全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專(zhuān)家、衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)首席專(zhuān)家龐之浩
(資料圖)
出品｜搜狐科技
作者｜鄭松毅
4月20日，美國(guó)中部時(shí)間4月20日8:33左右，馬斯克旗下的SpaceX星艦系統(tǒng)滿(mǎn)載超4500公噸推進(jìn)劑從得克薩斯州的SpaceX火箭發(fā)射基地點(diǎn)火發(fā)射，執(zhí)行首次軌道級(jí)測(cè)試飛行任務(wù)，但升空3分50秒后爆炸。此前，美國(guó)時(shí)間4月17日，星艦起飛前不到10分鐘，因增壓閥似乎被凍住了，無(wú)奈暫停位于美國(guó)得克薩斯州南部發(fā)射的計(jì)劃。
“本次星艦發(fā)射失敗的主要原因是它同時(shí)并聯(lián)了33臺(tái)新型第二代“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)，剛開(kāi)始是有3臺(tái)沒(méi)有成功點(diǎn)火，升空一段時(shí)間后又有2到3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火了，最終導(dǎo)致星艦在升空接近3分鐘時(shí)呈失控狀態(tài)。并聯(lián)使用這么多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)點(diǎn)火工作，是一項(xiàng)十分復(fù)雜的技術(shù)，會(huì)產(chǎn)生巨大高頻震動(dòng)和高溫，容易影響火箭的推力、速度和姿態(tài)控制等。”——全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專(zhuān)家、衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)首席專(zhuān)家龐之浩在與搜狐科技對(duì)話(huà)中解釋了星艦發(fā)射失敗的原因。
龐之浩表示，箭體上密集部署了33臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中外圈20臺(tái)是固定設(shè)計(jì)，中間的10臺(tái)和最內(nèi)圈的3臺(tái)為了實(shí)現(xiàn)變軌是可以擺動(dòng)的，這么多發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)點(diǎn)火會(huì)產(chǎn)生高頻震動(dòng)，影響箭體本身的穩(wěn)定性，也就是大家看到星艦發(fā)射時(shí)顫動(dòng)的原因。
龐之浩介紹，SpaceX星艦較之前NASA（美國(guó)國(guó)家航空航天局）發(fā)射的“人類(lèi)史上使用過(guò)的自重最大的運(yùn)載火箭“土星5號(hào)”還是有較大的差異性。從材料和技術(shù)角度來(lái)看，SpaceX星艦主要具備以下亮點(diǎn)：
1.燃料：SpaceX星艦采用了常規(guī)火箭都不采用的液氧甲烷燃料，液氧甲烷燃料具備無(wú)毒環(huán)保、高比沖、低成本、易于重復(fù)使用的特點(diǎn)；
2.材料：與其他登月火箭相比，星艦的箭體是由不銹鋼制成的，并配備了耐高溫的燒蝕防護(hù)層，可以承受高溫和高速下的壓力，且材料成本低，如果用傳統(tǒng)碳纖維材料建造火箭殼體需花費(fèi)千萬(wàn)美元，而使用不銹鋼薄板建造殼體僅需幾十萬(wàn)美元；
3.發(fā)動(dòng)機(jī)：在超級(jí)重型推進(jìn)器（第一級(jí)）上并聯(lián)了33臺(tái)新型第二代“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)，是史無(wú)前例的，此前只有蘇聯(lián)N1火箭的第一級(jí)裝了30臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，但4次發(fā)射均失敗；
4.世界首個(gè)船艦一體的創(chuàng)新設(shè)計(jì)：星艦不僅在第一級(jí)箭體搭載了33臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，在星艦飛船（第二級(jí)）上也裝了6臺(tái)第二代“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)，因此第二級(jí)（箭體）既是飛船又是火箭，既有變軌能力，又有載人的能力；
5.可重復(fù)使用性：星艦是一種可重復(fù)使用的火箭，它可以多次發(fā)射和著陸。這種技術(shù)使得每次發(fā)射的成本大大降低，因?yàn)椴恍枰看味贾匦轮圃煨碌幕鸺灰坏┬桥灣晒Ψ祷氐厍颍恍韬?jiǎn)單的檢查和維護(hù)即可重新使用；此外，超級(jí)重型推力器的回收方式也很新穎，之前火箭如獵鷹九號(hào)要么是落在海平臺(tái)上要么落在某一陸地區(qū)域，但星艦可以“大筷子”的方式實(shí)現(xiàn)垂直回落在發(fā)射臺(tái)，這樣可以節(jié)省（了）降落支腿的成本，也避免降落支腿無(wú)法可靠的展開(kāi)。
龐之浩認(rèn)為，SpaceX星艦如能成功發(fā)射產(chǎn)生的作用和影響將是重大的，其不僅有助于實(shí)現(xiàn)“火星遠(yuǎn)征”計(jì)劃，將人員和設(shè)備運(yùn)載至太空，憑借其強(qiáng)大的運(yùn)載能力和多用化設(shè)計(jì)，還可以運(yùn)載更重、更多的第二代星鏈衛(wèi)星到太空，甚至一次可以部署一個(gè)小的星座，進(jìn)一步推進(jìn)了馬斯克的星鏈計(jì)劃。龐之浩介紹，星鏈計(jì)劃將有廣闊的應(yīng)用空間，可無(wú)縫隙覆蓋全球，為人類(lèi)提供信號(hào)、語(yǔ)音通信等服務(wù)，在軍事領(lǐng)域也具備極高的應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)馬斯克此前透露，預(yù)計(jì)到2040年，星鏈衛(wèi)星用戶(hù)數(shù)量有望升至3.64億，屆時(shí)每年星鏈衛(wèi)星將帶來(lái)約800億美元的收入。此外，SpaceX星艦還可以用于地球與太空之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的運(yùn)輸和建造，包括建設(shè)巨型太空站、太空旅館等。它也能在軌回收、修理、升級(jí)航天器，比航天飛機(jī)還方便。
馬斯克曾表示，他的規(guī)劃是當(dāng)星艦研制成功時(shí)將進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)，每年建造100艘，共打造1000艘，預(yù)計(jì)每艘成本將低至1000萬(wàn)美元。龐之浩表示，據(jù)業(yè)內(nèi)人士統(tǒng)計(jì)，如以上馬斯克規(guī)劃能成功實(shí)現(xiàn)，地球與太空之間每公斤運(yùn)載成本將低至100美元，這是一個(gè)令人咂舌的數(shù)字，要知道常規(guī)火箭最低每公斤運(yùn)輸成本約2到3萬(wàn)美元。
以下為對(duì)話(huà)實(shí)錄（經(jīng)整理編輯）
搜狐科技：星艦與之前發(fā)射的重型運(yùn)載火箭“土星5號(hào)”有什么區(qū)別？星艦在技術(shù)上有什么亮點(diǎn)？
龐之浩：星艦與土星5號(hào)有很大的差別，其中亮點(diǎn)技術(shù)包括：
1. 星艦采用液氧甲烷燃料，無(wú)毒環(huán)保、高比沖、低成本、易重復(fù)使用，且可以在火星原位生產(chǎn)；
2. 星艦的超級(jí)重型推進(jìn)器首次并聯(lián)了多達(dá)33臺(tái)新型第二代“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)，推力達(dá)230噸，如33臺(tái)同時(shí)點(diǎn)火，總推力可達(dá)7500噸，是史無(wú)前例的；
3. 星艦采用世界上首個(gè)船箭一體的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，其第二級(jí)星艦飛船也裝有6臺(tái)第二代猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)，使其同時(shí)具備變軌和載人、載物的能力；
4. 星艦首次采用不銹鋼材料建造箭體，目的是節(jié)約成本，如果用傳統(tǒng)碳纖維材料建造火箭殼體需花費(fèi)千萬(wàn)美元，而使用不銹鋼薄板建造殼體僅需幾十萬(wàn)美元；
5. 星艦第一級(jí)、第二級(jí)箭體都可回收后重復(fù)使用，且可精準(zhǔn)垂直回落至發(fā)射臺(tái)，不用額外建造降落支腿，進(jìn)一步節(jié)約了火箭發(fā)射成本；
6. 星艦憑借強(qiáng)大的運(yùn)載能力和多用化設(shè)計(jì)，可以運(yùn)載更多、更重的第二代衛(wèi)星、人員到太空；
搜狐科技：SpaceX在星艦發(fā)射失敗后表示，失敗原因是由于星艦和推進(jìn)器未能分離，從您專(zhuān)業(yè)的角度來(lái)看，這是主要失敗因素嗎？未成功分離的原因是什么？
龐之浩：是的，主要是由于發(fā)射的時(shí)候并聯(lián)了多達(dá)33臺(tái)新型發(fā)動(dòng)機(jī)，剛開(kāi)始有3臺(tái)沒(méi)成功點(diǎn)火，升空一段時(shí)間后又有兩三臺(tái)熄火了，最后導(dǎo)致星艦失控，在空中打轉(zhuǎn)，為了避免墜落地面造成重大損失，無(wú)奈只能啟動(dòng)自毀裝置。這么多發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)點(diǎn)火是一個(gè)非常復(fù)雜的技術(shù)，會(huì)產(chǎn)生巨大高頻震動(dòng)和高溫等，影響火箭本身。下一階段需進(jìn)一步攻克發(fā)動(dòng)機(jī)布置、結(jié)構(gòu)、熱防護(hù)和可靠性等一系列難關(guān)。
搜狐科技：有業(yè)內(nèi)人士表示，“箭體用不銹鋼本身是不可取的行為，火箭升空后的高溫這個(gè)東西扛不住”，那么星艦主打的“航天材料可重復(fù)利用，減少航天制造成本”的技術(shù)亮點(diǎn)究竟能實(shí)現(xiàn)嗎？如果能實(shí)現(xiàn)將能節(jié)約多少制造成本？
龐之浩：我認(rèn)為使用不銹鋼材料是沒(méi)問(wèn)題的，本次星艦發(fā)射失敗也沒(méi)有歸因到箭體不銹鋼材料。星艦發(fā)射前馬斯克已通過(guò)多次原型仿真實(shí)驗(yàn)證明了不銹鋼材料的可用性，如果用傳統(tǒng)碳纖維材料建造火箭殼體需花費(fèi)千萬(wàn)美元，而使用不銹鋼薄板建造殼體僅需幾十萬(wàn)美元；可重復(fù)利用性主要還是指的箭體，最值錢(qián)的還是發(fā)動(dòng)機(jī)。
搜狐科技：SpaceX星艦另一技術(shù)突破亮點(diǎn)號(hào)稱(chēng)是環(huán)保設(shè)計(jì)，燃料采用甲烷和氧氣，較傳統(tǒng)火箭燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳少得多，但其實(shí)我們知道甲烷和氧氣作為燃料已經(jīng)是很久之前就應(yīng)用的技術(shù)，這還算是突破性創(chuàng)新嗎？
龐之浩：液氧甲烷燃料，無(wú)毒環(huán)保、高比沖、低成本、易重復(fù)使用，且可以在火星原位生產(chǎn)；但是，歷史上使用這種燃料發(fā)射的火箭都未成功，燃料可用性還值得探究。
搜狐科技：星艦的單次發(fā)射成本大約是多少？馬斯克在星艦發(fā)射后表示，將根據(jù)失敗數(shù)據(jù)及時(shí)優(yōu)化技術(shù)，且SpaceX將很快再次嘗試，稱(chēng)正在德克薩斯南部建造一系列星艦，今年有80%的機(jī)會(huì)進(jìn)入軌道，您認(rèn)為馬斯克的SpaceX確實(shí)具備及時(shí)調(diào)整并在今年大概率再次試飛的實(shí)力嗎？還是只是馬斯克為了穩(wěn)住股價(jià)的說(shuō)辭？
龐之浩：火箭發(fā)射成本主要就是火箭建造成本，傳統(tǒng)火箭如土星5號(hào)建造成本約40億美元，此次星艦因首次為試驗(yàn)制造，制造成本約30億美元，馬斯克表示未來(lái)規(guī)模化建造后成本將低至1000萬(wàn)美元。
值得一提的是，如果上述規(guī)劃能實(shí)現(xiàn)，地球到太空的運(yùn)輸成本將低至每公斤100美元，常規(guī)火箭需約2到3萬(wàn)美元每公斤。
SpaceX是具備短期內(nèi)再次嘗試發(fā)射的實(shí)力的，此次星艦同批建造并獲得NASA發(fā)射許可共5艘，還剩4艘可以用于試射。
搜狐科技：星艦如能發(fā)射成功，將會(huì)產(chǎn)生什么作用和影響？“火星遠(yuǎn)征”計(jì)劃真的可以實(shí)現(xiàn)嗎？
龐之浩：不僅有助于實(shí)現(xiàn)“火星遠(yuǎn)征”計(jì)劃，將人員和設(shè)備運(yùn)載至太空，憑借其強(qiáng)大的運(yùn)載能力和多用化設(shè)計(jì)，還可以運(yùn)載更重、更多的第二代星鏈衛(wèi)星到太空，甚至一次可以部署一個(gè)小的星座，進(jìn)一步推進(jìn)馬斯克的星鏈計(jì)劃。此外，星艦還可以用于地球與太空之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的運(yùn)輸和建造，包括建設(shè)巨型太空站、太空旅館等。
搜狐科技：星艦發(fā)射雖然表面上是“失敗”，但很多人認(rèn)為走出這一步，能發(fā)射就是成功了，您是怎么看待這個(gè)問(wèn)題？對(duì)于火箭發(fā)射，一般要嘗試多少次失敗才能走向真正的成功？
龐之浩：本次試射有兩方面的成功：一方面是如馬斯克所講，星艦沒(méi)在發(fā)射臺(tái)爆炸；另一方面是星艦突破了MAX-Q（火箭穿越大氣層時(shí)遭遇最大氣動(dòng)壓力的階段），證明星艦結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度是沒(méi)問(wèn)題的。
馬斯克造火箭實(shí)際上是“互聯(lián)網(wǎng)式”思維，不斷通過(guò)發(fā)射試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并且不斷改進(jìn)優(yōu)化，似乎對(duì)于真正的成功沒(méi)有一個(gè)可量化的定義。
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