四射四炸后，“星艦”為何仍中標(biāo)登月艙

文/ 田豐

▲ 中標(biāo)后太空探索技術(shù)公司公布的登月艙渲染圖

2021年4月17日，美國宇航局正式宣布美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）被選為美國“阿爾忒彌斯”登月計劃中“載人登陸系統(tǒng)”，也就是載人登月艙的唯一承包商。在此過程中，太空探索技術(shù)公司基于其正在研發(fā)的、完全可重復(fù)使用的火箭“星艦”，打造了一款專用于月球登陸的“星艦”改版“登月艙”。該方案最終出乎業(yè)界意料擊敗了由“藍(lán)色起源”+“洛克希德·馬丁”+“諾格創(chuàng)新系統(tǒng)公司”+“德雷珀”組成的全明星“國家隊”，以及Dynetics公司牽頭25家分包商組成的“小企業(yè)隊”，最終雀屏中選。這是一份價值28.9億美元的固定額度合同，按里程碑進(jìn)行階段性付款。此次合同范圍包括整個登月艙的第三階段研發(fā)資助，以及后續(xù)的一次無人和載人落月演示任務(wù)。

在任務(wù)架構(gòu)上，目前基于2024年執(zhí)行的阿爾忒彌斯-3任務(wù)規(guī)劃，美國宇航局的“太空發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）將發(fā)射獵戶座飛船前往月球，飛船搭載4名航天員。進(jìn)入環(huán)月軌道后，獵戶座飛船將與“星艦”在軌對接，其中2名航天員將轉(zhuǎn)移到“星艦”上，隨后“星艦”分離著陸月球表面。經(jīng)過大約一周的月面探索后，他們將登上“星艦”，返回環(huán)月軌道并與獵戶座飛船對接，最終全部航天員乘坐獵戶座飛船返回地球。

商業(yè)航天采購模式的終極表演

此次招標(biāo)之所以備受矚目，不僅因為原定的合同額度誘人，美國宇航局僅在投標(biāo)第二階段便豪擲9.7億美金支持研發(fā)，加之投標(biāo)方眾星云集，堪稱美國航天界的“神仙打架”，既有“洛·馬”和“諾格創(chuàng)新系統(tǒng)公司”這種傳統(tǒng)軍工巨頭，也有太空探索技術(shù)公司和“藍(lán)色起源”這種業(yè)界新貴。更重要的是，這是近十年來美國商業(yè)航天采購模式從近地軌道任務(wù)向旗艦級深空載人任務(wù)延伸的一次突破。

在傳統(tǒng)觀念中，載人登月項目應(yīng)該由美國宇航局統(tǒng)一管理和實施，而事實也的確如此。阿爾忒彌斯計劃四大重要組成部分中的兩個——獵戶座飛船和太空發(fā)射系統(tǒng)，即俗稱的“一船一箭”均采用了類似阿波羅時期的傳統(tǒng)采購模式，美國宇航局一攬子負(fù)責(zé)任務(wù)規(guī)劃、設(shè)計、經(jīng)費并擁有航天器所有權(quán)，而“波音”和“洛·馬”等航天企業(yè)僅作為總承包商負(fù)責(zé)制造。但這種模式近年來弊端盡顯，“一船一箭”的經(jīng)費超支和進(jìn)度拖延已讓美國宇航局騎虎難下，累計耗資已近350億美元。而另一方面，近年來美國宇航局主張的一系列商業(yè)航天采購項目卻碩果累累，項目的進(jìn)度和經(jīng)費都得到了合理控制，和“一船一箭”項目形成了鮮明對比。

美國宇航局的商業(yè)航天采購始于2008年的“商業(yè)貨運服務(wù)項目”，在項目中該局一改以往的“包辦船長”角色，變身“付費乘客”，只購買國際空間站的貨運服務(wù)，并不保有航天器和火箭所有權(quán)，不介入具體設(shè)計和制造。但為了控制安全、進(jìn)度和經(jīng)費，設(shè)置了一系列“里程碑”，完成節(jié)點方可獲撥對應(yīng)合同款。最終太空探索技術(shù)公司及軌道科學(xué)技術(shù)公司（現(xiàn)已被“諾·格創(chuàng)新系統(tǒng)公司”收購）兩家公司分別以16億和19億美元價格中標(biāo)，成功研發(fā)了貨運龍飛船和天鵝座兩款飛船，以及“獵鷹9”和“心宿二”兩款運載火箭，兩者互為備份并共同支撐了國際空間站的貨物上下行。

▲ 天鵝座貨運飛船

▲ 貨運龍飛船

隨后，美國宇航局提出了“商業(yè)載人航天項目”，該項目借鑒了“商業(yè)貨運服務(wù)項目”的成功經(jīng)驗，飛船所有權(quán)歸屬企業(yè)，中標(biāo)企業(yè)可以在滿足美國宇航局任務(wù)需求外執(zhí)行太空旅游等商業(yè)任務(wù)，借此激勵企業(yè)創(chuàng)新和自籌部分資金。最終美國宇航局僅耗資約82億美元，就獲得了“載人龍”和“星際線”兩款載人飛船，以及兩型配套的載人級運載火箭。該項目與耗資150億美元卻仍未正式首飛的“獵戶座”形成鮮明對比。

▲ “載人龍”（左一）和“星際線”（左二）加一起都沒獵戶座（右一）貴

▲ 登月艙對接月球軌道平臺門戶渲染圖，圖中類似“藍(lán)色起源”方案，可見登月艙尾部的轉(zhuǎn)移級

商業(yè)航天采購模式在近地軌道的成功，鼓勵了美國宇航局將該模式向深空推進(jìn)。在隨后的“月球軌道平臺門戶”（LOP-G）項目上，該局繼續(xù)采用這種模式采購其核心艙段。同樣經(jīng)兩輪篩選后，“麥克薩”憑借其在全電推進(jìn)通信衛(wèi)星領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗，成功中標(biāo)“推進(jìn)與電力艙段”（PPE）；諾·格創(chuàng)新系統(tǒng)公司則利用已有的天鵝座貨運飛船中標(biāo)美國居住艙。至此，LOP-G的核心艙段全部發(fā)包完畢，基于商業(yè)航天模式利用了成熟技術(shù)，采用成熟的商業(yè)火箭發(fā)射，合同經(jīng)費和進(jìn)度有望被合理控制。

作為重返月面的最后一塊重要拼圖，登月艙的招標(biāo)也順理成章延續(xù)了商業(yè)采購模式。2019年9月，美國宇航局發(fā)布載人登陸系統(tǒng)采購需求，采購類似前述項目，固定額度合同，根據(jù)里程碑完成情況撥款。需求提出擬在2024年執(zhí)行的阿爾忒彌斯-3任務(wù)上，進(jìn)行首次載人（無人）登月嘗試。該項目吸引了5家企業(yè)參與投標(biāo)。2020年4月，經(jīng)過初步評標(biāo)篩選，該局在5家中選擇3家進(jìn)入設(shè)計階段，首先由“藍(lán)色起源”牽頭的“國家隊”組合登月艙毫無懸念中標(biāo)，獲資5.8億美元；隨后是Dynetics的整體登月艙獲資2.5億美元，最后是太空探索技術(shù)公司基于“星艦”的登月艙方案，僅獲資1.35億美元。

▲ “藍(lán)色起源”綜合著陸器的渲染圖

五“仙”登月，各顯其能

在落榜企業(yè)中，“波音”最初投標(biāo)的登月艙類似阿波羅登月艙，由上升級和下降級組成，需SLS的Block 1B改進(jìn)型火箭整體發(fā)射升空。“波音”的方案意圖順路搭售自家承制的SLS火箭，同時倒逼美國宇航局立項撥款SLS的Block 1B改型?？紤]到SLS Block 1型單發(fā)成本已逼近20億美元，Block 1B耗資只多不少，所以該方案成本已超美國宇航局心理預(yù)期。然而投標(biāo)截止期前“波音”突然修改投標(biāo)方案，將整體式登月艙改為可由“火神”等商業(yè)火箭發(fā)射升空并在月球軌道對接的組合式登月艙。但標(biāo)書修改后不久，便被媒體曝光“波音”臨陣變卦是受到美國宇航局內(nèi)部人士泄密的“指導(dǎo)”，因此“波音”只得退出競標(biāo)。

“國家隊登月艙”命名為“綜合著陸器”，由轉(zhuǎn)移級、下降級和上升級3部分組成，3個部分可分別通過“新格倫”和“火神”運載火箭發(fā)射，并在環(huán)月軌道或月球軌道平臺門戶進(jìn)行組裝；也可以通過SLS整體發(fā)射。下降級源于“藍(lán)色起源”2019年5月公開的的“藍(lán)月亮”項目，公司為該項目單獨研發(fā)了代號BE-7的氫氧發(fā)動機(jī)。該發(fā)動機(jī)推力40千牛，可深度節(jié)流（變推力），采用獨特的“雙膨脹燃燒循環(huán)”，還為此進(jìn)行了相關(guān)試車。上升級的動力系統(tǒng)和乘員艙均由“洛·馬”負(fù)責(zé)，設(shè)計上盡可能與獵戶座飛船共用系統(tǒng)。轉(zhuǎn)移級則由諾格創(chuàng)新系統(tǒng)公司負(fù)責(zé)，同樣充分參考其在天鵝座貨運飛船上的設(shè)計；德雷珀公司則負(fù)責(zé)航電系統(tǒng)的研發(fā)。“綜合著陸器”可以與“獵戶座”或月球軌道平臺門戶對接，并可長期在軌以供遠(yuǎn)期重復(fù)使用。

Dynetics的“載人登陸系統(tǒng)”是一種單級登月艙，上升和下降階段采用同一套系統(tǒng)，但是引入了模塊化的可拋式推進(jìn)劑貯箱，既可以在上升階段拋掉部分貯箱以減重，也可以在月球軌道平臺門戶進(jìn)行模塊化補(bǔ)加。其優(yōu)勢在于乘員艙高度較低，航天員相對另兩家方案更易出入。規(guī)劃采用“聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟”的火神運載火箭發(fā)射升空。

太空探索技術(shù)公司的登月艙與其他廠商的專研方案不同，其派生自公司正在自行研制的，代號“星艦”的兩級可完全重復(fù)使用重型火箭。星艦全箭采用公司自研的“猛禽”液氧甲烷發(fā)動機(jī)，貯箱主要采用不銹鋼，近地軌道運力不低于100噸。而投標(biāo)所使用的登月艙實際上是星艦二級的登月專用改型，也被稱為“星艦飛船”（Starship spacecraft，下文繼續(xù)簡稱“星艦”）。它高50米，直徑9米，干重約100噸（最終方案可能有所壓減），可加注約1200噸推進(jìn)劑。相對于標(biāo)準(zhǔn)“星艦”的二級，登月版“星艦”針對月球環(huán)境做出了優(yōu)化。目前具體設(shè)計尚未最終固化，但已有部分變動公開。首先，月球并無大氣層，因此所有氣動翼面均被刪除，迎風(fēng)面大面積覆蓋的陶瓷基非燒蝕隔熱瓦也全部取消。其次，著陸腿考慮月壤和緩沖需求亦有修改。此外，考慮到月球的低重力和猛禽發(fā)動機(jī)節(jié)流能力有限，加之為減小發(fā)動機(jī)尾流對著陸區(qū)影響，登月版星艦在上部增設(shè)著陸專用發(fā)動機(jī)。最后，還增設(shè)了航天員和貨物用電梯以及兩個獨立的氣閘艙。

▲ 2019年5月，發(fā)布會上的“藍(lán)月亮”計劃

最終投標(biāo)結(jié)果原定今年2月揭曉，不料項目中途遭遇“預(yù)算”危機(jī)，2021財年美國宇航局為“載人登陸系統(tǒng)”項目申請32億美元預(yù)算，但國會最終實批僅有8.5億美元經(jīng)費。這些經(jīng)費支撐一家企業(yè)研發(fā)都尚不充裕，更遑論實現(xiàn)以往招標(biāo)中三選二且互為備份的目的。因此開標(biāo)前業(yè)界普遍預(yù)測實力強(qiáng)勁且方案相對成熟的“國家隊”將成為經(jīng)費縮水后的唯一中標(biāo)方，但4月17日太空探索技術(shù)公司中標(biāo)的結(jié)果卻讓業(yè)界大跌眼鏡。

▲ Dynetics的登月艙渲染圖

燙手的合同，難拿的項目

太空探索技術(shù)公司中標(biāo)消息爆出后各方反應(yīng)不一。眾議院科技委員會主席瑪麗亞·坎特韋爾直接表態(tài)對美國宇航局的選擇表示失望，同時稱該局不應(yīng)在新任局長尚未任命的前提下宣布招標(biāo)結(jié)果，且強(qiáng)調(diào)載人登月級別的任務(wù)應(yīng)保有必要的備份。美國“深空探測聯(lián)盟”對美國宇航局宣布開標(biāo)結(jié)果表示禮節(jié)性祝賀，卻只字未提中標(biāo)方。而兩家落標(biāo)方則對招標(biāo)公開表示質(zhì)疑，并表示將進(jìn)行申訴。

▲ 4臺星艦原型機(jī)的“前炸后繼”，終于換來了合同

由于美國法律規(guī)定投標(biāo)申訴需在開標(biāo)后30天內(nèi)進(jìn)行，4月26日，兩家在采購申訴期壓線向“美國政府問責(zé)辦公室”提交了長達(dá)175頁的申訴申請?？乖V點在于認(rèn)為美國宇航局對方案的各個方面進(jìn)行了不當(dāng)評估，且沒有留給另外兩家適應(yīng)性修改報價和標(biāo)書的機(jī)會。4月30日，美國宇航局迫于壓力暫停合同執(zhí)行，直到“美國政府問責(zé)辦公室”作出最終裁決。

雖然這份合同在各方勢力交錯下一波三折，但“星艦”本身的研發(fā)卻仍在高歌猛進(jìn)。5月6日，星艦SN15原型機(jī)首次成功執(zhí)行10千米試飛，在兩臺猛禽發(fā)動機(jī)的推動下穩(wěn)穩(wěn)落地。據(jù)消息透露SN15的狀態(tài)良好，經(jīng)過修整評估后會繼續(xù)組織更多試飛。而瞄準(zhǔn)入軌發(fā)射的SN20號原型機(jī)也已經(jīng)在制造當(dāng)中，“星艦”一級的試制工作也在緊鑼密鼓地開展，完全未受中標(biāo)風(fēng)波的影響。

美國的登月大戲真的是愈加精彩了。

▲ 平穩(wěn)著陸后的“星艦”SN15，后續(xù)還將重上藍(lán)天，為登月做技術(shù)儲備