终于上天，但还是炸了

作者：张雪松

本文转载自：中国科学报（ID:china_sci）

文｜张雪松

图片来源：推特

4月17日，SpaceX公司的星舰在点火前8秒取消首飞。4月20日星舰再次整装待发，计划在晚上9时28分到10时30分之间发射。星舰虽然于9时33分点火并发射升空，但由于姿态失控和一二级分离失败，最终失控被迫引爆，发射以失败告终。

SpaceX公司现役的猎鹰九号火箭已经称霸国际商业发射市场，星舰是该公司研制的新一代运载工具，具有庞大的运载能力和低廉的发射价格，它的首飞更是引起了全世界的广泛关注：星舰为什么影响力这么大？它处于什么样的水平？这次首飞试射失败了，但将来成功后又会带来什么变化呢？

星舰的首飞引来了全世界关注的目光，其中很多人并非航天迷。我们有必要先看看星舰的来龙去脉，才能知道为何这个做工粗糙的庞然大物会成为世界的焦点。

要了解今天的星舰，它的后台老板马斯克是绕不过去的话题。美国火星学会致力于探索火星，最终实现殖民火星，马斯克加入火星学会后也努力实现这个梦想，为此创立了大名鼎鼎的SpaceX公司。马斯克从未忘记火星殖民的初心，2005年猎鹰一号小火箭还没有成功，他就首次提到要研制名为大猎鹰的重型火箭。2010年猎鹰九号火箭刚刚首飞成功，他又提出研制猎鹰XX的重型火箭概念，猎鹰XX将使用10台540吨级推力的梅林2发动机，近地轨道运力达到了140吨，比阿波罗登月用的土星五号火箭还强大！

2012年马斯克又提出了火星殖民运输船（MCT）概念，这是一种粗10米以上、完全重复使用的超级火箭，近地轨道运力可达150-200吨。后来马斯克把它改名为行星际运输系统（ITS），并在国际宇航大会上展示了它的基本设计：这种122米高、直径12米的超级火箭，起飞推力1.3万吨，起飞重量也有1.05万吨。如果你对这组数字没有直观印象的话，想想看它有30层楼那么高，重量相当于3枚土星五号火箭！朝令夕改的马斯克最后将这种运载工具定名为星舰，而为了降低研制难度和成本，早在2017年它的直径就缩小为9米，后来外壳又从高技术的碳纤维复合材料改为家庭常见的304型不锈钢。虽然新火箭的名字和设计一变再变，但马斯克的初心却从未改变，那就是：火星！火星！火星！

1969年阿波罗登月的航天热时代，人们总觉得到21世纪肯定能殖民月球火星，但半个多世纪过去了，人类连再次登上月球都困难重重，这实在让世人对航天心灰意冷。马斯克不仅是成功的火箭商人，研制了商业上大获成功的猎鹰九号火箭，还始终不忘高举殖民火星的旗帜，并自掏腰包研制如此巨大的星舰。石破天惊的星舰激起了人们沉寂已久的太空梦！没有人永远年轻，但没有人不曾年轻，当我们年少轻狂的时候，憧憬着诗与远方，有几个人没做过遨游星空的梦想？星舰是为火星殖民而生的梦想之船，寄托着几代人对太空殖民的梦想，它的影响力也远远超出航天迷，成了世界舆论的宠儿。

星舰是马斯克孜孜以求的梦想，但它外壳使用我们生活中随处可见的304不锈钢，粗糙的外观也让人大跌眼镜：就这看似傻大粗的破烂货，也能带人去火星？其实我们深入了解一下，星舰的设计可圈可点，是21世纪火箭当之无愧的标杆。

星舰是一个长度120米，直径9米，起飞重量约5000吨的超级火箭，它的起飞推力可达7590吨，是土星五号起飞推力的两倍还多。随着规模的扩大，火箭研制难度指数级提高，星舰作为一种体量远远超出土星五号和N-1的超级火箭，能研制出来并立上发射台，本身就是一个了不起的成就。

星舰这顶最大火箭的桂冠含金量也十足。就说航天迷津津乐道的猛禽发动机吧，它的喷口直径只有约1.2米，看上去小巧玲珑但地面推力约230吨，而且发动机推重比超过100，是当今技术最先进、性能最强大的液体火箭发动机之一。星舰使用不锈钢也经过了精心考虑，马斯克就曾解释过：首先不锈钢十分便宜，价格远低于碳纤维或铝合金；其次不锈钢低温下强度高，部分弥补了材料密度大的劣势；不锈钢还比较耐热，能降低对再入防热的要求。综合考虑，使用不锈钢损失的性能有限，但明显降低了成本和加工难度，这大概就是大巧无功吧。

星舰系统是一个由超重助推器和星舰上面级组成的二级火箭，二级都要回收并重复使用。星舰完全重复使用时近地轨道运力可达100吨，有潜力增加到150吨，已经超越了去年首飞的SLS火箭，成为目前世界上运载能力最大的火箭。苏联和平号空间站也就130吨重，如果不考虑尺寸限制的话，星舰一次能把和平号送上太空，这够不够惊诧？！如果星舰推出一次性使用的型号，运力能提高到250吨以上，就更是史无前例的巨无霸了。

星舰最大的优势是重复使用带来的廉价成本。日常生活中一次性筷子随处可见，但没有谁的汽车只开一次吧，从这个经验出发，复杂昂贵的东西要多次使用分摊成本。然而复杂昂贵的运载火箭，恰恰基本都是一次性使用的，这让航天发射的成本极高，科幻迷们念念不忘的大航天时代，几十年来也都是空想。星舰设计上第一级超重和第二级星舰都有动力返回发射场，然后迅速组装再次投入发射，超重和星舰重复使用对设计制造的技术要求极高。一旦星舰实现了快速和多次重复使用，它的发射成本将断崖式下降，这是星舰最大的魅力所在，夸张些说星舰对一次性火箭是降维打击。

星舰大运力、低价格和高性能的背后，是极大的技术跨度和风险，尤其是第一级并联33台火箭发动机，更是让人联想到苏联N-1发射屡战屡败的阴影，也难怪马斯克在首飞前说：不炸发射台就是成功！星舰在4月20日的首飞中，直播画面上显示刚起飞就有3台发动机关机，起飞1分钟后关机数量增加到4台，约1分半又增加2台。首飞中星舰的故障检测、推力和姿态冗余系统发挥了作用，不仅及时关闭了故障发动机，星舰还正常飞行成功闯过发射的最大动压段，但可能是发动机失效太多，一二级分离前星舰已经失控，一二级也没能正常分离，发射任务还是失败了。

星舰发射升空并挺过了最大动压段，证明了第一级超重基本设计的可行性，这对首飞失败的星舰来说多少是个安慰。星舰系统未来还要继续进行更多的试射，不仅要成功发射入轨，还要实现第一级超重和第二级星舰的动力返回和捕获，更艰巨的考验还在后头。然而星舰一旦完全研制成功，将对世界航天工业带来革命性的冲击。星舰运载能力可达100吨以上，又能通过完全重复使用显著降低发射成本。马斯克说将来星舰的超重助推器要复用1000次，星舰上面级也有100次，一艘星舰单日最多可以进行三次发射，发射成本可以降低到200万甚至100万美元。这些过于理想的吹牛大可不必当真，但只要星舰一次发射能降低到几千万美元，或者说每公斤物品上太空只需要几百美元，就足以引爆一场产业革命了。

过去几十年里，随着电子工业的发展，卫星造价已经雪崩式下降。只要发射成本能降低到足够水平，商业航天将迎来爆发式大发展，光是SpaceX公司自己就能廉价发射高性能星链二代卫星，构建空前强大的低轨道通信卫星星座。至于公众几十年来津津乐道的太空旅游、天基太阳能电站和太空工厂，也有望从幻想变成现实。依托商业航天市场的良性发展，星舰进一步改进和降低成本，载人飞向火星也不再遥不可及。然而，这一切终究要等待星舰等理论上大运力的廉价复用运载火箭的成功，而星舰未来的试射再出现失败也不会是个例。光明的未来已经出现了一道曙光，但道路仍将是曲折的。

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终于上天，但还是炸了

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