星艦的2021：在“五射四炸”中成長

文/田豐

近年來，太空探索技術(shù)公司發(fā)射數(shù)量屢創(chuàng)新高，星鏈項目高歌猛進(jìn)，一幅順風(fēng)順?biāo)哪印Ｈ欢?021年11月26日的感恩節(jié)周末，公司創(chuàng)始人埃隆·馬斯克向全體員工發(fā)送的一封電子郵件，卻徹底擊碎了這個“幻想”。信中馬斯克稱公司目前的首要任務(wù)（Top Priority）是加速研發(fā)星艦，但目前星艦所采用的“猛禽”發(fā)動機生產(chǎn)已經(jīng)陷入“危機”，若無法及時解決將影響下一代星鏈的部署，2022年太空探索技術(shù)公司甚至有破產(chǎn)的風(fēng)險。

星艦是太空探索技術(shù)公司自2018年起正式開始研發(fā)的一款兩級可完全重復(fù)使用的重型火箭，全箭采用公司自研的代號“猛禽”的液氧甲烷發(fā)動機驅(qū)動。箭體主要采用不銹鋼材料制成，回收狀態(tài)下近地軌道運力不低于100噸。其中，火箭芯二級被稱之為“星艦飛船”（Starship spacecraft），火箭芯一級則稱為“超重型火箭”（Super Heavy rocket）。

但是，星艦緣何能成為太空探索技術(shù)公司的“頭等大事”，“猛禽”為何會讓研發(fā)進(jìn)度止步不前，項目進(jìn)程遭遇了哪些挫折？這還要從剛剛過去的這一年說起。讓我們從頭梳理下星艦這款“生死攸關(guān)”火箭的2021年。

▲ 網(wǎng)友戲稱的“飛天茅臺”升空

萬米試飛五射四敗，首飛障礙逐步掃清

在2020年，星艦SN5和SN6兩臺原型機，在僅有單臺猛禽發(fā)動機支持下，完成了百米級的跳躍測試，由于頂部添加了形似酒瓶蓋的配重，被網(wǎng)友戲稱為“飛天茅臺”。星艦研發(fā)進(jìn)入2021年，最受關(guān)注的無疑是持續(xù)半年且五射四敗10千米級試飛。

首次挑戰(zhàn)12.5千米高度試飛的是星艦SN8原型機，火箭成功起飛后順利完成上升、關(guān)機、滑翔、翻轉(zhuǎn)等階段，但約7分鐘后在最終著陸階段因發(fā)動機點火后推力不足墜地爆炸。

在前期大量原型機的試驗數(shù)據(jù)支持下，SN8安裝了全套控制翼面和頭錐，開始挑戰(zhàn)12.5千米試飛。相對前期原型機，SN8的試飛進(jìn)步主要在于以下三點：首先3臺猛禽發(fā)動機首次組合工作，著陸用的“頭部貯箱”（Head-Tank）首次用于著陸反推，最關(guān)鍵的是星艦首次具備了與日后實飛狀態(tài)一致的完整氣動外形和氣動翼面。因此SN8原型機試飛更貼近星艦服役后再入大氣層過程中的滑翔階段，該階段中發(fā)動機不工作，而是僅依靠前后兩對可動翼面來控制飛船姿態(tài)。據(jù)公開文獻(xiàn)顯示，相對傳統(tǒng)襟副翼控制方式，星艦方案在小攻角和大攻角下均能實現(xiàn)對箭體姿態(tài)的有效控制，其中后翼為主控制面。尤其是在著陸階段攻角大于90°的情況下，類似航天飛機的傳統(tǒng)襟副翼控制方式很可能失效，而星艦的翼面控制方案仍可對姿態(tài)進(jìn)行有效控制，而最終的實際試飛也佐證了這一結(jié)論。

▲ 星艦SN10翻轉(zhuǎn)過程不同于SN9，同時點燃了三臺猛禽發(fā)動機

兩個月后的2021年2月2日，配置與SN8基本相同的星艦SN9號原型機開展試飛，但“頭部貯箱”增壓方式從SN8的自生增壓回退為冷氦增壓，以避免SN8的增壓問題，試飛高度也從12.5千米下降至10千米。太空探索技術(shù)公司曾在獵鷹系列火箭上長期使用冷氦增壓方式，經(jīng)驗相對豐富。但公司稱冷氦增壓并非最終方案，后續(xù)還將逐漸探索以找到最適合星艦的增壓方式。試飛過程與SN8類似，上升段、滑翔段、翻轉(zhuǎn)段均表現(xiàn)正常，最終著陸階段因一臺猛禽發(fā)動機的預(yù)燃室故障，再次墜地爆炸。

連續(xù)兩次失敗并未影響太空探索技術(shù)公司的進(jìn)度，研發(fā)團(tuán)隊改進(jìn)了著陸階段的控制率，將最終著陸階段點燃兩臺猛禽發(fā)動機改為點燃全部3臺，然后選取其中狀態(tài)相對更好的兩臺進(jìn)行著陸，以避免以往方案中1臺無法可靠點火而導(dǎo)致的著陸失敗。

▲ 星艦SN15起飛

▲ SN8-11四臺試飛失敗的原型機合影，明顯可見隔熱瓦的測試面積逐步擴大

一個月后的3月3日，編號SN10原型機再次挑戰(zhàn)10千米試飛，歷經(jīng)上升、滑翔、翻轉(zhuǎn)、著陸4個階段，成為首個高空測試后完整著陸的原型機。然而，因為著陸速度過大（10米/秒），且3個著陸腿沒有鎖定到位，著陸后姿態(tài)略有傾斜。雖然SN10箭體結(jié)構(gòu)完整，但落地沖擊壓碎了部分著陸腿和緩沖機構(gòu)，最終落地8分鐘后突然發(fā)生爆炸，試飛第三次失敗。事后分析是由于推進(jìn)劑中混入了部分增壓用氦氣，導(dǎo)致發(fā)動機推力不足而“重著陸”。

僅僅27天后的3月30日，試飛場大霧彌漫，星艦SN11成為第四臺沖擊高空飛行試驗的原型機。在前期各種問題相繼暴露的過程中，業(yè)界普遍認(rèn)為此次試飛應(yīng)能成功。然而試飛還在上升段時，2號猛禽發(fā)動機（3臺發(fā)動機中的一臺）就發(fā)生了火災(zāi)，雖然后續(xù)的滑翔和翻轉(zhuǎn)試飛仍然正常進(jìn)行，但在最終著陸階段，發(fā)生火災(zāi)的2號發(fā)動機重新點火后不久SN11便丟失了遙測數(shù)據(jù)。由于現(xiàn)場大霧，只能聽見清晰的解體聲音，隨后濃霧中大量SN11的碎片從天而降，第四次試飛再告失敗。事后分析表明，試飛失敗是因甲烷泄漏導(dǎo)致2號發(fā)動機起火，燒毀了部分航電設(shè)備，從而導(dǎo)致著陸階段甲烷渦輪泵啟動失敗。

一連4臺原型機折戟無疑是重大挫折，隨后太空探索技術(shù)公司決定將與墜毀原型機類似設(shè)計的SN12、SN13、SN14全部被報廢，轉(zhuǎn)而開始制造包含大量設(shè)計改進(jìn)的SN15。5月5日，星艦SN15進(jìn)行星艦第五次10千米級試飛。試飛過程十分順利，最終平穩(wěn)著陸。但在著陸后不久，尾部發(fā)動機艙發(fā)生火災(zāi)，隨后被地面消防系統(tǒng)撲滅，試飛終于成功。SN15隨后被轉(zhuǎn)運回廠房拆除發(fā)動機并進(jìn)行檢測，就在媒體期望SN15能重上藍(lán)天時，太空探索技術(shù)公司宣布SN15和設(shè)計類似但尚未試飛的SN16一并退役。

其實在長達(dá)半年的試飛試驗過程中，美國宇航局的“載人登陸系統(tǒng)”（Human Landing System）評標(biāo)團(tuán)隊幾乎每次都專程趕赴現(xiàn)場觀摩。評標(biāo)團(tuán)隊親眼目睹了4個月內(nèi)四射四敗（合同發(fā)放時SN15還未成功）卻仍不放棄的星艦研發(fā)過程，而這一切都對后續(xù)載人登月艙合同選定產(chǎn)生了潛移默化的影響。就在其他競標(biāo)對手還在提交PPT和全尺寸模型的時候，太空探索技術(shù)公司直接嘗試用實機試飛展示和驗證他們的投標(biāo)方案，模仿程序員常說的那句話——“‘說’是廉價的，向我展示你的火箭！”

▲ 星艦登月艙與月球軌道平臺門戶對接，右側(cè)可見獵戶座載人飛船

登月艙遇中標(biāo)風(fēng)波，世界第二富終認(rèn)輸

2021年4月17日，美國宇航局正式宣布星艦被選為美國“阿爾忒彌斯”登月計劃中載人登月艙的唯一中標(biāo)商，太空探索技術(shù)公司需基于現(xiàn)有星艦芯二級，通過精簡再入設(shè)備，增加深空和生保設(shè)備等方式改造成一款大型整體式登月艙。該方案擊敗了由“藍(lán)色起源”+“洛·馬”+諾思羅普·格魯曼公司+德雷珀公司組成的全明星“國家隊”，以及Dynetics公司牽頭25家分包商組成的“小企業(yè)隊”。合同價值28.9億美元固定額度，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)。任務(wù)架構(gòu)上，目前基于2025年（原計劃為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，飛船載有4名航天員。進(jìn)入環(huán)月軌道后，獵戶座飛船將與先期到達(dá)的星艦登月艙在軌對接，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。

太空探索技術(shù)公司爆冷中標(biāo)后，兩家落標(biāo)方立即向“美國政府問責(zé)局”（以下簡稱“問責(zé)局”）提交了長達(dá)175頁的申訴材料，聲稱美國宇航局在投標(biāo)過程中對兩家方案的各個方面進(jìn)行了不當(dāng)評估，且沒有留給其適應(yīng)性修改報價和標(biāo)書的機會。4月30日，該局迫于壓力暫停合同執(zhí)行，直到問責(zé)局作出最終裁決。

3個月后，問責(zé)局公布申訴調(diào)查結(jié)論，認(rèn)為兩家抗議無效。申訴未果后，“藍(lán)色起源”并未善罷甘休，8月13日，“藍(lán)色起源”更是將作為“甲方”的美國宇航局一紙訴狀告上聯(lián)邦上訴法院，訴訟要求中，“藍(lán)色起源”堅稱美國宇航局的招標(biāo)存在缺陷且必須加以解決。

11月4日，美國聯(lián)邦上訴法院裁定“藍(lán)色起源”針對美國宇航局選擇太空探索技術(shù)公司的訴訟無效。隨著貝索斯公開稱尊重法院裁定結(jié)果，這場曠日持久的“登月艙大戰(zhàn)”才告一段落。

▲ BN3進(jìn)行三發(fā)靜態(tài)點火

芯一級大躍進(jìn)，發(fā)動機仍攔路

隨著5月SN15原型機的試飛成功，太空探索技術(shù)公司認(rèn)為星艦芯二級的試飛工作已經(jīng)足夠充分，工作重點轉(zhuǎn)向軌道級發(fā)射臺和火箭芯一級的設(shè)計制造，后續(xù)試飛將直接瞄準(zhǔn)入軌發(fā)射。

▲ 安裝防護(hù)罩后的芯一級B4發(fā)動機艙，黑色罐子為復(fù)合材料壓力容器，中央為加注口，發(fā)動機頂部留孔為外置點火器接口

▲ 總裝中的星艦B4和SN20，清晰可見兩個柵格舵，兩柵格舵中間突出物為回收“筷子”的捕獲點

芯一級基本延續(xù)了芯二級的原型機+靜力試驗機的組合迭代思路，但得益于前期經(jīng)驗，各原型機間的技術(shù)跨度明顯加大。BN1是第一枚星艦芯一級的原型機，全高約70米，但并不能用于入軌試飛。2021年3月30日，尚未開展有效測試的BN1即告報廢，太空探索技術(shù)公司轉(zhuǎn)而開始總裝BN3，7月19日，BN3安裝了3臺猛禽發(fā)動機并進(jìn)行了首次靜態(tài)點火測試，測試成功后便告報廢并于近日被拆解。

接下來太空探索技術(shù)公司將芯一級代號從BN縮減為B，并開始制造B4（Booster-4）。這是首臺可以進(jìn)行入軌試飛的芯一級，安裝有29臺猛禽發(fā)動機，頂部安裝有柵格舵，級間段配置有分離裝置，可以與芯二級的星艦SN20總裝并開展入軌發(fā)射。8月5日，星艦SN20與B4在軌道發(fā)射臺進(jìn)行總裝，組合體高達(dá)120米，首飛仿佛近在咫尺。但這次總裝其實只是一次適配性的“擺拍”，芯一級B4隨后被運回廠房繼續(xù)完善。10月22日，更換了部分猛禽發(fā)動機后的B4開始安裝發(fā)動機防護(hù)罩。與此同時，太空探索技術(shù)公司向美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）申請報批的首次軌道試飛計劃也得以曝光?？紤]到首飛風(fēng)險，星艦首次軌道試飛將不考慮回收箭體，芯一級在分離后將開展各項回收試驗，但不返回發(fā)射場，最終濺落在墨西哥灣附近海面，芯二級類似。

星艦芯一級的設(shè)計思路與芯二級同樣具有顛覆性，不僅挑戰(zhàn)已有的設(shè)計定式，還打破自家的設(shè)計慣性。比如業(yè)界目前已普遍接受“獵鷹9”芯一級的可展開式著陸腿設(shè)計，無論是返場回收還是海上回收平臺，著陸腿都不可或缺。但太空探索技術(shù)公司在星艦上冒險決定取消芯一級火箭著陸腿，箭體直接落回到發(fā)射臺上。著陸階段首先由發(fā)射塔上專設(shè)的可滑動和可開合的“筷子”（Chopsticks）回收機構(gòu)來緩沖、夾持、鉤住芯一級，箭體上設(shè)置有承力點用于“筷子”夾持?；厥粘晒蟆翱曜印睍诎l(fā)射塔架上旋轉(zhuǎn)并移動，從而將芯一級直接“插”回發(fā)射臺。該設(shè)計的優(yōu)勢在于可省去箭體著陸支腿的重量和成本，也避免了支腿無法可靠展開和鎖定的潛在風(fēng)險（此前“獵鷹9”就曾因支腿未能鎖定而傾倒爆炸），并讓火箭能夠馬上在發(fā)射臺上重新就位，從而能夠使火箭具備快速重復(fù)發(fā)射的能力。但這一設(shè)計的劣勢顯而易見，它不僅對回收精度的要求近乎苛刻，而且回收失敗的代價可能不僅是一枚芯一級。

除此之外，太空探索技術(shù)公司還決定取消柵格舵展開和鎖定機構(gòu)，既節(jié)省了機構(gòu)重量，也避免了柵格舵無法展開和鎖定的風(fēng)險，還將布局從正交十字改成X形布置。正所謂有利必有弊，展開的柵格舵在上升段會帶來額外阻力，但設(shè)計團(tuán)隊認(rèn)為這些阻力相對無法展開的風(fēng)險是“可以承受”的，且在上升段可以提供額外的控制力矩。

雖然太空探索技術(shù)公司進(jìn)行了多輪設(shè)計迭代和技術(shù)驗證，但芯一級的多發(fā)并聯(lián)方案仍是攔路虎，不同于“重型獵鷹”每個通用芯級安裝9臺，三芯并聯(lián)共27臺的方案；星艦芯一級僅在一個9米直徑箭體底部就密集排布了29臺猛禽發(fā)動機，外圈20臺為固定設(shè)計，由發(fā)射臺外置點火器點燃；內(nèi)圈9臺可雙擺，內(nèi)置點火器，總計可產(chǎn)生高達(dá)5300多噸的起飛推力。其力熱環(huán)境比蘇聯(lián)N1火箭芯一級更惡劣，因此發(fā)動機的布置、承力結(jié)構(gòu)、熱防護(hù)、耦合振動等一系列技術(shù)挑戰(zhàn)都亟需解決。公司原定通過類似“重型獵鷹”首飛階段逐漸增加靜態(tài)點火發(fā)動機數(shù)量的方式獲得振動數(shù)據(jù)并摸索啟動時序。因此，馬斯克曾豪言2021年開展入軌首飛，卻因為發(fā)射臺進(jìn)度和監(jiān)管方的“不可抗力”不斷推后。

▲ 星艦芯一級B4發(fā)動機布置圖

挑戰(zhàn)仍艱巨，監(jiān)管幫倒忙

自2021年8月總裝后，星艦就進(jìn)入了首飛準(zhǔn)備階段。即使太空探索技術(shù)公司省略了傳統(tǒng)發(fā)射臺導(dǎo)流槽的大規(guī)模土方挖掘工作，但發(fā)射臺進(jìn)度仍嚴(yán)重滯后星艦自身的研發(fā)和制造進(jìn)度。直到2022年初，發(fā)射臺快速連接臂、外置點火機構(gòu)、新設(shè)計的“筷子”回收機構(gòu)和對應(yīng)的推進(jìn)劑貯存設(shè)施仍在調(diào)試。

最后是美國監(jiān)管當(dāng)局冗長的環(huán)評及發(fā)射許可流程。雖然近年來FAA已經(jīng)在積極改進(jìn)監(jiān)管政策以適應(yīng)商業(yè)航天的迅猛發(fā)展，但星艦的“最終程序環(huán)評”中公眾質(zhì)詢環(huán)節(jié)迄今仍無結(jié)果。FAA稱仍有18000份公眾質(zhì)詢尚待太空探索技術(shù)公司進(jìn)行回應(yīng)，此外FAA對星艦推進(jìn)劑貯存設(shè)施的合規(guī)性也有質(zhì)疑。最新結(jié)束時間已不早于2022年2月末，發(fā)射時間或不早于4月。

但太空探索技術(shù)公司并未坐等批復(fù)，新的芯級部件已經(jīng)開始制造。正如開篇所說，星艦項目事關(guān)公司生死存亡，而成功入軌對于一般火箭來講已可稱之為“大功告成”，但對于“一箭包打天下”的星艦來說，首飛成功也至多不過是“賽程過半”。星艦二級還需挑戰(zhàn)再入大氣層并成功著陸回收。星艦再入大氣層的熱防護(hù)系統(tǒng)，星艦計劃在迎風(fēng)面大面積覆蓋陶瓷基非燒蝕隔熱瓦作為防熱材料，尤其是頭錐和翼面轉(zhuǎn)軸處隔熱瓦最厚。為了驗證這種隔熱瓦的貼敷性能，公司曾在星跳者（Starhopper）、SN系列原型機乃至貨運龍飛船上多次試驗性安裝隔熱瓦，試驗面積也逐漸擴大，但脫落問題仍未得到明顯改觀。甚至到首次軌道試飛所采用的SN20原型機上，雖然其迎風(fēng)面已經(jīng)被隔熱瓦全面覆蓋，但一經(jīng)靜態(tài)點火等振動后，仍不斷有隔熱瓦脫落。

而后針對載人任務(wù)需求，還需積累可靠性數(shù)據(jù)，增設(shè)必要的維生和逃逸設(shè)備，最終定型載人版星艦。為應(yīng)對規(guī)劃中在軌加注需求，還需設(shè)計專門貯存和轉(zhuǎn)運低溫推進(jìn)劑的在軌加注版星艦。而為了滿足美國宇航局的登月艙需求，還需要打造精簡所有大氣層再入用設(shè)備的月球版星艦。最后為了實現(xiàn)馬斯克本人的火星“野心”，還需要打造可往返地球火星的火星版星艦。而以上構(gòu)型能夠?qū)崿F(xiàn)的最關(guān)鍵前提，就是要實現(xiàn)星艦的廉價、快速和可靠的重復(fù)使用。這才是星艦項目的核心挑戰(zhàn)，也是不斷迭代的終極目的，其實也是最艱難和耗時的一步。

▲ 仍在調(diào)試的軌道發(fā)射臺，底部為發(fā)射臺，往上為回收用的“筷子”，塔架中部為芯二級快速連接臂

唯一不變的就是變

如果將星艦的2021年一言以蔽之，那就是——唯一不變的就是變。除上文所述的設(shè)計變化外，太空探索技術(shù)公司幾乎沒有制造過完全相同的兩臺原型機，每一臺都有新的設(shè)計融入其中。比如不斷采用獨立的靜力試驗機試用新牌號的不銹鋼材料，并逐步將壁厚尺寸從4毫米減薄至3.6毫米，以獲得更高的干質(zhì)比。芯二級翼面尺寸及位置也幾經(jīng)調(diào)整，適當(dāng)向背風(fēng)面靠攏，仿真顯示這一變動可以降低再入過程中翼面轉(zhuǎn)軸處的熱流峰值。

如果說最“駭人聽聞”的設(shè)計變更，要數(shù)去年底在已逼近首飛的條件下，太空探索技術(shù)公司突然宣布繼續(xù)追加發(fā)動機數(shù)量，芯一級發(fā)動機數(shù)量從29臺升至33臺，芯二級從6臺升至9臺。不僅如此，新的2.0版“猛禽”已經(jīng)基本研發(fā)完成，并逐步在得州試車場的生產(chǎn)線開展批產(chǎn)。2.0版“猛禽”推力將從現(xiàn)有的185噸驟升至230噸，幾乎追平“藍(lán)色起源”的BE-4發(fā)動機；2.0版“猛禽”預(yù)燃室可穩(wěn)定工作在高達(dá)30兆帕的室壓下，超過俄制RD-180發(fā)動機的26.7兆帕。

得益于“猛禽”的更新?lián)Q代，太空探索技術(shù)公司還決定進(jìn)一步拉長火箭二級，并將兩個頭部貯箱均改為頭錐內(nèi)布置。這些設(shè)計變更有望在今年的原型機上實施。由于FAA的首飛審批不斷推遲，公司有可能決定直接報廢B4和SN20組合，直接換用“猛禽”2.0的改進(jìn)型星艦首飛。

在傳統(tǒng)運載火箭的設(shè)計過程中，在首飛前增發(fā)增推且拉長二級的設(shè)計變更幾乎無異于推翻重來。而由于種種原因，傳統(tǒng)運載火箭在正式入軌發(fā)射前都是沒有過試飛的，設(shè)計人員在漫長的研發(fā)進(jìn)程中一直都在想方設(shè)法用盡可能多的地面試驗來模擬實際飛行工況，試圖讓上天的問題全部暴露在地面并得到解決。但地面終究是地面，誰也無法保證所有問題都能在地面復(fù)現(xiàn)。近年來，隨著垂直回收技術(shù)的實用化和成熟化，星艦的設(shè)計過程迥異于傳統(tǒng)重型火箭，利用不斷提升高度的懸停和試飛不斷暴露各種問題，逐步驗證各種技術(shù)，最終逼近實用化運載火箭。如此一來，技術(shù)風(fēng)險和問題被高度分散，不再需要“畢其功于一役”將風(fēng)險集中于首飛。

但我們也要看到，星艦10千米級試飛5射4敗的紀(jì)錄，也暴露了這種設(shè)計思路的高昂代價。不僅如此，隨著后續(xù)進(jìn)入軌道級發(fā)射階段，星艦仍有大量技術(shù)有待驗證，同時各項飛行試驗的成本將呈指數(shù)上升，這也是星艦自身融合了過多新技術(shù)的必然弊端。這種激進(jìn)的設(shè)計思路究竟最后能否徹底實現(xiàn)其設(shè)計目標(biāo)，基于星艦的登月艙能否安全地讓航天員往返月面，太空探索技術(shù)公司在星艦上的豪賭能否幫助星鏈項目渡過難關(guān)，還要我們拭目以待了。

▲ 太空探索技術(shù)公司員工正在逐個檢修星艦SN-20原型機的隔熱瓦，貼有紅色彩條的即為松動瓦