以成敗論馬斯克星艦是最無聊的事情
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發布 : 04-30
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2023年4月20日，美國太空探索技術公司SpaceX推出的巨型運載火箭“超重-星艦”（下稱星艦）首次發射。火箭成功起飛，但遺憾的是，3分鐘后，當火箭上升到36公里高度時，發生失控爆炸，未能進入軌道。對這同一個清晰、簡單的客觀事實，不同的人群給出了不同甚至截然相反的看法和評價。有人認為，星艦失控爆炸是一個重大的失敗，損失慘重；也有人認為，星艦飛行到了數十公里高度，獲得了后續發展需要的飛行數據，這是探索太空、發展火箭技術的必經之路，某種意義上也是一次成功的失敗。拋卻主觀判斷，實際上，我們更應該關心的是：如何科學、理性地分析星艦失控爆炸？如果星艦研發成功，將有哪些重要的應用前景？中國是否需要發展像星艦一樣的大推力運載火箭？是否應采用數十臺同樣的發動機并聯的方案？從星艦的首發中我們能得到哪些啟示？4月20日，星艦發射后發生爆炸。圖/視覺中國分析星艦首飛背后的數據和現象 意義重大星艦整體為兩級構型火箭，一級火箭名為“超重助推器”，二級火箭名為“星艦”。火箭全長約120米，箭體直徑9米，起飛質量5000噸。最新的設計指標為，重復使用狀態下近地軌道（LEO）運載能力150噸，可運送50噸載荷返回地球，一次性使用狀態下LEO運載能力250噸，大大超過土星5號近地軌道140噸的運載能力。一級火箭通過懸停的方式回收到發射塔，二級火箭在氣動阻力和自身動力控制作用下，垂直著陸到指定地點，實現火箭整體的完全可重復使用。一級火箭又名“超重助推器”，安裝33臺猛禽液氧甲烷發動機，起飛推力超過7000噸。二級火箭安裝6臺猛禽液氧甲烷發動機。全箭主體結構采用不銹鋼，二級火箭設有前部鴨翼和尾部氣動舵，用于地球大氣層再入時進行氣動控制。4月20日，星艦首次發射，起飛后，一級火箭的33臺猛禽發動機中，有3臺沒能成功點火（2臺位于外環，1臺位于中心部位），30臺發動機點火成功，持續發力。起飛40秒后，第4臺發動機失效。61秒時，第5臺發動機失效。100秒時，第6臺發動機失效。111秒時，熄火的第6臺發動機再次成功點火。之后，火箭尾焰開始呈現不對稱燃燒狀態。140秒時，箭體異常旋轉，速度加快，火箭開始翻滾失控。起飛239秒后，火箭在空中發生爆炸。在飛行終止之前，一級和二級火箭未能分離。認真分析星艦飛行過程中的這些數據和現象，發現其背后的原因，比簡單爭論發射失敗還是成功更有意義。飛行過程中最重要的現象，是一級火箭的多臺發動機不斷失效關機。發動機為什么會失效？這次發射測試能否明確發動機失效的具體原因？后續還需要進行哪些優化改進，才能確保發動機不再失效？回答這些問題，是觀察星艦首發的正確態度。星艦首發時發動機失效是本身質量不可靠導致的？還是火箭起飛時，發動機被地面的水泥碎片崩壞的？或是發動機之間、箭體結構、輸送管路、發動機內部振動等因素，導致全箭耦合振動，造成了發動機失效。回答這些問題，需要更多的數據和證據，才能進一步做出判斷。星艦首發到底算是成功還是失敗，只是主觀臆斷的觀點之爭，既缺乏證據支撐，也無法對我國火箭未來的發展方向提供有價值的信息。星艦研制用到的系統工程方法，值得重視和借鑒傳統的火箭系統工程強調原型試驗之前的設計，在前期設計中暴露和發現盡可能多的風險，以降低項目的總體成本。新設計的火箭首飛可以看成是第一次原型測試。傳統的火箭系統工程方法的設計目標是首飛即成功，也就是我們常說的“一次成功”，期望火箭飛行成功前，只需要經歷一次“目標計劃、設計、生產制造、測試”流程。隨著技術的發展進步，這種傳統的火箭系統工程表現出了過度的“前期設計”與過少的原型試驗，存在明顯的不足。星艦在研制過程中，借鑒互聯網行業常用的軟件系統工程方法，快速推出第一版原型，測試獲得經驗后，多輪次迭代，也就進行了多輪次的原型測試。這種系統工程方法，并不追求“一次成功”，而是經歷多輪次的“目標計劃、設計、生產制造、測試”流程。火箭在成功飛行、確定最終設計參數前，經過多輪次完整的火箭飛行測試并加以改進。星艦研發團隊認為，這種新的系統工程方法，可以降低新型火箭的研制和開發成本。不僅如此，還可以在每次火箭發射后，對火箭進行優化改進。例如，同樣是獵鷹9號火箭，當前的全推力版本火箭的運載能力，比早期版本提升了一倍以上，這就是多輪次迭代的結果。根據這兩種不同的系統工程方法的特征，我們把SpaceX的新系統工程方法稱為頂層需求優先的迭代型系統工程。而傳統的火箭系統工程方法強調需求分解，分層次測試，發射成功后技術狀態就固定了。以星艦研制為例，SpaceX的目標是開發一款超大運載能力（近地軌道150噸）、一二級火箭都可重復使用的運載火箭。第一輪次的頂層需求，是運載火箭起飛重量達到5000噸，并實現完全可重復使用。然后，明確關鍵的設計參數即單臺液氧/甲烷發動機的推力達到230噸，使用直徑9米的不銹鋼貯箱結構，一級火箭使用33臺發動機，二級火箭使用6臺發動機，使用防熱瓦解決再入地球大氣層的防熱問題，采用氣動翼型進行減速，實現火箭完全重復使用。在單臺發動機測試滿足頂層需求（推力）和星艦起跳飛行試驗成功后，馬上開始第一次全箭原型入軌飛行測試。4月20日的星艦首飛是一次發射測試，雖然多臺發動機沒有啟動或中途失效，但可以獲取關鍵數據進行分析改進，短期內再次進行全箭飛行測試，直到成功。而且，即便星艦入軌成功并實現完全可重復使用，但最初的目標計劃還沒有完全實現，也就是近地軌道運載能力150噸的目標。需要對發動機、貯箱結構、飛行過程控制等進行優化設計，減輕發動機和貯箱結構的重量，逐步提高運載能力，實現下一層次的需求。星艦首飛反映了航天發展的新時代和新需求隨著探月工程完成繞、落、回三步走，中國空間站建成，天問一號火星探測任務成功實施，北斗導航衛星星座成功部署，中國開始進入了大規模開發和利用太空的新航天時代。新航天時代的目標更加遠大，載人月球探測、大規模星座部署、人員物資的全球1小時部署、超大型載荷和空間設施發射，太陽系邊際探測、地月空間開發等，都成為航天事業發展的新目標。火箭的運載能力有多大，航天的舞臺就有多大。發展運載能力更大的火箭，是航天事業新時代的必然選擇。越大的火箭，不僅發射的載荷越重，體積尺寸也越大。同時，由于大火箭和小火箭使用的元器件數量基本相同，但運載能力更大，將使得單次發射的單位成本越低。除了成敗之爭，我們更關心的是，如果星艦將來試驗成功，它將有哪些重要的應用前景。首先，在星艦的基礎上太空探索技術公司將發展登月版星艦，成為美國阿爾忒彌斯載人登月計劃的一部分。宇航員將乘坐獵戶座飛船，先由太空發射系統（SLS）發射到月球軌道，然后采用登月版星艦將宇航員從月球軌道帶到月球表面著陸，宇航員完成月表停留任務后，再次乘坐登月版星艦上升到月球軌道。然后，宇航員轉移到獵戶座飛船，并返回地球。按計劃，這一任務將在2025年實現。但實現這一目標，依然面臨重重挑戰。第二個應用場景，是用于星鏈衛星星座的快速部署，降低發射成本。星鏈需要發射和部署數萬顆衛星，現在發射使用的是獵鷹9號火箭，成本還不夠低。而星艦的運載能力，接近獵鷹9號火箭的10倍，有望進一步降低成本。第三，可以用星艦發射超大型的航天器和太空基礎設施。例如，美國宇航局戈達德太空飛行中心就提出使用星艦發射下一代大型太空望遠鏡——LUVOIR。最后，在軍事方面，SpaceX已經得到美國空軍價值超過1億美元的“火箭貨運”合同，旨在驗證利用重型的重復使用火箭，實現100噸級軍用物資的全球1小時快速投送能力。該能力將對作戰后勤補給產生顛覆性影響，在快速響應運輸、應對突發事件、長期在軌駐留等方面具有廣闊的應用前景。星艦廣闊和重要的應用前景，意味著中國下一步必然要發展類似的超重型運載火箭。星艦發射的成敗之爭，反映出進入新的航天時代后，中國的航天事業將有更加遠大的目標。而這正是廣大社會公眾非常關注星艦首飛的原因——希望在新的航天時代，中國的運載火箭技術不落后于世界領先水平。星艦可重復使用，不一定能降低發射成本火箭回收并重復使用，降低有效載荷進入太空成本，這一邏輯鏈條很簡單，是公眾最容易了解和觀察到的。而這將使我們容易忽略降低發射成本的其他因素。以獵鷹9號火箭為例，僅600噸的起飛規模，運載系數（有效載荷重量占火箭起飛總重量的比例）接近4％，達到世界領先。在獵鷹9號全推力版本之前，還有個1.1版，起飛重量513噸，運力僅10噸，總的發射報價與現在的全推力版本接近，意味著每公斤載荷的發射成本降低了50％以上。在工業上，通過大規模流水線生產，實現規模效應，降低單位產品的生產成本，已經成為常識。太空探索技術公司通過發展星鏈衛星計劃，使獵鷹9號火箭每年發射數十次，每發火箭使用10臺主發動機，采用相同的生產線來生產，不僅質量更穩定，還產生了規模效應，降低了成本。高運載系數和規模化生產，加上獵鷹9號一級火箭的回收和重復使用，這三個主要因素共同作用，降低了獵鷹9號的發射成本，使獵鷹系列火箭比美俄歐同類火箭更便宜。當前，獵鷹9號一次性發射版本的報價為9000萬美元，重復使用版本的報價為6200萬美元。通過重復使用，降低了火箭的發射報價。但是，由于火箭回收要用額外的推進劑使火箭返回到著陸地點，導致有效載荷的實際運載能力下降。近地軌道運載能力由22.6噸下降到17噸，同步轉移軌道由8.3噸下降到5.5噸。這樣一來，火箭回收和重復使用，使每公斤載荷進入近地軌道的成本由4000美元下降到3600美元，只下降了10％。每公斤載荷發射到同步轉移軌道的發射價格不僅沒有降低，反而上升了300美元，由11000美元上升到11300美元。因此，火箭回收和重復使用能否降低發射成本，還需要進一步分析。盡管如此，有專家調查分析發現，中國的長征系列火箭的發射成本并不比獵鷹系列火箭貴。更進一步，火箭回收和重復使用，雖然很有可能降低火箭發射成本，但并非必然。以美國已經退役的航天飛機為例，3臺主要的液體火箭發動機、航天飛機箭體和絕大部分的電子元器件都可以重復使用，但發射成本并沒有降低，反而高于其他國家的運載火箭。航天飛機最初設計時，預計單次發射成本6000萬美元，但歷經上百次實際發射檢驗，每次發射的成本卻高達5億美元。綜上所述，火箭回收和重復使用、高運載系數、規模化的生產和發射等因素共同作用，才是降低發射成本的關鍵。僅靠單一因素，難以大幅度降低火箭發射成本。對星艦來說，不僅一級火箭可回收和重復使用，二級火箭也可以重復使用。二級火箭的重復使用，能否降低發射成本，現在還是個未知數，需要深入分析才能作出回答。注：本文參考了鄭永春《馬斯克的星艦發射真的失敗了嗎？給中國的航天產業帶來什么啟示？》；龍雪丹，楊開，王林《“超重-星艦”首次入軌飛行測試及經驗教訓分析》；孟光，劉昶等《美國超重-星艦首飛分析及對中國航天產業發展啟示與建議》；洞穴之外《中國的火箭貴嗎？》。（作者周炳紅系中國科學院國家空間科學中心研究員；鄭永春系中國科學院國家天文臺研究員。感謝中國科學院國家空間科學中心孫志斌研究員、劉勇研究員提供的修改建議和有益討論，感謝空間科學傳播專家工作室的支持。）本文僅代表作者觀點發于2023.5.1總第1090期《中國新聞周刊》雜志雜志標題：理性看待SpaceX的星艦首飛作者：周炳紅 鄭永春
