呼風(fēng)喚雨◇讓消費者看見品質(zhì)更好的產(chǎn)品
作者 | 張雪松
SpaceX公司老板馬斯克的獵鷹九號和獵鷹重型火箭使用液氧煤油發(fā)動機，實現(xiàn)了部分重復(fù)使用，發(fā)射價格十分低廉，在國際商業(yè)發(fā)射市場上獲得了空前的成功，馬斯克還雄心勃勃地研制新火箭，這就是跨時代的星船（Starship）。按照馬斯克的設(shè)想，星船將是人類駛向火星開展殖民的渡船，而火星上可找不到什么煤油，運輸大量的液氫當燃料更是天方夜譚，好在火星有水，同時稀薄的大氣幾乎全是二氧化碳，通過薩巴蒂爾反應(yīng)可以生成液氧和甲烷，正因為如此，馬斯克特意研制了猛禽液氧甲烷發(fā)動機，而星蟲的騰空一跳正是人類液氧甲烷發(fā)動機的首次升空。
起飛的星蟲，看到那個小點了嗎？
液氧甲烷發(fā)動機并不是新鮮事物，人類研制液體火箭發(fā)動機時幾乎嘗試了所有能用到的推進劑組合，液氧甲烷也不例外。常見的液體推進劑中，硝酸/煤油、硝酸/肼和四氧化二氮/肼等組合具有常溫下儲存使用的便利，是液體導(dǎo)彈的首選；液氧煤油組合使用也比較方便，而且比沖略高，備受液體火箭的青睞；至于氫雖然儲存和使用極為麻煩危險，但液氧液氫組合的比沖極高，也得到了廣泛應(yīng)用。
相比之下，液氧甲烷推進劑組合有些尷尬，液氧甲烷發(fā)動機的比沖只比液氧煤油略高，但遠低于液氧液氫發(fā)動機，面對液氧煤油發(fā)動機廣泛應(yīng)用的現(xiàn)實，各國航天機構(gòu)雖然開展了不少研究，但始終缺乏足夠動力將液氧甲烷發(fā)動機實用化，導(dǎo)致今天沒有一種液氧甲烷發(fā)動機用于航天發(fā)射。
三十年河?xùn)|三十年河西。隨著重復(fù)使用火箭日益熱門，對重復(fù)使用液體火箭發(fā)動機的需求也日益突出。液氧液氫發(fā)動機復(fù)用性能當然很好，但它研制使用成本太高，液氧煤油發(fā)動機則存在積碳問題，而原來地位尷尬的液氧甲烷發(fā)動機就脫穎而出了。馬斯克的火星殖民夢想，也是選擇液氧甲烷發(fā)動機的重要原因，并帶動了一大批跟風(fēng)者。此外，頁巖氣革命也是一個好消息，天然氣和甲烷的價格大幅度降低，液氧甲烷推進劑比液氧煤油還要便宜。綜合這些因素，液氧甲烷發(fā)動機一下成了航天動力的大熱門！
美國的SpaceX公司和藍色起源公司都在研制大推力液氧甲烷發(fā)動機，而我們中國也有藍箭、九州云箭和星際榮耀等公司正在研制液氧甲烷發(fā)動機，但這些發(fā)動機此前都沒有脫離試車臺。現(xiàn)在SpaceX公司星蟲試驗器的垂直起降彈跳，成為人類液氧甲烷發(fā)動機的首次升空，是液氧甲烷發(fā)動機發(fā)展史上的重要里程碑。不遠的將來，液氧甲烷發(fā)動機還會飛得更高，并用于軌道發(fā)射任務(wù)。
SpaceX公司曾研制蚱蜢（GrassHopper）垂直起降試驗器，驗證火箭垂直降落技術(shù)，為獵鷹九號火箭的成功降落奠定了扎實的基礎(chǔ)。而SpaceX公司正在研制的星船，作為新一代運載工具將取代獵鷹九號和獵鷹重型火箭。星船長度為118米，直徑高達9米，根據(jù)馬斯克推特上的最新消息，它的近地軌道理論運載能力為150噸，還可將30-40噸的貨物送入傾角27度的地球同步轉(zhuǎn)移軌道。星船不僅是運力百噸級的重型火箭，同時還追求重復(fù)使用，作為一種二級構(gòu)型完全重復(fù)使用的運載工具，其技術(shù)難度和風(fēng)險可想而知，即使獵鷹九號火箭的一級降落回收已經(jīng)司空見慣，但星船的研制仍然要充分做好驗證，這就是星蟲的由來和使命。
測試版星蟲和正式版星船一樣，都使用不銹鋼焊接制造。SpaceX公司在馬斯克領(lǐng)導(dǎo)下，在德克薩斯州的博卡奇卡（Boca Chica）發(fā)射場露天建造星蟲。2018年底露面時星蟲還被誤認為水塔，而后我們一天天看著它焊接、拼合、長高，其中還有頭錐被大風(fēng)吹掉的事故……馬斯克干脆大手一揮，試驗垂直起降的星蟲不再裝頭錐了，反正當年的兩只“蚱蜢”都從來沒有什么整流罩/頭錐。星蟲裝上頭錐高度可達約40米，直徑和星船一樣是9米，現(xiàn)在沒有頭錐它仍然是一個龐然大物，外形上完全是一只超大號的暖瓶膽。
星蟲安裝了一臺猛禽發(fā)動機，其約170噸的推力用于垂直起降試驗綽綽有余，倒是降落時需要發(fā)動機節(jié)流，而SpaceX公司在猛禽發(fā)動機身上花了很大功夫試驗深度節(jié)流能力，前不久才攻克了50%推力附近時出現(xiàn)的600赫茲振動問題，基本滿足了星蟲降落的需求。
首飛后降落的星蟲，不銹鋼外殼光亮如新
猛禽發(fā)動機
4月的首輪靜態(tài)點火
如果按照馬斯克在推特上的消息，今年4月的首輪靜態(tài)點火中，星蟲就離開了地面，但在系留狀態(tài)只抬高了幾厘米。考慮到靜態(tài)點火時間僅有2秒左右，這種非典型的“彈跳”和正常的垂直起降完全是兩回事，我們還是把7月的這次升空20米作為首次彈跳記錄好了。這么大的不銹鋼星蟲完成首次垂直起落，驗證了大尺寸不銹鋼箭體制造的可行性，也檢驗了猛禽發(fā)動機的可靠性，推力矢量控制機構(gòu)和算法也得到了驗證，為未來更高高度的彈跳以及軌道星船的研制試驗積累了經(jīng)驗和數(shù)據(jù)。
今年7月份，星蟲試驗器成功實現(xiàn)了20米高度的垂直起降試飛，但這只是日后更加頻繁的試飛的開始，試飛高度也將芝麻開花節(jié)節(jié)高。根據(jù)SpaceX公司5月份向美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）申報的資料，未來低空試飛高度可達500米，而高空可達5000米。計劃不如變化快，7月26日星蟲首次無系留升空后，馬斯克發(fā)布消息：一兩周內(nèi)將沖擊200米升空高度，這樣看來如果不出意外，星蟲很快就將飛幾百米并進一步?jīng)_擊數(shù)千米飛行高度。
對于星蟲和星船未來的研制進度，馬斯克的態(tài)度十分樂觀。他提到正在建造的原型版星船MK1也將很快進行垂直起降試飛。星船MK1將安裝3臺猛禽發(fā)動機，用于進行高空試飛，馬斯克表示未來幾個月內(nèi)它就將進行20千米高度的試飛。毫不夸張的說，如果未來幾個月甚至年底前星船MK1試驗器真的飛到20千米高空，飛向地球軌道的正式版星船就算不說一片坦途，也是曙光在前了。不過馬斯克的時間節(jié)點一向樂觀，航天迷甚至發(fā)明了“馬斯克時間”來描述他的宣傳進度和實際進度的差別，但即使研制時間加倍，這樣的效率也是讓人極為震驚的。
今年5月底，SpaceX公司CEO肖特維爾女士在麻省理工學(xué)院表示，軌道版星船有望在一年半內(nèi)首飛，換句話說，那個全復(fù)用時運載能力仍超過100噸的科幻造物，有望在2020年底時發(fā)射升空，并進入地球軌道。星船還將躋身商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場，目前已經(jīng)簽下土耳其一顆通信衛(wèi)星的發(fā)射合同，初步確定發(fā)射時間在2021年，雖然這有大馬拉小車的嫌疑，但全復(fù)用的星船綜合成本可能比獵鷹重型火箭還要低得多，有利于改善SpaceX公司的財務(wù)狀況。
星船結(jié)構(gòu)效果圖
星船未來再入圖
肖特維爾女士在麻省理工學(xué)院還提到，向火星運貨的星船將在5年內(nèi)發(fā)射。雖然新時間表比原計劃晚了兩年，不過馬斯克表示將先用星船登月，再飛向火星，看來隨著美國航天轉(zhuǎn)向載人重返月球，SpaceX公司也要用星船分一杯羹了。肖特維爾透露的星船首飛進度十分激動人心，現(xiàn)在NASA就準備在阿爾忒彌斯登月計劃中使用星船負責貨運，如果波音公司再不努力保住2020年6月的SLS首飛節(jié)點，說不定星船就要比SLS重型火箭更早發(fā)射入軌，那SLS火箭未來的命運就不好說了。
或許未來登陸月球、火星還是要靠SLS，但并不是過去燒了一百多億美元的那個SLS火箭。現(xiàn)在SLS火箭得到了美國傳統(tǒng)航天州議員的堅定支持，被戲稱為元老院發(fā)射系統(tǒng)（Senate Launch System），而7月26日星蟲首飛試驗后，SpaceX公司出現(xiàn)了Starship Launch System的叫法，縮寫也正是SLS，未來私人公司的SLS會擊敗美國國會的SLS嗎？讓我們拭目以待吧。
