星艦：航天次時(shí)代的來(lái)臨

呂默默

近期，發(fā)生了一件在整個(gè)人類航天史上都足以稱奇的事件：一枚試驗(yàn)中的火箭攜帶著宇宙飛船，在第一次發(fā)射過(guò)程中發(fā)生了故障，剛一點(diǎn)火就有幾臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)沒點(diǎn)著，不過(guò)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(wú)論是火箭點(diǎn)火不順利時(shí)還是起飛姿勢(shì)不穩(wěn)定時(shí)，都能聽到現(xiàn)場(chǎng)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(lái)都是慶祝發(fā)射成功的，從沒有見過(guò)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(shí)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(duì)整個(gè)航天領(lǐng)域的意義，大概也會(huì)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(yàn)成功，也許會(huì)將人類太空旅游的費(fèi)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(jià)航天階段。

迄今為止最大載重量的火箭，加上低廉的運(yùn)輸成本，讓大家對(duì)這次的發(fā)射測(cè)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(diǎn)火，沒有炸掉發(fā)射臺(tái)，就是成功；能順利起飛，并且持續(xù)飛行，就是大成功；第一級(jí)火箭順利分離，飛船順利點(diǎn)火，就是超級(jí)成功；飛船順利進(jìn)入軌道，則是史無(wú)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(mèng)

對(duì)現(xiàn)在的人類來(lái)說(shuō)，飛向太空是個(gè)不大不小的夢(mèng)想。不大是因?yàn)椋灰阃峡诊w行100 千米，過(guò)了卡門線就算進(jìn)入太空，而100 千米不算多長(zhǎng)的距離，汽車在高速路上行駛1 個(gè)多小時(shí)就能抵達(dá)；不小是因?yàn)椋陉懙厣祥_車100 千米很簡(jiǎn)單，燒不掉10 升汽油，用不了2 個(gè)小時(shí)，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(gè)路人，問(wèn)他們?nèi)绮豢紤]費(fèi)用，想不想去太空旅行一趟，可能會(huì)有超過(guò)九成的人說(shuō)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(lái)呢？首先是因?yàn)榛鸺l(fā)射成功率雖然高，但是一旦發(fā)生危險(xiǎn)，就是一個(gè)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(wàn)～4 000 萬(wàn)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(cè)試成功，最終可以載人或者運(yùn)送貨物進(jìn)入太空，每千克的運(yùn)送成本能降低到100 美元，而傳統(tǒng)火箭運(yùn)送1 千克的貨物進(jìn)入太空，則要花費(fèi)20 000 美元。如此算來(lái)，如果一個(gè)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(wàn)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(wàn)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(lái)，去太空旅行的費(fèi)用只是現(xiàn)在費(fèi)用的1/1 000～1/200。

這還是運(yùn)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(yùn)送一些貨物，運(yùn)輸成本還可以降低。

航天次時(shí)代的開創(chuàng)者——星艦

要說(shuō)到人類的飛天夢(mèng)，可能要追溯到人類在非洲的祖先原始人類。在數(shù)百萬(wàn)年以前，原始人類在結(jié)束一天的采集狩獵、即將睡去時(shí)，一個(gè)不經(jīng)意的抬頭，看到滿天的繁星，就可能對(duì)那里產(chǎn)生了濃厚的興趣。所以說(shuō)，對(duì)天空或者說(shuō)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(guó)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(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)，但是他的理論是對(duì)的：使用液氧和液氫做燃料的多級(jí)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(lái)，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(wèn)世以來(lái)一直面臨著一個(gè)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(yùn)送的貨物越多，火箭就越重，就需要越多的燃料。礙于這個(gè)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(duì)機(jī)械、儀器的運(yùn)送量是巨大的，對(duì)食物和水的需求量更是如此。如何讓火箭運(yùn)送更大、更重的貨物，如何讓運(yùn)費(fèi)降低，就是火箭發(fā)射的主要命題了。

星艦的兩個(gè)重要優(yōu)勢(shì)幾乎就是沖著這個(gè)主要命題來(lái)的，一個(gè)是特別設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)，另一個(gè)則是火箭的重復(fù)回收利用。

火箭發(fā)動(dòng)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(diǎn)火時(shí)，靠的是一級(jí)火箭或者助推器中安裝的發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)進(jìn)行了多次重新設(shè)計(jì)和迭代，目前的發(fā)動(dòng)機(jī)性能已經(jīng)超過(guò)之前所有的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

星艦在超重部分安裝了33 臺(tái)猛禽二代發(fā)動(dòng)機(jī)，在星艦部分安裝了6 臺(tái)，一共是39 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力大約有230 噸，不算星艦部分的發(fā)動(dòng)機(jī)，單是超重部分合起來(lái)就有7 590 噸推力。這個(gè)推力夠大嗎？舉個(gè)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(jì)劃使用的土星五號(hào)火箭，土星五號(hào)的推力足有3 400 噸。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算就能知道，星艦的推力是土星五號(hào)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(hào)的運(yùn)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(diǎn)兒。但要，論箭身的材料制造費(fèi)用，星艦是相當(dāng)便宜的。

我們應(yīng)該都用過(guò)或者見過(guò)304 內(nèi)膽的保溫杯，這樣的杯子堅(jiān)固耐用，價(jià)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(lái)也簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)的制造是最簡(jiǎn)單的，雖然推力并不大，但是固體燃料相對(duì)容易保存，所以常用來(lái)做火箭的“兄弟”——導(dǎo)彈的燃料。而四氧化二氮/ 聯(lián)氨（胺）點(diǎn)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(lái)越少了。液氧煤油是現(xiàn)在的第一性價(jià)比，但煤油的質(zhì)量要求極高，因?yàn)樗娜紵菀追e碳結(jié)焦，不利于發(fā)動(dòng)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(diǎn)是這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)起來(lái)難度太大，燃料儲(chǔ)存難度也很大，因?yàn)橐簹涑?jí)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(huì)像液氧煤油那樣燃燒起來(lái)有積碳結(jié)焦，發(fā)動(dòng)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(chǔ)存溫度/ 沸點(diǎn)非常接近，儲(chǔ)存難度遠(yuǎn)低于液氧和液氫，后者在火箭中的貯存是個(gè)極其棘手的問(wèn)題。

同時(shí)，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的建造難度相對(duì)較低，跟液氧煤油發(fā)動(dòng)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(jià)是相當(dāng)大的，但使用甲烷來(lái)做燃料，相對(duì)而言就簡(jiǎn)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(yáng)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(gè)夢(mèng)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(huì)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(shí)，星艦的高度也有120 米，按理說(shuō)，成本也不會(huì)太便宜，但它的外殼和發(fā)動(dòng)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(jià)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(guó)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(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)。隨著設(shè)計(jì)的進(jìn)步，一臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的價(jià)格僅為200 萬(wàn)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(dòng)機(jī)產(chǎn)生1 千牛的推力需要花掉2.5 萬(wàn)美元，貴了25 倍。如今，更為先進(jìn)的猛禽二代發(fā)動(dòng)機(jī)又做了精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)，質(zhì)量減少了400 千克，價(jià)格更是低到100 萬(wàn)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(diǎn)。所以，哪怕只是沒炸掉發(fā)射臺(tái)，哪怕只飛行幾分鐘就爆炸了，都會(huì)讓人非常興奮，因?yàn)檫@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(lái)職業(yè)規(guī)劃

有了廉價(jià)的火箭，科學(xué)家就能做以前只能想但絕不可能實(shí)現(xiàn)的科學(xué)設(shè)計(jì)，例如天基太陽(yáng)能。

在地面，太陽(yáng)能發(fā)電受到陰天、下雨的影響比較嚴(yán)重，但天基太陽(yáng)能不一樣，在衛(wèi)星軌道上根本不會(huì)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(yáng)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(mèng)想不再遙遠(yuǎn)。

同時(shí)，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(dòng)機(jī)、可回收技術(shù)上下了功夫，中國(guó)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(lái)，屬于中國(guó)自己的白菜價(jià)火箭也將問(wèn)世，帶著我們進(jìn)入航天次時(shí)代。

（責(zé)任編輯：白玉磊）