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據(jù)環(huán)球網(wǎng)報(bào)道，北京時(shí)間11月18日晚21時(shí)左右，美國SpaceX（太空探索）公司的“星艦”超重型火箭點(diǎn)火升空，進(jìn)行第二次入軌級測試飛行。本次試飛計(jì)劃飛行90分鐘，“星艦”飛船首次到達(dá)了太空，但發(fā)射約10分鐘后失去了聯(lián)系，其自毀系統(tǒng)被迫觸發(fā)，試飛被宣布失敗。據(jù)CNN報(bào)道，這次比今年4月嘗試時(shí)走得更遠(yuǎn)，但不幸的是，依然沒有完成所有預(yù)定計(jì)劃，最終還是再次爆炸。4月20日，“星艦”的首次入軌級試飛中持續(xù)了3分59秒，最高飛到了39公里，但一二級未能分離，并很快失控翻滾，在地面發(fā)出自毀指令40秒后解體爆炸。自4月份首飛以來，SpaceX對星艦進(jìn)行了1000多次修改，包括用更穩(wěn)定的發(fā)動機(jī)，加固了發(fā)射臺，升級了自毀裝置，還把一二級分離從冷分離改為熱分離。

4月20日，“星艦”首次軌道級測試飛行任務(wù)。圖源：視覺中國

在劉慈欣科幻巨作《三體》中，當(dāng)今人類擁有的化學(xué)能火箭飛向深空被形容為“劃著獨(dú)木舟橫跨大洋”，是“癡人說夢”。為使未來航天走“可控核聚變無工質(zhì)推進(jìn)”之路，主角之一章北海不惜采取行動制造意外，推動了恒星級戰(zhàn)艦的誕生。這些星艦在三體文明入侵的生死關(guān)頭飛向遙遠(yuǎn)外星系，成為“星艦文明”，為地球文明保留了火種。

真實(shí)世界里的伊隆·馬斯克，就像是劃著獨(dú)木舟橫跨大洋的“癡人”。他要把化學(xué)能火箭的潛力壓榨到極致，他邀請全世界仰望星空之人和他一起大夢一場，想把人類歷史快進(jìn)到移民火星這一集。

2014年5月29日，馬斯克在位于加州霍索恩的SpaceX總部。圖源：視覺中國

而他用以實(shí)現(xiàn)“癡人夢”的“獨(dú)木舟”，被冠以“星艦”之名——在科幻世界里，這通常指穿梭于恒星系之間的飛船，是未來超級星際文明的標(biāo)志。

這枚大火箭，頂著極度高大上的名字和目標(biāo)，所用的材料和燃料卻極度接地氣——箭體是你手里的保溫杯、你家高壓鍋的304不銹鋼造的，所燒的“油”是你家煤氣灶每天在燒的甲烷。

不銹鋼造的火箭真的能為地球人叩開通向月球和火星的“星際之門”嗎？潮新聞邀請國際宇航聯(lián)空間運(yùn)輸委員會副主席楊宇光為你做一番科普。

4月10日，美國得克薩斯州博卡奇卡，星艦在發(fā)射臺上。圖源：視覺中國

不銹鋼造大火箭，可不單純是“傻大黑粗”

“不銹鋼最大的缺點(diǎn)就一個(gè)字：重。但優(yōu)點(diǎn)有很多，強(qiáng)度高，耐高溫耐低溫，而且極其便宜?！睏钣罟庹f。

根據(jù)測算，再入大氣層時(shí)星艦二子級表面有20%暴露在1470多℃高溫下，還有20%最高溫是1300多℃，其余表面最高溫低于1176℃，堪稱“鬼門關(guān)”，必須采取足夠的隔熱措施。304不銹鋼熔點(diǎn)在1398-1454℃，比目前任何主流的箭體材料都要耐高溫，“星艦”還有1.5萬多塊隔熱瓦，能經(jīng)受1648℃高溫，而不銹鋼也可以扛一扛。馬斯克本來想在“星艦”二子級上用碳纖維，但是碳纖維抗高溫不行，就大膽改成了不銹鋼。

太空里更多是極寒的環(huán)境，不銹鋼即使在零下160℃也能保持足夠的延展性和強(qiáng)度，在平均溫度零下63℃的火星表面就能游刃有余。更神奇的是，不銹鋼在低溫條件下強(qiáng)度會提高50%，甚至高于鋁鋰合金，添加鉻鎳的不銹鋼還會增加12-18%的延展性，比碳纖維還堅(jiān)固。

然后就是廉價(jià)，不銹鋼簡直太便宜了。304不銹鋼在我們生活中很常見，家里的高壓鍋、保溫杯、櫥柜……隨處可見。

2020年10月29日，金華哈爾斯工廠的工人在檢驗(yàn)產(chǎn)出的不銹鋼真空器皿。圖源：視覺中國

在馬斯克最關(guān)心的價(jià)格方面，他算過一筆賬——用碳纖維造火箭，每公斤成本超過135美元，同時(shí)碳纖維有35%的損耗，總體算起來每公斤要花200美元；用鋁合金也要每公斤三四十美元；用301不銹鋼薄板造同樣的火箭，每公斤才3美元！

這還沒完，碳纖維制造工藝復(fù)雜，技術(shù)人員每小時(shí)工資得250美元，而焊接不銹鋼板的普通焊工每小時(shí)工資不到50美元。馬斯克曾說，NASA的SLS重型火箭花費(fèi)的錢，夠“星艦”炸100次。

“不過，太重的確是個(gè)很大缺陷，因?yàn)楹娇蘸教觳牧隙甲非笠粋€(gè)‘輕’字，為減重的每一克奮斗?！睏钣罟饨榻B，“箭體太重，推力又不變，有效載荷就小了，所能帶的燃料和貨物就少了?！?/p>

因此，想要采用不銹鋼當(dāng)箭體材料，必須有前提條件?！鞍l(fā)動機(jī)必須足夠優(yōu)秀?！桥灐摹颓軮I’全流量分級燃燒循環(huán)液氧甲烷發(fā)動機(jī)，做得個(gè)子又小、推力又大、比沖又高，這些優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了不銹鋼在重量上帶來的損失。”楊宇光說。

另外一點(diǎn)，如果火箭做得特別大，也可以部分彌補(bǔ)不銹鋼太重的缺點(diǎn)。換言之，就主打一個(gè)“大力出奇跡”，這也正是“星艦”的設(shè)計(jì)思路。

不過楊宇光強(qiáng)調(diào)，我們不能單純以為“星艦”就是“傻大黑粗”，其實(shí)“星艦”的不銹鋼箭體非常有技術(shù)含量，“它做得非常薄，又大又薄又耐壓，背后的材料技術(shù)和加工水平都非常高”。

4月20日“星艦”的首次發(fā)射雖然失敗了，但在天上翻滾了好久才解體，恰恰說明其不銹鋼箭體的強(qiáng)度相當(dāng)之大。

上圖為N1火箭第一級的30臺發(fā)動機(jī)，下圖為“星艦”第一級的33臺發(fā)動機(jī)。圖源：視覺中國

選擇蘇聯(lián)登月火箭一個(gè)路數(shù)，會不會重蹈覆轍？

自從2016年“星艦”計(jì)劃披露以來，坊間便稱呼其為“史上最強(qiáng)大火箭”。它的5000噸起飛重量，大大超越了前世界冠軍美國登月火箭“土星五號”的3039噸，它的7590噸起飛推力也大大超越了前世界冠軍蘇聯(lián)登月火箭N1的4620噸。

尤其有話題性的是，“星艦”一級大膽采用33臺并聯(lián)發(fā)動機(jī)，密密麻麻簡直能引發(fā)有些人的“密集恐懼癥”。這被外界認(rèn)為是延續(xù)了半個(gè)世紀(jì)前N1的一級30臺并聯(lián)的思路。

N1可不是一個(gè)成功的榜樣，從1969年2月到1972年11月，N1火箭四射四炸黯然退場，最終蘇聯(lián)在登月競賽中落敗?！靶桥灐笔咨湟舱?，火箭也同樣失控了，不由讓人懷疑這種用數(shù)十臺并聯(lián)的技術(shù)方案有沒有前途。

事實(shí)上，蘇聯(lián)給登月火箭裝這么多發(fā)動機(jī)是出于無奈。“土星五號”采用的F1液氧煤油發(fā)動機(jī)，單臺推力高達(dá)680噸，一級只需要5臺就能發(fā)出3400噸推力。而當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)造不出那么強(qiáng)力的發(fā)動機(jī)，其NK-15發(fā)動機(jī)推力僅有154噸，為獲得4000多噸推力只得采取30臺并聯(lián)。

蘇聯(lián)N1登月火箭四射四炸黯然退場。

與蘇聯(lián)航天部門的處境類似，SpaceX設(shè)計(jì)“星艦”時(shí)，現(xiàn)有的液氧甲烷發(fā)動機(jī)推力不足，230噸推力的“猛禽II”已是全球現(xiàn)役最強(qiáng)了。

楊宇光告訴潮新聞記者，SpaceX同樣選擇多臺并聯(lián)，在一個(gè)箭體里塞進(jìn)這么多發(fā)動機(jī)，就不能像長征五號、“重型獵鷹”那樣捆綁幾個(gè)助推器，還有個(gè)重要原因，就是為了重復(fù)使用。

“馬斯克說過，無論多大的火箭，需要的控制系統(tǒng)都差不多，所以火箭越大性價(jià)比越高。一個(gè)第一級加上兩個(gè)助推器，要回收三個(gè)箭體，這樣成本比用一個(gè)大火箭高多了，過程也復(fù)雜多了，越復(fù)雜可靠性就越差?！睏钣罟饨忉屨f。

然而，“水多加面、面多加水”的邏輯并不完全適用于造火箭。

“火箭發(fā)動機(jī)的工作環(huán)境遠(yuǎn)比汽車發(fā)動機(jī)和航空發(fā)動機(jī)更惡劣，一樣重量的發(fā)動機(jī)，火箭推力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后兩者。這就不可避免地因?yàn)閯×胰紵a(chǎn)生強(qiáng)烈的振動，出現(xiàn)耦合共振現(xiàn)象。”楊宇光說。

如果幾十臺發(fā)動機(jī)裝在不同箭體上，比方說“重型獵鷹”也有27臺發(fā)動機(jī)，但它是分散在三個(gè)箭體上，每個(gè)箭體上也就9臺，再通過級間連接裝置連在一起，耦合共振沒那么嚴(yán)重?！暗绻麕资_裝在同一個(gè)箭體上，耦合就厲害得多。共振不單影響發(fā)動機(jī)，從儲箱到管路到閥門都有影響。”楊宇光分析道，N1的幾次失敗主要不是發(fā)動機(jī)出故障，而是共振導(dǎo)致管路破裂或閥門壞了?！靶桥灐?月首射時(shí)箭體冒出大量白霧，也可能是管路被震壞導(dǎo)致液氧泄露。

SpaceX“星艦”首飛時(shí)冒出白煙。圖源：視覺中國

但這不意味著“星艦”一定就會步N1的后塵。“時(shí)代畢竟不同了，當(dāng)前計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力、動力學(xué)、振動分析與控制方面的認(rèn)知是半個(gè)世紀(jì)前沒法比的?！睏钣罟馀e例說，波音公司能做到設(shè)計(jì)飛機(jī)時(shí)都不用做風(fēng)洞試驗(yàn)，完全靠數(shù)字模擬就做到很準(zhǔn)。在他看來，從理論上來說，多發(fā)動機(jī)并聯(lián)的問題可以解決。

在首發(fā)失敗后，SpaceX采取了很多改進(jìn)措施，包括噴管擺動從液壓改成了電動，因?yàn)橐簤菏軇恿W(xué)影響更大；發(fā)動機(jī)之間加了好多隔板，以隔離相互影響；還有計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬?！暗羞@些都代替不了地面試車。‘土星五號’即便只有5臺發(fā)動機(jī)，都做了全尺寸試車臺進(jìn)行地面試驗(yàn)，發(fā)射時(shí)依然出現(xiàn)了耦合共振。”

而馬斯克為了省錢，沒有建全尺寸地面試車臺，“星艦”的試車也無法達(dá)到滿功率，只有50%推力。因此問題在理論上能解決，在現(xiàn)實(shí)中能否過關(guān)，還很難講。

1983年4月5日，美國第二架“挑戰(zhàn)者”號航天飛機(jī)首航成功，這是其在發(fā)射前夕。圖源：視覺中國

普通人坐“星艦”上天，在可預(yù)見的未來還沒戲

在SpaceX的“星艦”藍(lán)圖里，未來將完全回收一二級，同時(shí)每臺發(fā)動機(jī)理論上可復(fù)用50次。最終目標(biāo)是發(fā)射成本只剩下燃料、測控維修等雜費(fèi)，將每公斤載荷發(fā)射成本降到10美元的極低水平，讓普通人都能圓太空夢。目前我們距離這一步還有多遠(yuǎn)？

楊宇光坦言：前景不明朗。他舉了航天飛機(jī)的例子，來證明“理想豐滿，現(xiàn)實(shí)骨感”。

“航天飛機(jī)就是入軌級可重復(fù)使用，但為此付出了極大的代價(jià)?！睋?jù)楊宇光介紹，航天飛機(jī)全系統(tǒng)起飛重量達(dá)2000多噸，如果是常規(guī)構(gòu)型的運(yùn)載火箭，低軌運(yùn)力至少能有六七十噸，但是航天飛機(jī)的運(yùn)力只有29噸。付出那么多代價(jià)，第一是為了能載人，第二是為了能回來，能重復(fù)使用。

為了復(fù)用，航天飛機(jī)不僅運(yùn)力損失了一多半，每次回來還都要做非常復(fù)雜的檢修，它的每塊隔熱瓦形狀都不同，難以標(biāo)準(zhǔn)化量產(chǎn)?！靶桥灐焙靡稽c(diǎn)，大多數(shù)防熱瓦形狀是一樣的，但靠近頂部以及升降翼面的防熱瓦也不一樣，要更換這些必然帶來時(shí)間和人才成本?！耙?yàn)榧夹g(shù)過于激進(jìn)，首先能不能成功還要打個(gè)問號；即便完全復(fù)用在實(shí)踐中成功了，最終是不是省錢也不好說。”

尤其是未來“星艦”要計(jì)劃載人飛行，安全將會是更大的難關(guān)。航天飛機(jī)只是載7個(gè)人，在135次飛行中就炸了兩次（1986年的“挑戰(zhàn)者”號和2003年的“哥倫比亞”號），共有14名航天員遇難。“星艦”一方面要極致地壓縮成本，另一方面要一次運(yùn)載100人，萬一發(fā)生一次嚴(yán)重事故，基本可以肯定這100人都無法生還，這對于“星艦”計(jì)劃帶來的沖擊是難以想象的。

2021年5月2日，載人“龍”飛船從國際空間站返回地球，濺落在墨西哥灣。圖源：視覺中國

載人航天的安全要求有多嚴(yán)格？楊宇光舉了個(gè)例子：SpaceX本想在載人“龍”飛船上使用火箭反推著陸，但被NASA和FAA（美國聯(lián)邦航空管理局）給否決了，還是擔(dān)心反推太不安全，要求SpaceX改回降落傘減速著陸。

“‘龍’飛船外形非常短粗，其8臺發(fā)動機(jī)只要4臺工作就能著陸，就這樣美國官方都不允許。‘星艦’二子級可比‘龍’飛船要細(xì)長得多，稍微一歪就可能倒、可能炸，風(fēng)險(xiǎn)太大，至今只成功回收過一次。不載人也就算了，載人的話，官方怎么可能開綠燈？”

楊宇光提醒說，“星艦”載人的二子級要想重復(fù)使用，其唯一的著陸方式就是火箭反推，因?yàn)槠淇罩剡_(dá)120噸，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了降落傘的承重極限。

如果管理部門不允許，那么“星艦”載人飛行也只是空中樓閣，且不說登陸和移民火星，就算載客從紐約到上海都不可能實(shí)現(xiàn)。

“星艦”二子級要比“龍”飛船細(xì)長得多。圖源：視覺中國

“星艦”更擅長繞著地球轉(zhuǎn)，而不是飛向月球火星

楊宇光進(jìn)一步指出，“星艦”事實(shí)上不太適合送人送貨月球、火星，最適合它的工作是繞著地球轉(zhuǎn)，比如發(fā)射衛(wèi)星到近地軌道。

“因?yàn)榘l(fā)射深空載荷需要更高的速度，只有級數(shù)多，速度才能加上去。比如‘土星五號’是三級火箭，N1更達(dá)到了五級；再比如，發(fā)射‘天問一號’火星探測器的長征五號基本型是兩級半，專門發(fā)射空間站的長征五號B就是一級半?！睏钣罟庹J(rèn)為，“星艦”為了百分百可重復(fù)使用，選擇了兩極構(gòu)型，對于近地軌道是合算的、高效的，但對于深空運(yùn)輸來說效率卻是極低的。

所以，“‘星艦’是人類有史以來最強(qiáng)大的火箭”這個(gè)說法在他看來是有問題的?！澳阏f它是最大最重的火箭那沒有問題，近地軌道運(yùn)力250噸它絕對是最大的，但如果是奔月軌道，‘星艦’不在軌補(bǔ)充推進(jìn)劑的話，恐怕不如‘土星五號’?！?/p>

據(jù)楊宇光透露，根據(jù)SpaceX的計(jì)劃，“星艦”從地球去火星，要先在近地軌道加注液氧甲烷推進(jìn)劑多達(dá)5次；如果是去月球，更是要補(bǔ)8-10次，因?yàn)槿ピ虑蛐枰乃俣仍隽扛蟆Ｓ脕斫o“星艦”加油的“太空加油機(jī)”每天只有1-2次發(fā)射窗口及1-2次返回窗口，整個(gè)系統(tǒng)和任務(wù)搞得過于復(fù)雜，其成本和故障率都會指數(shù)式上升。

“還有一大難題：液氧甲烷如何在軌長期儲存？雖然這比液氫容易很多，但是人類還沒有做到過，迄今液氧在外太空儲存還沒有超過一天的?！睏钣罟夥治稣f，同樣是在太空里，近地軌道的航天器能得到強(qiáng)大地球磁場的保護(hù)，而深空環(huán)境要惡劣得多，飛向深空時(shí)“星艦”肚子里大量易燃易爆的燃料會不會出狀況，誰都沒法打包票。

這場邁向“星辰大海”的遠(yuǎn)征，再壯麗再浪漫，人類也只能一步一個(gè)腳印，摸索著艱難前行。

（來源：潮新聞）