周炳紅 鄭永春
2023年4月20日,美國太空探索技術(shù)公司SpaceX推出的巨型運載火箭“超重-星艦”(下稱星艦)首次發(fā)射?;鸺晒ζ痫w,但遺憾的是,3分鐘后,當火箭上升到36公里高度時,發(fā)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(shù)十公里高度,獲得了后續(xù)發(fā)展需要的飛行數(shù)據(jù),這是探索太空、發(fā)展火箭技術(shù)的必經(jīng)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(guān)心的是:如何科學、理性地分析星艦失控爆炸?如果星艦研發(fā)成功,將有哪些重要的應用前景?中國是否需要發(fā)展像星艦一樣的大推力運載火箭?是否應采用數(shù)十臺同樣的發(fā)動機并聯(lián)的方案?從星艦的首發(fā)中我們能得到哪些啟示?
星艦整體為兩級構(gòu)型火箭,一級火箭名為“超重助推器”,二級火箭名為“星艦”?;鸺L約120米,箭體直徑9米,起飛質(zhì)量5000噸。最新的設計指標為,重復使用狀態(tài)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(tài)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(fā)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(xiàn)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(fā)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(fā)動機。全箭主體結(jié)構(gòu)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(fā)射,起飛后,一級火箭的33臺猛禽發(fā)動機中,有3臺沒能成功點火(2臺位于外環(huán),1臺位于中心部位),30臺發(fā)動機點火成功,持續(xù)發(fā)力。起飛40秒后,第4臺發(fā)動機失效。61秒時,第5臺發(fā)動機失效。100秒時,第6臺發(fā)動機失效。111秒時,熄火的第6臺發(fā)動機再次成功點火。之后,火箭尾焰開始呈現(xiàn)不對稱燃燒狀態(tài)。140秒時,箭體異常旋轉(zhuǎn),速度加快,火箭開始翻滾失控。起飛239秒后,火箭在空中發(fā)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(shù)據(jù)和現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)其背后的原因,比簡單爭論發(fā)射失敗還是成功更有意義。飛行過程中最重要的現(xiàn)象,是一級火箭的多臺發(fā)動機不斷失效關(guān)機。發(fā)動機為什么會失效?這次發(fā)射測試能否明確發(fā)動機失效的具體原因?后續(xù)還需要進行哪些優(yōu)化改進,才能確保發(fā)動機不再失效?回答這些問題,是觀察星艦首發(fā)的正確態(tài)度。
星艦首發(fā)時發(fā)動機失效是本身質(zhì)量不可靠導致的?還是火箭起飛時,發(fā)動機被地面的水泥碎片崩壞的?或是發(fā)動機之間、箭體結(jié)構(gòu)、輸送管路、發(fā)動機內(nèi)部振動等因素,導致全箭耦合振動,造成了發(fā)動機失效?;卮疬@些問題,需要更多的數(shù)據(jù)和證據(jù),才能進一步做出判斷。星艦首發(fā)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(jù)支撐,也無法對我國火箭未來的發(fā)展方向提供有價值的信息。
傳統(tǒng)的火箭系統(tǒng)工程強調(diào)原型試驗之前的設計,在前期設計中暴露和發(fā)現(xiàn)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(tǒng)的火箭系統(tǒng)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(jīng)歷一次“目標計劃、設計、生產(chǎn)制造、測試”流程。隨著技術(shù)的發(fā)展進步,這種傳統(tǒng)的火箭系統(tǒng)工程表現(xiàn)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(lián)網(wǎng)行業(yè)常用的軟件系統(tǒng)工程方法,快速推出第一版原型,測試獲得經(jīng)驗后,多輪次迭代,也就進行了多輪次的原型測試。這種系統(tǒng)工程方法,并不追求“一次成功”,而是經(jīng)歷多輪次的“目標計劃、設計、生產(chǎn)制造、測試”流程?;鸺诔晒︼w行、確定最終設計參數(shù)前,經(jīng)過多輪次完整的火箭飛行測試并加以改進。星艦研發(fā)團隊認為,這種新的系統(tǒng)工程方法,可以降低新型火箭的研制和開發(fā)成本。不僅如此,還可以在每次火箭發(fā)射后,對火箭進行優(yōu)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(jié)果。
根據(jù)這兩種不同的系統(tǒng)工程方法的特征,我們把SpaceX的新系統(tǒng)工程方法稱為頂層需求優(yōu)先的迭代型系統(tǒng)工程。而傳統(tǒng)的火箭系統(tǒng)工程方法強調(diào)需求分解,分層次測試,發(fā)射成功后技術(shù)狀態(tài)就固定了。以星艦研制為例,SpaceX的目標是開發(fā)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(xiàn)完全可重復使用。然后,明確關(guān)鍵的設計參數(shù)即單臺液氧/甲烷發(fā)動機的推力達到230噸,使用直徑9米的不銹鋼貯箱結(jié)構(gòu),一級火箭使用33臺發(fā)動機,二級火箭使用6臺發(fā)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(xiàn)火箭完全重復使用。在單臺發(fā)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(fā)射測試,雖然多臺發(fā)動機沒有啟動或中途失效,但可以獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行分析改進,短期內(nèi)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(xiàn)完全可重復使用,但最初的目標計劃還沒有完全實現(xiàn),也就是近地軌道運載能力150噸的目標。需要對發(fā)動機、貯箱結(jié)構(gòu)、飛行過程控制等進行優(yōu)化設計,減輕發(fā)動機和貯箱結(jié)構(gòu)的重量,逐步提高運載能力,實現(xiàn)下一層次的需求。
4月20日,星艦發(fā)射后發(fā)生爆炸。圖/視覺中國
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(wèi)星星座成功部署,中國開始進入了大規(guī)模開發(fā)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(guī)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(fā)射,太陽系邊際探測、地月空間開發(fā)等,都成為航天事業(yè)發(fā)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(fā)展運載能力更大的火箭,是航天事業(yè)新時代的必然選擇。越大的火箭,不僅發(fā)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(shù)量基本相同,但運載能力更大,將使得單次發(fā)射的單位成本越低。
除了成敗之爭,我們更關(guān)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(chǔ)上太空探索技術(shù)公司將發(fā)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(fā)射系統(tǒng)(SLS)發(fā)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(zhuǎn)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(xiàn)。但實現(xiàn)這一目標,依然面臨重重挑戰(zhàn)。
第二個應用場景,是用于星鏈衛(wèi)星星座的快速部署,降低發(fā)射成本。星鏈需要發(fā)射和部署數(shù)萬顆衛(wèi)星,現(xiàn)在發(fā)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(fā)射超大型的航天器和太空基礎(chǔ)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(fā)射下一代大型太空望遠鏡——LUVOIR。
最后,在軍事方面,SpaceX已經(jīng)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(xiàn)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(zhàn)后勤補給產(chǎn)生顛覆性影響,在快速響應運輸、應對突發(fā)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(fā)展類似的超重型運載火箭。星艦發(fā)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(yè)將有更加遠大的目標。而這正是廣大社會公眾非常關(guān)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(shù)不落后于世界領(lǐng)先水平。
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?nèi)菀缀雎越档桶l(fā)射成本的其他因素。以獵鷹9號火箭為例,僅600噸的起飛規(guī)模,運載系數(shù)(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(lǐng)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(fā)射報價與現(xiàn)在的全推力版本接近,意味著每公斤載荷的發(fā)射成本降低了50%以上。
在工業(yè)上,通過大規(guī)模流水線生產(chǎn),實現(xiàn)規(guī)模效應,降低單位產(chǎn)品的生產(chǎn)成本,已經(jīng)成為常識。太空探索技術(shù)公司通過發(fā)展星鏈衛(wèi)星計劃,使獵鷹9號火箭每年發(fā)射數(shù)十次,每發(fā)火箭使用10臺主發(fā)動機,采用相同的生產(chǎn)線來生產(chǎn),不僅質(zhì)量更穩(wěn)定,還產(chǎn)生了規(guī)模效應,降低了成本。
高運載系數(shù)和規(guī)?;a(chǎn),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(fā)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(fā)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(fā)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(zhuǎn)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(fā)射到同步轉(zhuǎn)移軌道的發(fā)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(fā)射成本,還需要進一步分析。
盡管如此,有專家調(diào)查分析發(fā)現(xiàn),中國的長征系列火箭的發(fā)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(fā)射成本,但并非必然。以美國已經(jīng)退役的航天飛機為例,3臺主要的液體火箭發(fā)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(fā)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(fā)射成本6000萬美元,但歷經(jīng)上百次實際發(fā)射檢驗,每次發(fā)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(shù)、規(guī)?;纳a(chǎn)和發(fā)射等因素共同作用,才是降低發(fā)射成本的關(guān)鍵。僅靠單一因素,難以大幅度降低火箭發(fā)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(fā)射成本,現(xiàn)在還是個未知數(shù),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(fā)射真的失敗了嗎?給中國的航天產(chǎn)業(yè)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(jīng)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(chǎn)業(yè)發(fā)展啟示與建議》;洞穴之外《中國的火箭貴嗎?》。
(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。)