馬斯克的執(zhí)念：BFR和得州荒灘上的試驗(yàn)機(jī)

文/田豐

▲2018年版BFR

太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的“大獵鷹”火箭（Big Falcon Rocket，以下簡稱BFR）是一款非常奇怪的運(yùn)載火箭，自2016年國際宇航大會上以壓軸演講形式首次公開至今，這款承載著公司創(chuàng)始人艾隆·馬斯克“火星殖民”夢想的重型運(yùn)載火箭基本每隔幾個月就會進(jìn)行一次公開的項(xiàng)目進(jìn)度和設(shè)計更新，但是航天業(yè)界卻鮮有人認(rèn)真地看待它。BFR既沒有正式的政府和軍方資助，也沒有衛(wèi)星運(yùn)營商的商業(yè)訂單，如果排除日本億萬富豪前澤友作發(fā)起的載人繞月項(xiàng)目，BFR就是一款由SpaceX公司“自掏腰包”且只存在于紙面上的“夢想”火箭。除了BFR配套的猛禽（Raptor）發(fā)動機(jī)斷續(xù)試車的消息外，沒有任何實(shí)物能證明這款設(shè)計指標(biāo)激進(jìn)的運(yùn)載火箭正在真正地進(jìn)行研發(fā)和制造。不過從2019年初開始，這個狀況有了改變。

露天焊鋼板，荒灘造火箭

2014年8月，SpaceX公司曾在得克薩斯州的博卡奇卡鎮(zhèn)（Boca Chica Village）海邊購得一塊場地，欲建成公司自有發(fā)射場。但隨著業(yè)務(wù)進(jìn)展，公司已經(jīng)放棄修建自建發(fā)射場，緩慢的基建進(jìn)度使媒體幾乎遺忘了這個場地的存在。然而2018年底，馬斯克宣稱將推翻已有的BFR設(shè)計，將正在研發(fā)的BFR貯箱材料將由原設(shè)計的碳纖維復(fù)合材料更換成金屬（Metal），同時還將大幅加速項(xiàng)目進(jìn)度，并且馬上就會有BFR火箭的二級——“星船”（StarShip）的亞軌道跳躍（懸停）測試機(jī)（Suborbital Hop Demo）實(shí)物照片公開。

翻天覆地的設(shè)計變更，不切實(shí)際的時間進(jìn)度，使得業(yè)界對馬斯克這番對BFR表態(tài)的真實(shí)性心存疑慮。但僅僅過了兩周后，SpaceX公司在博卡奇卡鎮(zhèn)的場地上，一個形似水塔的巨大鋼制罐型容器在露天開始了拼裝焊接。更令人驚奇的是，施工活動周末不休，日夜趕工，而場地周邊只是荒草野灘，沒有封閉式廠房設(shè)施。但這個“水塔”其實(shí)就是馬斯克之前所說的星船跳躍（懸停）測試機(jī)，其貯箱直接由市售不銹鋼板在露天制造，不但施工環(huán)境簡陋，焊縫和成品也粗糙不堪，與人們印象中堪稱“大國重器”的重型運(yùn)載火箭制造場景大相徑庭。星船測試機(jī)與最終用于軌道發(fā)射的BFR同樣為9米直徑，一二級貯箱均采用301不銹鋼板制成，但測試機(jī)高度會比正式星船的55米稍矮，約為40米。

▲星船測試機(jī)實(shí)物圖

▲“蚱蜢”

▲X-37B，圖中可見覆蓋的TUFROC防熱瓦

▲大小對比圖

星船測試機(jī)的作用其實(shí)應(yīng)與當(dāng)年“獵鷹9”的測試機(jī)“蚱蜢”（Grasshopper）如出一轍，即用于垂直起飛垂直降落（VTVL）測試?！矮C鷹9”回收的成功并非一蹴而就，“蚱蜢”2012年9月首飛，在其后一年多的時間內(nèi)共進(jìn)行了8次懸停測試，為“獵鷹9”回收方案的成型和成熟奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。“蚱蜢”僅僅安裝了一臺梅林1D發(fā)動機(jī)，且箭體頂部未設(shè)置格柵舵，完全依靠發(fā)動機(jī)的擺動機(jī)構(gòu)和變推力能力來維持平衡；星船測試機(jī)與之類似，設(shè)計安裝有3臺代號“猛禽”的液氧甲烷發(fā)動機(jī)，未設(shè)計有格柵舵。依據(jù)SpaceX公司向美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）遞交的測試方案，星船測試機(jī)的測試高度不超過5公里，時長不超過360秒。

如無意外，星船測試機(jī)的測試首先會是原地點(diǎn)火，維持推重比平衡前提下進(jìn)行推力穩(wěn)定測試，然后懸停在距地面數(shù)米高，懸停過程會測試猛禽發(fā)動機(jī)的實(shí)際振動特性、燃燒穩(wěn)定性、變推力、擺動機(jī)構(gòu)、GNC系統(tǒng)和控制算法等。然后逐步調(diào)整跳躍高度，漸次提高懸停高度和上升下降速率，還會擇機(jī)測試平移，為最終用于軌道發(fā)射的BFR積累經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。

BFR自曝光后三年來，運(yùn)力指標(biāo)和設(shè)計方案一改再改，定型似乎遙遙無期。但作為BFR提出以來的首個可飛行實(shí)物，星船測試機(jī)的誕生是一個重要里程碑，一方面代表SpaceX公司正在設(shè)法加速接近其最終設(shè)計，另一方面也可以從中管窺正式BFR火箭的全新設(shè)計和技術(shù)特性。

▲X-33試驗(yàn)飛行器

▲全流量分級燃燒循環(huán)圖

碳纖維還是不銹鋼？這是個問題

星船測試機(jī)最大的變化是貯箱材料從碳纖維復(fù)合材料更換為不銹鋼，BFR本身亦然，其實(shí)不銹鋼貯箱并非什么“偉大創(chuàng)新”，為聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）的宇宙神5火箭締造不敗神話的半人馬上面級（Centaur）使用的就是不銹鋼材質(zhì)。雖然采用了密度3倍于鋁合金的301不銹鋼，但通過薄殼氣球和共底設(shè)計維持了高干質(zhì)比，其氫箱頂部最薄處僅有0.25毫米。最難能可貴的是作為一款從1962年服役至今的高性能低溫上面級，“半人馬”在成熟后一直維持著極高的可靠性。但SpaceX公司聲稱BFR的不銹鋼結(jié)構(gòu)與之不同，“半人馬”屬于氣球貯箱，需要時刻保持內(nèi)壓，否則會發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，但SpaceX公司所設(shè)計的不銹鋼貯箱在無內(nèi)壓條件下仍舊可以保持外形。

為了追求極致的輕量化設(shè)計，BFR從2016年曝光伊始就宣稱將采用大直徑碳纖維復(fù)合材料共底貯箱，并與著名的碳纖維制造商東麗（Toray）簽訂了供貨意向。該設(shè)計直至2018年秋發(fā)布會都未曾改變。SpaceX公司在2016年還試制了12米直徑的碳纖維貯箱試驗(yàn)件，并進(jìn)行了破壞性耐壓試驗(yàn)。再加上火箭實(shí)驗(yàn)室公司同樣采用碳纖維貯箱的電子號運(yùn)載火箭已經(jīng)成功進(jìn)行了3次發(fā)射，雖然兩者體量和技術(shù)要求相差甚大，但仍為碳纖維貯箱的應(yīng)用提供了支撐。還有，碳纖維纏繞壓力容器（COPV）已經(jīng)廣泛運(yùn)用在了現(xiàn)役獵鷹火箭的貯箱增壓設(shè)計上，所以對于BFR所采用的碳纖維材質(zhì)，雖然業(yè)界偶有質(zhì)疑之聲，但并非主流。此次突然宣布更換貯箱材料，想必是研發(fā)中遇到了不可逾越的障礙，而這個障礙，就要從碳纖維本身說起了。

碳纖維本身高強(qiáng)度、低密度的優(yōu)異特性吸引了汽車、航空、航天等行業(yè)競相使用，但并非完美無缺，而且應(yīng)用在貯箱時還曾有過“黑歷史”。比如美國的X-33試驗(yàn)飛行器，它是無人駕駛單級入軌可重復(fù)使用航天器“冒險星”（VentureStar）的縮比原型機(jī)。由于“X-33”的后繼機(jī)“冒險星”最終面向的是單級入軌，結(jié)合齊式公式，“X-33”采用了碳纖維復(fù)合材料貯箱以追求極致干質(zhì)比，又采用了液氫液氧推進(jìn)劑組合追求極致比沖。但問題就出在這個追求雙極致的過程中，1999年一次復(fù)材液氫貯箱泄露事故導(dǎo)致項(xiàng)目進(jìn)度停滯，問題遲遲得不到解決，最終洛·馬公司的臭鼬工廠決定放棄復(fù)材貯箱，回退到傳統(tǒng)金屬貯箱，但仍然沒有逃脫項(xiàng)目下馬的命運(yùn)，“X-33”于2001年徹底夭折。無獨(dú)有偶，SpaceX公司自己也曾經(jīng)因?yàn)樘祭w維和低溫液氧相容性問題遭受過“阿莫斯-6”爆炸事故的慘痛教訓(xùn)。

▲火箭實(shí)驗(yàn)室公司的碳纖維貯箱

▲不銹鋼貯箱瓜瓣正在焊接

反觀不銹鋼，首先半人馬座上面級的液氫貯存溫度低至零下253攝氏度，同時具備在軌長時間滑行和多次點(diǎn)火能力，滑行中貯箱壁外是無遮無擋的劇烈陽光，貯箱壁內(nèi)則是距離絕對零度僅有23攝氏度的低溫液氫，稱之為冰火兩重天毫不為過，而這種結(jié)構(gòu)仍然工作如常，足見其可靠性。其次是成本壓力，馬斯克稱其采用的碳纖維報價每千克135美元，同時考慮到35%的廢料率，實(shí)際成本接近每千克200美元，而不銹鋼每千克售價僅3美元。最后是不銹鋼的焊接和加工工藝高度成熟，而碳纖維則需用復(fù)雜的高強(qiáng)度樹脂浸漬來實(shí)現(xiàn)，因此不銹鋼的成本優(yōu)勢相當(dāng)可觀。但是不銹鋼也非完美，其高密度的缺點(diǎn)需要大量額外的減重設(shè)計來彌補(bǔ)，不可避免地導(dǎo)致運(yùn)力進(jìn)一步縮水。但除了這三條理由外，還有一個SpaceX公司不得不采用不銹鋼的原因——全新的主動防熱設(shè)計。

不銹鋼三明治和再生冷卻熱盾

BFR作為一款兩級可完全重復(fù)使用的運(yùn)載火箭，其二級也就是星船需要再入大氣層返回地面，類比升力體+三角翼結(jié)構(gòu)的航天飛機(jī)再入大氣層的情況，其機(jī)身迎風(fēng)面溫度最高達(dá)1200攝氏度左右。傳統(tǒng)防熱系統(tǒng)主要采用燒蝕材料或者非燒蝕防熱瓦，若星船巨大的迎風(fēng)面類似于采用非燒蝕防熱瓦的航天飛機(jī)，需要布置大面積防熱結(jié)構(gòu)，隨之而來的加工、膠粘、維護(hù)工作耗時長、成本高，與預(yù)想中的廉價重復(fù)使用思路格格不入。所以SpaceX公司提出了全新的“再生冷卻熱防護(hù)系統(tǒng)”的概念。該系統(tǒng)原理類似于液體火箭發(fā)動機(jī)噴管的再生冷卻，是在貯箱迎風(fēng)面采用雙層不銹鋼，中間設(shè)置有細(xì)密的流道，再入過程中貯箱內(nèi)的低溫推進(jìn)劑流過流道，帶走貯箱外表面熱量以保護(hù)星船，同時還起到了加固迎風(fēng)面結(jié)構(gòu)的作用，以抵抗再入過程中巨大的氣動阻力。不僅如此，SpaceX公司還引入了液體火箭發(fā)動機(jī)推力室的“發(fā)汗冷卻”思路，在迎風(fēng)面貯箱外壁設(shè)置了細(xì)密的蒸發(fā)孔，從而輔助冷卻星船。根據(jù)這兩種冷卻方案的條件，星船原定使用的碳纖維只能無奈出局，不銹鋼進(jìn)入了公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)的視野。

馬斯克在表述理由時首先說到不銹鋼的熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于鋁，雖然碳纖維也不會融化，但樹脂在特定溫度下會遭到破壞。典型的鋁合金或碳纖維，在穩(wěn)定的工作條件下，其能承受的溫度在149攝氏度左右，一旦超過200攝氏度時，便有相當(dāng)風(fēng)險。而不銹鋼的工作溫度可以高達(dá)800攝氏度以上，此時強(qiáng)度仍沒有明顯弱化。而在貯存低溫推進(jìn)劑時，通常的碳鋼在零下165攝氏度的低溫下會變脆，但鉻鎳含量較高的不銹鋼卻不會這樣，馬斯克表示此時強(qiáng)度反而有所增加，延展性仍然很高。因此不銹鋼為防熱系統(tǒng)提供了很高的設(shè)計裕量，由于工藝成熟，應(yīng)用再生和發(fā)汗冷卻方案也更容易，因此決定換用不銹鋼。不僅如此，馬斯克還表示可能不會對箭體外表面進(jìn)行涂裝，而是進(jìn)行鏡面拋光，以達(dá)到最大的反射率，將再入過程中的輻射熱盡可能反射出去，這也是碳纖維難以做到的。

除此之外，在星船著陸腿和氣動翼面的某些部分，限于條件無法采用再生冷卻。所以BFR很可能在這些部分采用一種新型防熱材料。眾所周知，SpaceX公司現(xiàn)有的PICA-X防熱材料來自于美國宇航局的埃姆斯（Ames）研究中心，意為酚醛浸漬碳燒蝕體，是一種低燒蝕輕質(zhì)防熱材料，每次再入后會產(chǎn)生一定減薄，可復(fù)用性并不十分理想。所以SpaceX公司與埃姆斯研究中心“再續(xù)前緣”，有意在BFR上采用新型TUFROC防熱材料，該材料曾用于美國空軍試驗(yàn)航天器X-37B的翼面前緣。TUFROC是增韌型單片纖維增強(qiáng)抗氧化復(fù)合材料的簡稱，這種材料可在1650攝氏度高溫下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，密度低至0.35克/厘米3，且隔熱防熱一體化。它結(jié)合了碳帽、硅膠基和固化玻璃涂層，以防止氧化。近年來，波音公司通過“X-37B”在軌道速度再入后成功證明了TUFROC的重復(fù)使用性能，證實(shí)了這種材料能夠在經(jīng)歷極少甚至沒有燒蝕的情況下幸存下來。SpaceX公司有意采用TUFROC其實(shí)還可能另一方面原因，就是TUFROC可直接貼敷在不銹鋼上，工藝上較碳纖維結(jié)構(gòu)有所簡化。

▲星船測試機(jī)正在組裝中

神秘的“猛禽”，超高的室壓

和幾乎推倒重來的星船一樣，BFR的“御用”發(fā)動機(jī)“猛禽”也沒有停止更新的腳步，SpaceX公司表示猛禽發(fā)動機(jī)的設(shè)計也有修改，推力可能會有所上升，并有望于今年春季進(jìn)行首次點(diǎn)火試車。改進(jìn)后的“猛禽”維持了已有的“全流量分級燃燒循環(huán)”設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了原有規(guī)劃中的推力室氣-氣燃燒，同時還將室壓推高到前所未有的30兆帕。有望成為第一款投入實(shí)用化的全流量分級燃燒循環(huán)發(fā)動機(jī)，一掃公司以往以“梅林”這款推力不足百噸的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)發(fā)動機(jī)包打天下的形象。而新一代高室壓、全新循環(huán)方式、全新推進(jìn)劑組合、高比沖、深度節(jié)流的“猛禽”如果最終成功，SpaceX公司將有望推翻“拼湊廉價發(fā)動機(jī)”的固有形象。

▲猛禽發(fā)動機(jī)試車圖

▲星船測試機(jī)安裝的3臺猛禽發(fā)動機(jī)模型

“猛禽”具有一個富氧一個富燃兩個預(yù)燃室，兩個預(yù)燃室燃燒生成的燃?xì)庠谕屏κ覅R聚，進(jìn)行相對穩(wěn)定的氣-氣燃燒，其中富氧預(yù)燃室需要耐高溫高壓的特殊材料和涂層。SpaceX公司宣稱公司已經(jīng)研發(fā)了一種代號SX500的高溫合金，可以在82.7兆帕的高壓力和富氧燃?xì)獾臎_刷下長時間正常工作，而且稱該型合金已經(jīng)投入量產(chǎn)，可以批量用于后續(xù)迭代試驗(yàn)?！懊颓荨彼闇?zhǔn)的30兆帕推力室室壓在現(xiàn)役液發(fā)中罕逢敵手，SpaceX公司自家的梅林1D發(fā)動機(jī)還不到10兆帕，“藍(lán)色起源”同樣采用液氧甲烷推進(jìn)劑組合的BE-4發(fā)動機(jī)才13.44兆帕，洛克達(dá)因的得意之作RS-25發(fā)動機(jī)為20.64兆帕，俄制RD-180也不過26.7兆帕，即使同樣采用全流量分級燃燒的RD-270也不過是26兆帕級別?？偟恼f來，推力室高室壓是一把雙刃劍，負(fù)面效應(yīng)上不僅會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)增重，萬一出現(xiàn)發(fā)動機(jī)爆炸，類似獵鷹9火箭“八角網(wǎng)”結(jié)構(gòu)的凱夫拉隔板很可能難以約束推力室高壓所噴射出來的飛射物，從而導(dǎo)致連鎖反應(yīng)。

▲疑似采用雙鐘形噴管的發(fā)動機(jī)模型

從“猛禽”2016年9月第一次點(diǎn)火至今已經(jīng)過去了3年，距離2011年作為“獵鷹9”上面級發(fā)動機(jī)進(jìn)行小范圍研發(fā)開始已經(jīng)7年，至今仍難說定型穩(wěn)定，過程之坎坷，難度之高可見一斑。

寫下這些文字的時候，星船測試機(jī)還在得州的荒灘邊夜以繼日地組裝著，粗糙的外觀和簡陋的施工條件引來了無數(shù)熱議。這些戲謔和調(diào)侃言論大多抱著玩笑的心態(tài)和一絲希冀，希望它真的能成為人類第一款完全可重復(fù)使用的低成本運(yùn)載火箭，也是邁向星辰大海的又一步。畢竟馬斯克的火星夢已經(jīng)做了17年，終于到了圓夢的時刻了。BFR不僅是一款設(shè)計指標(biāo)奇高的重型運(yùn)載火箭，更是SpaceX公司一次孤注一擲的豪賭。

總而言之，這個帶著支腿的不銹鋼罐子，哪怕其何其簡陋，也畢竟是人類向航班化低成本航天發(fā)射的一次嘗試。究竟是會像某些資本加持的創(chuàng)新一樣喧囂過后一地雞毛最終淪為笑談，還是破繭成蝶終能一飛沖天翱翔寰宇，還請各位讀者耐心等待。