系統(tǒng)性的訓(xùn)練，可能只需要不到50 萬元人民幣就能去太空旅游一次了。在星艦發(fā)射成功并商業(yè)化的未來，去太空旅行的費用只是現(xiàn)在費用的1/1 000～1/200。

這還是運人去太空，需要生命維持系統(tǒng)，需要攜帶食物和水，飛船內(nèi)的溫度也必須嚴(yán)格控制，如果只運送一些貨物，運輸成本還可以降低。

航天次時代的開創(chuàng)者——星艦

要說到人類的飛天夢，可能要追溯到人類在非洲的祖先原始人類。在數(shù)百萬年以前，原始人類在結(jié)束一天的采集狩獵、即將睡去時，一個不經(jīng)意的抬頭，看到滿天的繁星，就可能對那里產(chǎn)生了濃厚的興趣。所以說，對天空或者說太空的向往，可能早就刻在我們的基因里了。

人類一直在苦苦追尋著飛入太空的方法。直到19 世紀(jì)末，一位叫齊奧爾科夫斯基的俄國人才提出了宇宙航行和火箭推力的各種理論。雖然這位在9 歲就因病失去聽力的科學(xué)家最終沒能實現(xiàn)自己的設(shè)計，但是他的理論是對的：使用液氧和液氫做燃料的多級火箭可以到達(dá)太空。

從火箭學(xué)家羅伯特·戈達(dá)德建造的第一枚液體火箭開始，將近100年來，液體火箭仍然是火箭發(fā)射的主力，甚至連結(jié)構(gòu)都幾乎沒有大的改變。而且，火箭自問世以來一直面臨著一個巨大的矛盾：火箭必須攜帶大量的燃料，燃料燃燒后產(chǎn)生的推力最終把火箭推入太空，運送的貨物越多，火箭就越重，就需要越多的燃料。礙于這個矛盾，火箭不太可能有太大的載重量，但我們建造空間站、月球基地和火星基地，對機(jī)械、儀器的運送量是巨大的，對食物和水的需求量更是如此。如何讓火箭運送更大、更重的貨物，如何讓運費降低，就是火箭發(fā)射的主要命題了。

星艦的兩個重要優(yōu)勢幾乎就是沖著這個主要命題來的，一個是特別設(shè)計的發(fā)動機(jī)，另一個則是火箭的重復(fù)回收利用。

火箭發(fā)動機(jī)的進(jìn)步

星艦主要分成兩部分： 下邊的火箭助推器部分叫作“superheavy”，翻譯成中文就叫“超重”；上邊可以裝貨物、飛船的部分叫作“starship”，中文叫作“星艦”。為了方便記憶，人們把超重和星艦合在一起，統(tǒng)稱為“星艦”。

當(dāng)火箭點火時，靠的是一級火箭或者助推器中安裝的發(fā)動機(jī)燃燒燃料，噴出大量的火焰和氣體，利用作用力與反作用力的原理升空。所以，發(fā)動機(jī)是否靠譜就成為火箭升空的最重要因素了。隨著材料學(xué)和工程學(xué)的進(jìn)步，星艦的發(fā)動機(jī)進(jìn)行了多次重新設(shè)計和迭代，目前的發(fā)動機(jī)性能已經(jīng)超過之前所有的火箭發(fā)動機(jī)。

星艦在超重部分安裝了33 臺猛禽二代發(fā)動機(jī)，在星艦部分安裝了6 臺，一共是39 臺發(fā)動機(jī)。每臺發(fā)動機(jī)的推力大約有230 噸，不算星艦部分的發(fā)動機(jī)，單是超重部分合起來就有7 590 噸推力。這個推力夠大嗎？舉個例子，在星艦建造之前，人類性能最高的火箭還是阿波羅登月計劃使用的土星五號火箭，土星五號的推力足有3 400 噸。經(jīng)過簡單的計算就能知道，星艦的推力是土星五號的兩倍還多。

擁有這么大的推力，也就意味著可以將更重的貨物或者宇宙飛船送進(jìn)太空。如果不考慮返程，星艦一次能將大約300 噸的飛船或者貨物送進(jìn)太空。而土星五號的運載能力是140噸，目前最強(qiáng)的SLS BLOCK1B 火箭僅能將95 噸的貨物或飛船送進(jìn)太空。

300噸重的飛船或貨物是什么概念呢？一頭雄性非洲象的體重是6噸左右，星艦則一次可以將50 頭大象送進(jìn)太空。這樣恐怖的推力是不是非常驚人了？

箭身材料與燃料的進(jìn)步

要是論身材，星艦比自己的前輩們還要高那么一點兒。但要，論箭身的材料制造費用，星艦是相當(dāng)便宜的。

我們應(yīng)該都用過或者見過304 內(nèi)膽的保溫杯，這樣的杯子堅固耐用，價格也不高。假如使用這樣的材料去做火箭箭身，成本是十分低廉的。304 不銹鋼，1 千克成本才3 美元，而建造現(xiàn)代主力火箭的碳纖維復(fù)合材料就不是那么便宜了。1 千克碳纖維復(fù)合材料的成本是100 美元，是304 不銹鋼的30 多倍。而且，304 不銹鋼生產(chǎn)起來也簡單得多。

除了箭身材料有了進(jìn)步，星艦燃料的選擇也有特別之處，它選擇了液氧甲烷。

現(xiàn)在，火箭的燃料主要有4 種，分別是固體燃料、四氧化二氮/ 聯(lián)氨（胺）、液氧煤油和液氧液氮。其中，固體燃料發(fā)動機(jī)的制造是最簡單的，雖然推力并不大，但是固體燃料相對容易保存，所以常用來做火箭的“兄弟”——導(dǎo)彈的燃料。而四氧化二氮/ 聯(lián)氨（胺）點燃更方便，接觸即燃，可常溫貯存。但是由于這種燃料有劇毒且極其昂貴，所以使用越來越少了。液氧煤油是現(xiàn)在的第一性價比，但煤油的質(zhì)量要求極高，因為它的燃燒容易積碳結(jié)焦，不利于發(fā)動機(jī)的回收利用。液氧液氫燃料也是當(dāng)今火箭的主要燃料，液氧液氫燃燒生成的是水，非常環(huán)保，但缺點是這樣的發(fā)動機(jī)研發(fā)起來難度太大，燃料儲存難度也很大，因為液氫超級占地方，與液氧的溫度差距大，還要做隔熱。

星艦使用的燃料則是液氧甲烷。一方面，液氧甲烷不會像液氧煤油那樣燃燒起來有積碳結(jié)焦，發(fā)動機(jī)容易清潔維護(hù)，便于重復(fù)回收利用；另一方面，液氧和甲烷的儲存溫度/ 沸點非常接近，儲存難度遠(yuǎn)低于液氧和液氫，后者在火箭中的貯存是個極其棘手的問題。

同時，液氧甲烷發(fā)動機(jī)的建造難度相對較低，跟液氧煤油發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)相當(dāng)，幾乎可以沿用相關(guān)結(jié)構(gòu)。而且，液氧甲烷是所有火箭燃料中成本最低的。

如果我們要探索火星，在抵達(dá)火星之后肯定要返回地球。在火星上制造液氫的代價是相當(dāng)大的，但使用甲烷來做燃料，相對而言就簡單很多，可以將火星上的二氧化碳與水結(jié)合形成甲烷。而且在太陽系各大行星上，找甲烷要比找液氫容易許多，在木星、土星、天王星和海王星上更是如此。

重復(fù)使用能大幅降低成本

人類的一個夢想就是將大量的人力和機(jī)械送上太空修建空間站，送上火星修建基地，最終移民火星。這就得造載重量更大的火箭，這就會造成超高的成本。比如，目前110 米高的SLS 火箭建造、發(fā)射一次就需要22 億美元。

其實，星艦的高度也有120 米，按理說，成本也不會太便宜，但它的外殼和發(fā)動機(jī)能重復(fù)使用50 次，平攤到每一次發(fā)射中就便宜很多了。所以，星艦價格便宜的重要原因之一就是可以重復(fù)使用，這是現(xiàn)在各國絕大多數(shù)火箭做不到的。

星艦現(xiàn)在已經(jīng)可以批量化生產(chǎn)，甚至工廠每天都能造一臺猛禽發(fā)動機(jī)。隨著設(shè)計的進(jìn)步，一臺猛禽發(fā)動機(jī)的價格僅為200 萬美元，產(chǎn)生1 千牛的推力也只需要花1 000 美元，而航天飛機(jī)和SLS 火箭用的RS-25 發(fā)動機(jī)產(chǎn)生1 千牛的推力需要花掉2.5 萬美元，貴了25 倍。如今，更為先進(jìn)的猛禽二代發(fā)動機(jī)又做了精簡設(shè)計，質(zhì)量減少了400 千克，價格更是低到100 萬美元，推力達(dá)到了230 噸，加上可以復(fù)用50 次，每千牛推力成本只有8 美元。

綜上所述，推力大、易生產(chǎn)，關(guān)鍵還便宜，就是星艦的主要優(yōu)點。所以，哪怕只是沒炸掉發(fā)射臺，哪怕只飛行幾分鐘就爆炸了，都會讓人非常興奮，因為這是全民航天的第一步，雖然只是一小步，但是有可能是人類航天的一大步。

星艦的未來職業(yè)規(guī)劃

有了廉價的火箭，科學(xué)家就能做以前只能想但絕不可能實現(xiàn)的科學(xué)設(shè)計，例如天基太陽能。

在地面，太陽能發(fā)電受到陰天、下雨的影響比較嚴(yán)重，但天基太陽能不一樣，在衛(wèi)星軌道上根本不會受到天氣的影響，加上隔空輸電技術(shù)的發(fā)展，可以將大量的電能傳回地球表面，可以做到比地球上的任何發(fā)電裝置都環(huán)保。之前困擾科學(xué)家的是，發(fā)射這樣多的太陽能板和隔空輸電設(shè)施需要大量的火箭，成本要比產(chǎn)出大得多。但是有了星艦，這樣的夢想不再遙遠(yuǎn)。

同時，建造月球基地、火星基地，甚至發(fā)射大量裝置去改造火星的設(shè)想，也都不再遙不可及。

所以，不僅是星艦在發(fā)動機(jī)、可回收技術(shù)上下了功夫，中國航天也在迎頭趕上，可回收火箭技術(shù)已經(jīng)有了一些成果。相信在不遠(yuǎn)的未來，屬于中國自己的白菜價火箭也將問世，帶著我們進(jìn)入航天次時代。

（責(zé)任編輯：白玉磊）