以成败论马斯克星舰是最无聊的事情
2023年4月20日，美国太空探索技术公司SpaceX推出的巨型运载火箭“超重-星舰”（下称星舰）首次发射。火箭成功起飞，但遗憾的是，3分钟后，当火箭上升到36公里高度时，发生失控爆炸，未能进入轨道。对这同一个清晰、简单的客观事实，不同的人群给出了不同甚至截然相反的看法和评价。有人认为，星舰失控爆炸是一个重大的失败，损失惨重；也有人认为，星舰飞行到了数十公里高度，获得了后续发展需要的飞行数据，这是探索太空、发展火箭技术的必经之路，某种意义上也是一次成功的失败。抛却主观判断，实际上，我们更应该关心的是：如何科学、理性地分析星舰失控爆炸？如果星舰研发成功，将有哪些重要的应用前景？中国是否需要发展像星舰一样的大推力运载火箭？是否应采用数十台同样的发动机并联的方案？从星舰的首发中我们能得到哪些启示？4月20日，星舰发射后发生爆炸。图/视觉中国分析星舰首飞背后的数据和现象 意义重大星舰整体为两级构型火箭，一级火箭名为“超重助推器”，二级火箭名为“星舰”。火箭全长约120米，箭体直径9米，起飞质量5000吨。最新的设计指标为，重复使用状态下近地轨道（LEO）运载能力150吨，可运送50吨载荷返回地球，一次性使用状态下LEO运载能力250吨，大大超过土星5号近地轨道140吨的运载能力。一级火箭通过悬停的方式回收到发射塔，二级火箭在气动阻力和自身动力控制作用下，垂直着陆到指定地点，实现火箭整体的完全可重复使用。一级火箭又名“超重助推器”，安装33台猛禽液氧甲烷发动机，起飞推力超过7000吨。二级火箭安装6台猛禽液氧甲烷发动机。全箭主体结构采用不锈钢，二级火箭设有前部鸭翼和尾部气动舵，用于地球大气层再入时进行气动控制。4月20日，星舰首次发射，起飞后，一级火箭的33台猛禽发动机中，有3台没能成功点火（2台位于外环，1台位于中心部位），30台发动机点火成功，持续发力。起飞40秒后，第4台发动机失效。61秒时，第5台发动机失效。100秒时，第6台发动机失效。111秒时，熄火的第6台发动机再次成功点火。之后，火箭尾焰开始呈现不对称燃烧状态。140秒时，箭体异常旋转，速度加快，火箭开始翻滚失控。起飞239秒后，火箭在空中发生爆炸。在飞行终止之前，一级和二级火箭未能分离。认真分析星舰飞行过程中的这些数据和现象，发现其背后的原因，比简单争论发射失败还是成功更有意义。飞行过程中最重要的现象，是一级火箭的多台发动机不断失效关机。发动机为什么会失效？这次发射测试能否明确发动机失效的具体原因？后续还需要进行哪些优化改进，才能确保发动机不再失效？回答这些问题，是观察星舰首发的正确态度。星舰首发时发动机失效是本身质量不可靠导致的？还是火箭起飞时，发动机被地面的水泥碎片崩坏的？或是发动机之间、箭体结构、输送管路、发动机内部振动等因素，导致全箭耦合振动，造成了发动机失效。回答这些问题，需要更多的数据和证据，才能进一步做出判断。星舰首发到底算是成功还是失败，只是主观臆断的观点之争，既缺乏证据支撑，也无法对我国火箭未来的发展方向提供有价值的信息。星舰研制用到的系统工程方法，值得重视和借鉴传统的火箭系统工程强调原型试验之前的设计，在前期设计中暴露和发现尽可能多的风险，以降低项目的总体成本。新设计的火箭首飞可以看成是第一次原型测试。传统的火箭系统工程方法的设计目标是首飞即成功，也就是我们常说的“一次成功”，期望火箭飞行成功前，只需要经历一次“目标计划、设计、生产制造、测试”流程。随着技术的发展进步，这种传统的火箭系统工程表现出了过度的“前期设计”与过少的原型试验，存在明显的不足。星舰在研制过程中，借鉴互联网行业常用的软件系统工程方法，快速推出第一版原型，测试获得经验后，多轮次迭代，也就进行了多轮次的原型测试。这种系统工程方法，并不追求“一次成功”，而是经历多轮次的“目标计划、设计、生产制造、测试”流程。火箭在成功飞行、确定最终设计参数前，经过多轮次完整的火箭飞行测试并加以改进。星舰研发团队认为，这种新的系统工程方法，可以降低新型火箭的研制和开发成本。不仅如此，还可以在每次火箭发射后，对火箭进行优化改进。例如，同样是猎鹰9号火箭，当前的全推力版本火箭的运载能力，比早期版本提升了一倍以上，这就是多轮次迭代的结果。根据这两种不同的系统工程方法的特征，我们把SpaceX的新系统工程方法称为顶层需求优先的迭代型系统工程。而传统的火箭系统工程方法强调需求分解，分层次测试，发射成功后技术状态就固定了。以星舰研制为例，SpaceX的目标是开发一款超大运载能力（近地轨道150吨）、一二级火箭都可重复使用的运载火箭。第一轮次的顶层需求，是运载火箭起飞重量达到5000吨，并实现完全可重复使用。然后，明确关键的设计参数即单台液氧/甲烷发动机的推力达到230吨，使用直径9米的不锈钢贮箱结构，一级火箭使用33台发动机，二级火箭使用6台发动机，使用防热瓦解决再入地球大气层的防热问题，采用气动翼型进行减速，实现火箭完全重复使用。在单台发动机测试满足顶层需求（推力）和星舰起跳飞行试验成功后，马上开始第一次全箭原型入轨飞行测试。4月20日的星舰首飞是一次发射测试，虽然多台发动机没有启动或中途失效，但可以获取关键数据进行分析改进，短期内再次进行全箭飞行测试，直到成功。而且，即便星舰入轨成功并实现完全可重复使用，但最初的目标计划还没有完全实现，也就是近地轨道运载能力150吨的目标。需要对发动机、贮箱结构、飞行过程控制等进行优化设计，减轻发动机和贮箱结构的重量，逐步提高运载能力，实现下一层次的需求。星舰首飞反映了航天发展的新时代和新需求随着探月工程完成绕、落、回三步走，中国空间站建成，天问一号火星探测任务成功实施，北斗导航卫星星座成功部署，中国开始进入了大规模开发和利用太空的新航天时代。新航天时代的目标更加远大，载人月球探测、大规模星座部署、人员物资的全球1小时部署、超大型载荷和空间设施发射，太阳系边际探测、地月空间开发等，都成为航天事业发展的新目标。火箭的运载能力有多大，航天的舞台就有多大。发展运载能力更大的火箭，是航天事业新时代的必然选择。越大的火箭，不仅发射的载荷越重，体积尺寸也越大。同时，由于大火箭和小火箭使用的元器件数量基本相同，但运载能力更大，将使得单次发射的单位成本越低。除了成败之争，我们更关心的是，如果星舰将来试验成功，它将有哪些重要的应用前景。首先，在星舰的基础上太空探索技术公司将发展登月版星舰，成为美国阿尔忒弥斯载人登月计划的一部分。宇航员将乘坐猎户座飞船，先由太空发射系统（SLS）发射到月球轨道，然后采用登月版星舰将宇航员从月球轨道带到月球表面着陆，宇航员完成月表停留任务后，再次乘坐登月版星舰上升到月球轨道。然后，宇航员转移到猎户座飞船，并返回地球。按计划，这一任务将在2025年实现。但实现这一目标，依然面临重重挑战。第二个应用场景，是用于星链卫星星座的快速部署，降低发射成本。星链需要发射和部署数万颗卫星，现在发射使用的是猎鹰9号火箭，成本还不够低。而星舰的运载能力，接近猎鹰9号火箭的10倍，有望进一步降低成本。第三，可以用星舰发射超大型的航天器和太空基础设施。例如，美国宇航局戈达德太空飞行中心就提出使用星舰发射下一代大型太空望远镜——LUVOIR。最后，在军事方面，SpaceX已经得到美国空军价值超过1亿美元的“火箭货运”合同，旨在验证利用重型的重复使用火箭，实现100吨级军用物资的全球1小时快速投送能力。该能力将对作战后勤补给产生颠覆性影响，在快速响应运输、应对突发事件、长期在轨驻留等方面具有广阔的应用前景。星舰广阔和重要的应用前景，意味着中国下一步必然要发展类似的超重型运载火箭。星舰发射的成败之争，反映出进入新的航天时代后，中国的航天事业将有更加远大的目标。而这正是广大社会公众非常关注星舰首飞的原因——希望在新的航天时代，中国的运载火箭技术不落后于世界领先水平。星舰可重复使用，不一定能降低发射成本火箭回收并重复使用，降低有效载荷进入太空成本，这一逻辑链条很简单，是公众最容易了解和观察到的。而这将使我们容易忽略降低发射成本的其他因素。以猎鹰9号火箭为例，仅600吨的起飞规模，运载系数（有效载荷重量占火箭起飞总重量的比例）接近4％，达到世界领先。在猎鹰9号全推力版本之前，还有个1.1版，起飞重量513吨，运力仅10吨，总的发射报价与现在的全推力版本接近，意味着每公斤载荷的发射成本降低了50％以上。在工业上，通过大规模流水线生产，实现规模效应，降低单位产品的生产成本，已经成为常识。太空探索技术公司通过发展星链卫星计划，使猎鹰9号火箭每年发射数十次，每发火箭使用10台主发动机，采用相同的生产线来生产，不仅质量更稳定，还产生了规模效应，降低了成本。高运载系数和规模化生产，加上猎鹰9号一级火箭的回收和重复使用，这三个主要因素共同作用，降低了猎鹰9号的发射成本，使猎鹰系列火箭比美俄欧同类火箭更便宜。当前，猎鹰9号一次性发射版本的报价为9000万美元，重复使用版本的报价为6200万美元。通过重复使用，降低了火箭的发射报价。但是，由于火箭回收要用额外的推进剂使火箭返回到着陆地点，导致有效载荷的实际运载能力下降。近地轨道运载能力由22.6吨下降到17吨，同步转移轨道由8.3吨下降到5.5吨。这样一来，火箭回收和重复使用，使每公斤载荷进入近地轨道的成本由4000美元下降到3600美元，只下降了10％。每公斤载荷发射到同步转移轨道的发射价格不仅没有降低，反而上升了300美元，由11000美元上升到11300美元。因此，火箭回收和重复使用能否降低发射成本，还需要进一步分析。尽管如此，有专家调查分析发现，中国的长征系列火箭的发射成本并不比猎鹰系列火箭贵。更进一步，火箭回收和重复使用，虽然很有可能降低火箭发射成本，但并非必然。以美国已经退役的航天飞机为例，3台主要的液体火箭发动机、航天飞机箭体和绝大部分的电子元器件都可以重复使用，但发射成本并没有降低，反而高于其他国家的运载火箭。航天飞机最初设计时，预计单次发射成本6000万美元，但历经上百次实际发射检验，每次发射的成本却高达5亿美元。综上所述，火箭回收和重复使用、高运载系数、规模化的生产和发射等因素共同作用，才是降低发射成本的关键。仅靠单一因素，难以大幅度降低火箭发射成本。对星舰来说，不仅一级火箭可回收和重复使用，二级火箭也可以重复使用。二级火箭的重复使用，能否降低发射成本，现在还是个未知数，需要深入分析才能作出回答。注：本文参考了郑永春《马斯克的星舰发射真的失败了吗？给中国的航天产业带来什么启示？》；龙雪丹，杨开，王林《“超重-星舰”首次入轨飞行测试及经验教训分析》；孟光，刘昶等《美国超重-星舰首飞分析及对中国航天产业发展启示与建议》；洞穴之外《中国的火箭贵吗？》。（作者周炳红系中国科学院国家空间科学中心研究员；郑永春系中国科学院国家天文台研究员。感谢中国科学院国家空间科学中心孙志斌研究员、刘勇研究员提供的修改建议和有益讨论，感谢空间科学传播专家工作室的支持。）本文仅代表作者观点发于2023.5.1总第1090期《中国新闻周刊》杂志杂志标题：理性看待SpaceX的星舰首飞作者：周炳红 郑永春
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