SpaceX星舰计划拉开序幕 目标火星以及更远

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  SpaceX星舰计划拉开序幕

  目标火星,以及更远

  近日,美国太空探索技术公司(SpaceX)发布了新一代火箭的蓝图:被称为“星舰”(Starship)的下一代重型运载火箭,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)发表演讲称,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官网的说法,“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。从星舰的设计参数上,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、火箭重复使用……这些挑战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,并排显示了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月曾评论说:“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年时候,ITS就被改名为BFR(大型猎鹰火箭),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年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/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。

  时间回到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个月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:通过优秀的管理手段降低试错成本,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。”

  全国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、新方案,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”火箭的指标更夸张。它的直径达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”火箭的两倍——“土星五号”是阿波罗载人登月计划使用的火箭,是人类历史上最大推力的火箭,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,发射时27台“梅林”发动机并联工作。

  当时,在“猎鹰重型”发射前,外界纷纷对这种“推力不够,数量来凑”的火箭工作方式表示担忧。27台“梅林”发动机并联工作,飞行中可能因产生共振而爆炸,一度是该型火箭最大的技术挑战之一。马斯克本人也表示只要火箭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设计,但是4次发射均告失败。

  “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话,就会摧毁整个火箭。”毛新愿说。

  “比如说N1火箭,从理论上讲并不是完全不可行,但是关键就在于,为了同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统,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在多台发动机火箭设计上显得颇有心得。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’火箭第一级有27台‘梅林’发动机,几次发射都取得了成功。”

  “SpaceX对于火箭燃料系统的分配、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的设计在成本上也有优势。“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表示,“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。一方面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”对于人类“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,这样的话,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年载人前往火星。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,用于比较成熟的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,载人登陆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燃料,因为从地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:张志超

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