新设计的星舰和未来月球基地的概念图 | SpaceX

9月28日,对SpaceX公司和埃隆·马斯克(Elon Musk)来说,都是具有历史性意义的一天。

11年前的这一天,SpaceX的猎鹰1号第4次发射终于首次成功入轨,不仅标志着私营商业公司越过了航天发射的门槛,也让濒临破产的SpaceX起死回生;11年后的这一天,马斯克在美国得克萨斯州小村博卡奇卡召开发布会,背后的星舰原型机让他的太空殖民计划无比接近现实。

按照马斯克的时间表,星舰将比NASA官方研制的SLS火箭更早入轨,月球、火星和更遥远天体的探索,星舰将后发而先至。

组装完成的星舰Mk1(左)和11年前SpaceX首次入轨的同款猎鹰1号火箭(右)。注意,这可是实拍的照片 | Space

星舰的由来

马斯克一直有着火星殖民的梦想,他创立SpaceX公司志在圆梦。虽然公司发展相当成功,在国际商业航天发射市场上占据了大半江山,但他从未忘记火星才是终极目标。

2016年墨西哥瓜达拉哈拉举办的国际宇航大会上,他公布了行星际运输系统(ITS)的概念——这将是一种起飞重量高达一万吨级的超级火箭,如果成功的话,将使火星甚至更远的行星际殖民成为可能!

2016年的ITS,只是一个初步想法。到了2017年的国际宇航大会上,火箭改名为大猎鹰(BFR)火箭,高度直径体积和重量都大幅度降低,方案更为现实化。

从2016的ITS到2017的BFR,设计方案变得更加现实了 | Everyday Astronaut

2018年9月,马斯克举办发布会,宣布日本富商前泽友作将付款乘坐BFR进行环月飞行。此时的BFR火箭又有了巨大的变化,马斯克当时表示这是最终设计方案。不过,马斯克的预言和时间表一向不算数。

不久后,飞船设计又一次经历了不小的改进——原本打算用碳纤维复合材料来制造的垂直起降测试飞行器星虫(Starhopper),改用301不锈钢来制造,而轨道发射系统也正式改名为星舰(Starship)。

2019年7月26日,星虫试验飞行器进行了150米高度垂直起落试飞,这也是星虫的最后一次试飞。马斯克当时表示不久后将召开发布会,公布星舰的最新动向。

垂直起降测试飞行器星虫,完成了150米高度的飞行试验 | Space

这便是9月28日,博卡奇卡发布会的由来。

星舰的最新动向

在这场发布会上,马斯克透露了星舰运输系统的最新设计方案。

星舰运输系统将分为两个部分:起飞级超重(SuperHeavy)和上面级星舰(Starship)。星舰Mk1已在博卡奇卡建成,Mk2则在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角附近的另一处工地建造,它们都是第一阶段的试验飞行器。这些早期的原型星舰将用于中高空亚轨道飞行,随后SpaceX还将建造Mk3、Mk4和Mk5,其中一些将用于发射入轨!

根据发布会上的最新消息,上面级星舰长度约50米,直径9米。它只有两个大型控制翼面和两个较小的控制前翼,外形上进一步向传统空天飞行器靠拢,再入大气层的方式也更接近航天飞机,而不是早期的ITS/BFR系统。

星舰上面级的最新设计方案 | SpaceX

上面级星舰可以携带1200吨的液氧甲烷推进剂,虽然马斯克的幻灯片上还写着干重85吨,不过他很快口头纠正了这个错误,表示85吨空重只是他的期望值。现在的星舰原型,空重接近200吨,未来将减重到120吨。

马斯克提到了星舰的性能指标:星舰系统的超重助推器有6条着陆腿,加上着陆腿内的猛禽发动机,超重助推器将装有最多37台猛禽发动机,起飞推力约7500吨!整个星舰系统起飞重量约5000吨,这将是人类有史以来最大的航天运载器

超重助推器的最新设计方案,请注意尾部的37台猛禽发动机 | SpaceX

二级完全重复使用的星舰,将具备将150吨重的载荷送入地球轨道的能力,而下行货运能力为50吨。这意味着,之前有人开玩笑说,星舰能把哈勃空间望远镜抓回地球来,可能真不是开玩笑的

他还进一步指出,最早的星舰运力只有约100吨,随后会努力提高到150吨。毋庸置疑,星舰系统在未来要实现这样的性能跃升,不仅需要SpaceX的工程师付出艰苦卓绝的努力,从时间上看也还是很遥远的事情。

在星舰进一步减重之前,马斯克提过的30吨GTO轨道运力指标,现在的星舰仍力不从心。好在现在也没什么30吨的大型静地轨道卫星要发射,早期的星舰用于发射6、7吨重的静地轨道卫星完全不成问题。

至于更遥远的月球和火星发射,就要使用太空加注燃料的技术了。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,不过超大规模的超低温推进剂在轨转移,难度可不小,还是不得不为老马捏一把汗。

前往月球和火星的话,星舰需要在轨道上加注燃料 | SpaceX

不锈钢箭

马斯克还再次解释了举世瞩目的不锈钢结构问题。

星虫、试验版星舰和轨道发射的星舰,都使用301不锈钢制造。按照常识,钢要比铝合金重得多,更不要说跟碳纤维材料相比了。不过,按照马斯克的说法,使用密度更大的不锈钢来制造星舰,反倒能够减轻结构重量。

星舰Mk1通体用不锈钢打造,在阳光下显得亮晶晶的 | Austin Barnard

马斯克在发布会上解释了原因。

首先,低温下不锈钢的强度会提高到原来的几乎两倍,缓解了不锈钢密度大的问题。

其次,星舰的热防护方式回归到了航天飞机式的防热瓦设计,只不过采用的是新一代的TOFROC防热材料。不锈钢熔点约1500度,要比铝合金约400度高得多。这样一来,星舰的背风面甚至无需专门的防热处理,而在迎风面,由于不锈钢熔点高,也可以使用更薄的防热瓦。相比之下,整个星舰的结构反倒比使用铝合金更为轻便。

此外,不锈钢材料每吨才2500美元,而碳纤维每吨高达13万美元,约50倍的采购成本差距意味着,使用不锈钢造星舰,可以大大节省制造成本

最后,不锈钢材料易于焊接加工,而猎鹰9号使用的铝锂合金或是更先进的碳纤维就太娇贵了。它们强度的确很高,可万一坏在了火星上,你要怎么修它呢?火星开拓阶段使用这些娇贵的材料,实在不太现实。

星舰上面级的热防护,回归到了航天飞机式的防热瓦设计 | SpaceX

马斯克的疯狂节点

星舰系统作为SpaceX公司研制的、人类历史上最强大的航天运载器系统,其先进性、规模和复杂程度都是空前的。按照常理,这样的大项目不仅花钱多,更是要认真研讨、扎实预研和长期研制,才能保证项目的圆满成功,但这一传统思路受到了马斯克的挑战。

马斯克的星舰研制大计,如果从2016年的ITS算起,那设计真可谓朝令夕改,让人看得眼花缭乱了——光是名字就换了好几次,规模和方案也都屡屡推倒重来。如果说传统火箭开发是瀑布开发模式,那么星舰的研制已经使用快速迭代开发模式了。星舰研制起步阶段,并没有高瞻远瞩一览无余的顶层设计,而是轻松上阵先实现部分功能,快速迭代试错逐步完善星舰的设计方案和工程实现。

举例来说。直到2018年10月,也就是为前泽友作环月飞行的发布会开完、马斯克金口玉言设计冻结之后,星舰系统才确定改用不锈钢材料。临阵推翻设计改用全新材料,这在传统火箭研制中是从未有过的疯狂举动

星舰系统的大小对比图,从左往右分别是:人、星虫试验机、千年隼号飞船(咦?!)、星舰Mk1和星舰发射系统 | SpaceX

马斯克毫不讳言星舰快速迭代的研制模式,以及他对研制进度的追求。在博卡奇卡发布会上,他明确表示:“如果时间表太长远,那一定错了;如果(时间表)很紧,那就对了。”换句话说,他认为妄谈长远大计只是闭门造车。星舰的研制也有效贯彻了这一方针,其研制进度时间表让人瞋目结舌!

星舰Mk1和Mk2使用钢板拼接而成,将在未来1到2个月内进行20公里高度的试飞。星舰Mk3将在1个月后开始制造,使用卷制钢环作为箭体,这样无需将钢板焊接为钢环,制造箭体时只需要在一圈圈钢环之间进行单缝焊接,不仅箭体将更薄更轻,而且将极大地提高制造速度。马斯克表示,Mk3号星舰将在3个月内造出来,Mk4和Mk5需要4个月。他希望在半年内能够使用Mk4或Mk5号星舰实现发射入轨!

你没看错,在马斯克的时间线里,半年内星舰就将进行首次轨道飞行!

2019年版星舰飞船的发射模拟动画 | SpaceX

马斯克时间表一贯不靠谱,比如星虫首飞和150米高度悬停飞行,都推迟了一两个月才得以进行。但是,对于马斯克的这个疯狂计划,即使马斯克时间×2,也是极为了不起的成就。

如果这种起飞重量5000吨、起飞推力是土星五号火箭两倍多的星舰系统,真的能够在2020年发射入轨,它将成为土星五号火箭1973年退役后,美国第二种百吨级运力的空间运输系统。

对比下,已经花了180亿美元,2020财年预算还要再花25.86亿美元的SLS火箭,即使波音号称加班加点赶进度,2020年底能不能发射仍然是未知数,几乎所有传闻都指向SLS火箭2021年才能首飞。

如果星舰在2020年首飞成功的话,波音不知道还有什么脸面继续研制SLS火箭。

大航天时代

这次发布会的前一天,即9月27日,NASA局长吉姆‧布里登斯廷(Jim Bridenstine)推特发文含蓄表示了不满。他认为,SpaceX高调研制星舰有些不务正业。SpaceX拿到了NASA的合同研制载人龙飞船,结果进度推迟好几年了,他敦促SpaceX公司拿了纳税人的钱,要好好干活,赶紧交工。

NASA局长对SpaceX高调研制星舰的表态 | 推特截图

布里登斯廷的表态,得到了大家的踊跃吐槽。哈佛大学教授麦克道尔的吐槽就很有代表性。他指出,担忧SpaceX最好的工程师去搞星舰而不是载人龙,是可以理解的。换句话说,研制载人龙飞船缺乏挑战性和工作激情,给你干活慢是因为你太low。

作为第三方的麦克道尔可以百无禁忌,作为当事人的马斯克在发布会上还是做了解释。他表示SpaceX公司大部分资源投入在猎鹰火箭和龙飞船上,星舰只投入了大约5%,并没有因私忘公。

网友吐槽,局长大人是不是忘了NASA自家研制的SLS大火箭了?

事实上,作为航天爱好者,我觉得哪怕SpaceX公司为星舰投入更多资源,也是理所应当的。Mk1和Mk2号只是第一批原型,后续随着箭体制造工艺的改进,从Mk3开始,星舰的制造速度会显著加快。这时候,猛禽发动机的产能就成了关键制约性因素,不投入资源解决能行么?

Mk1和Mk2都只有3台猛禽发动机,Mk3开始将增加到6台发动机。而现在猛禽发动机产能是8到10天一台,光是准备Mk3和Mk4的12台发动机就需要三四个月。至于第一级的超重助推器,少则24台发动机,也可能是31台发动机,最多可以装37台发动机。光是一枚第一级的发动机,就需要造多久?

好消息是,马斯克表示,明年第一季度猛禽发动机有望实现日产一台的产能,发动机产能瓶颈的解决,将为星舰的生产铺平道路

按照现在的设计,星舰底部将安装6台猛禽火箭发动机 | SpaceX

马斯克表示,由于无需制造新的超重一级和星舰二级,理论上超重助推器每天可以发射20次,星舰也可以飞4次,也就是说每天能进行至少3次发射。

完全可重复使用的星舰,带来的发射运力是前所未有的。每天3次发射意味着每年1000次发射,即每年能向地球轨道上运送15万吨物资。考虑到现在全世界每年入轨质量不过是2、300吨,星舰理论上带来的发射能力太惊人了。

届时布里登斯廷局长也不用烦心美国人上太空的问题了,甚至月球门户站也可以用星舰整体运过去,月球着陆器和月球基地同样简单廉价水到渠成。

星舰和未来人类火星殖民地的概念图 | SpaceX

当然,马斯克鼓吹的这串数据只是最理想的理论推算,现实世界暂时找不到那么多需要发射入轨的载荷物资,但星舰无比强大的发射能力带来了无限的畅想空间。

如果星舰能在未来数年内成为现实,并初步验证它的复用能力,无论是进行近地轨道工业化,还是建立月球前进基地,开始建设火星殖民地,乃至于更遥远的深空探索,都不再是遥不可及的梦想。

星舰的最终目标,是要载100人展开长期的星际航行 | SpaceX

马斯克还在发布会上展示了月球基地,火星殖民地以及星舰飞近土星光环的画面,期待这些场景能在我们有生之年里成为现实!

作者:Lsquirrel

编辑:Steed

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