通過環(huán)評(píng)，星箭發(fā)射終于獲得綠燈放行

文/田豐

▲ “星際基地”門口

在美國(guó)，要說最受關(guān)注的兩款火箭，那一定非美國(guó)宇航局的SLS 火箭和太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的“星艦”莫屬了。兩款火箭目前都在進(jìn)行首飛前的各項(xiàng)地面測(cè)試，但“星艦”除了大量的測(cè)試項(xiàng)目外，還有一項(xiàng)SLS 不存在的煩惱，就是其制造和發(fā)射所在地位于得克薩斯州博卡奇卡星際基地（Starbase），必須通過美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）的環(huán)境影響評(píng)估。

2022 年6 月13 日，幾經(jīng)推遲之后，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局終于公布了太空探索技術(shù)公司在博卡奇卡的發(fā)射場(chǎng)環(huán)境評(píng)估結(jié)論，總體結(jié)論是“沒有重大環(huán)境影響”，太空探索技術(shù)公司可以從該地進(jìn)行“星艦”的軌道發(fā)射。

幾經(jīng)推遲，環(huán)評(píng)結(jié)果終于公布

“星艦”是太空探索技術(shù)公司正在研發(fā)的一款兩級(jí)可完全重復(fù)使用的重型火箭，全箭采用自研的猛禽液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，近地軌道運(yùn)力不低于100 噸。其中，火箭芯二級(jí)被稱之為“星艦飛船”，火箭芯一級(jí)則稱為“超重型火箭”?！靶桥灐笔状握焦际窃?016 年的國(guó)際宇航大會(huì)壓軸演講上。但是自此之后的近3 年間，“星艦”的制造和發(fā)射地點(diǎn)卻一直游移不定，太空探索技術(shù)公司為照顧公司總部員工，早期曾計(jì)劃就近在加州港口購(gòu)買一處廢棄廠房，以用于“星艦”的制造和總裝。但在2019 年1 月，太空探索技術(shù)公司宣布“星艦”進(jìn)行重大設(shè)計(jì)變更，火箭貯箱放棄采用碳纖維，而是采用成本低廉的不銹鋼材料。同時(shí)也將“星艦”的最終總裝制造、測(cè)試和發(fā)射地點(diǎn)，選在美墨邊境旁，一個(gè)名叫博卡奇卡的小地方。這里原定是太空探索技術(shù)公司的獵鷹系列火箭的自建發(fā)射場(chǎng)，但多年來工程進(jìn)展緩慢。隨著“星艦”“老家”的最終敲定，博卡奇卡村子荒涼的海灘邊逐漸出現(xiàn)了一些做工“粗糙”的大型不銹鋼壓力容器，各種測(cè)試和工程設(shè)備陸續(xù)運(yùn)抵，各式生產(chǎn)和總裝廠房拔地而起，整個(gè)地區(qū)在接下來的3 年間發(fā)生了天翻地覆的變化。由于太空探索技術(shù)公司和“星艦”的到來，這片地區(qū)隨后被命名為星際基地。

隨著“星艦”研發(fā)的快速迭代，距離首飛似乎只有一步之遙，仿佛劃根火柴點(diǎn)燃火箭就可以奔向太空。然而事實(shí)并非如此，“星艦”的軌道試飛一直受到FAA 對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境影響評(píng)價(jià)的限制，無法按計(jì)劃進(jìn)行。

此次通過環(huán)評(píng)，終于為“星箭”的首次軌道試飛亮了綠燈，但前提是必須完成75 項(xiàng)減少對(duì)環(huán)境和公眾影響的整改措施。

在這些整改措施中，首先考慮火箭射界和彈道對(duì)周邊人口稠密地區(qū)的飛越風(fēng)險(xiǎn)，還包括部分國(guó)家安全或外交政策問題，甚至還包括保險(xiǎn)賠付的相關(guān)條款。其次，環(huán)評(píng)限制了太空探索技術(shù)公司部分設(shè)施的擴(kuò)建計(jì)劃，如要求取消建設(shè)海水淡化廠、甲烷提純?cè)O(shè)施、發(fā)電廠的計(jì)劃。

然后是與公眾影響相關(guān)的要求，如減少星際基地以及公共海灘交通量，即限制員工乘坐私家車上班，而是增開班車運(yùn)送員工往返現(xiàn)場(chǎng)。文中還要求太空探索技術(shù)公司進(jìn)行測(cè)試和發(fā)射前更早發(fā)布封路通知，且在18 個(gè)假期期間禁止關(guān)閉海灘；每年僅允許5 個(gè)周末關(guān)閉海灘；發(fā)射、測(cè)試的封路總時(shí)間將限制在每年500 小時(shí)以內(nèi)，而“解決異常情況”的封路時(shí)間將限制為300 小時(shí)。這些措施意在確保當(dāng)?shù)鼐用窨梢赃M(jìn)入星際基地附近的野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)和海灘。此外，環(huán)評(píng)目前允許每年最多5 次軌道發(fā)射，以及5 次箭體回收和相關(guān)地面測(cè)試。這個(gè)次數(shù)相對(duì)于太空探索技術(shù)公司公布的愿景相距甚遠(yuǎn)，但根據(jù)“獵鷹9”發(fā)射規(guī)律，發(fā)射次數(shù)可以后期另行增加，但是每次靜態(tài)點(diǎn)火時(shí)間限制在15 秒以內(nèi)。

▲ 2013 年的發(fā)射臺(tái)及廠房規(guī)劃圖

▲ 2019-2022 年變化圖

由于星際基地毗鄰保護(hù)區(qū)，環(huán)評(píng)中還包含動(dòng)物保護(hù)措施，比如減少夜間照明設(shè)施對(duì)周邊生物棲息的影響，資助具備資質(zhì)的生物學(xué)家監(jiān)測(cè)該地區(qū)的野生動(dòng)物。太空探索技術(shù)公司還需要每年向周邊的公園、保護(hù)區(qū)及動(dòng)物保護(hù)組織捐款。利用其星鏈網(wǎng)絡(luò)為遠(yuǎn)程野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)提供更多機(jī)會(huì)，并定期向周邊學(xué)生開放星際基地以供參觀。

然而，環(huán)評(píng)的完成并不意味著太空探索技術(shù)公司可以直接開展“星艦”的軌道試飛，從行政許可到距離發(fā)射仍有一步之遙，也就是FAA 的發(fā)射許可。FAA 作為監(jiān)管機(jī)構(gòu)，還需要審查驗(yàn)證太空探索技術(shù)公司已經(jīng)如期完成相應(yīng)整改，將軌道發(fā)射和測(cè)試對(duì)環(huán)境的影響控制在可接受范圍后，方可批準(zhǔn)發(fā)射。因此FAA 和太空探索技術(shù)公司都尚未公布可行的發(fā)射時(shí)間表，而太空探索技術(shù)公司還在對(duì)星艦B7 和S24 這對(duì)“入軌組合”開展測(cè)試。

▲ 4 年間，荒灘變基地

▲準(zhǔn)備測(cè)試的B7 和S24

為減小對(duì)公眾和環(huán)境影響，對(duì)一座新建的重型火箭制造、發(fā)射設(shè)施進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)估是必要和正當(dāng)?shù)?。但正所謂樹大招風(fēng)，即使FAA 環(huán)評(píng)通過，部分環(huán)保組織，如美國(guó)鳥類保護(hù)協(xié)會(huì)仍然宣稱“星艦”的到來會(huì)導(dǎo)致當(dāng)?shù)匚锓N受威脅甚至瀕臨滅絕。

▲準(zhǔn)備測(cè)試的B7 和S24

環(huán)評(píng)有得有失，催生技術(shù)改進(jìn)

FAA 給太空探索技術(shù)公司星際基地的整改要求不僅限制了測(cè)試和發(fā)射活動(dòng)，還倒逼了猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)升級(jí)。環(huán)評(píng)報(bào)告中提及，星際基地現(xiàn)場(chǎng)不能興建甲烷提純?cè)O(shè)施。無奈之下，太空探索技術(shù)公司對(duì)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了升級(jí)改造，使其可直接采用市售天然氣（液態(tài)）進(jìn)行燃燒?？梢哉f，F(xiàn)AA 將一款甲烷火箭硬生生“逼”成了天然氣火箭。之前，藍(lán)色起源公司研發(fā)的BE-4 液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)曾宣稱可直接采用天然氣作為推進(jìn)劑，并作為該發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)“猛禽”的一大優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過環(huán)評(píng)風(fēng)波后，兩款發(fā)動(dòng)機(jī)最終殊途同歸，在降低推進(jìn)劑成本的路上做到了目前化學(xué)火箭的極致。

相對(duì)于提純甲烷而言，天然氣的成分比較復(fù)雜，主要由甲烷以及少量的其他高級(jí)烷烴組成。除此之外，還存在一些低水平的微量氣體，如二氧化碳、氮?dú)?、硫化氫和氦氣，具體含量與產(chǎn)地有關(guān)。甲烷之外的成分中，烷烴也是可燃?xì)怏w，對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的影響相對(duì)可控。不可燃?xì)怏w也還好，最棘手的則是硫化物。上世紀(jì)80 年代美國(guó)就已經(jīng)進(jìn)行過烴類燃料電傳熱試驗(yàn)、結(jié)焦極限溫度試驗(yàn)、碳沉積試驗(yàn)和材料的相容性試驗(yàn)，結(jié)果表明，在渦輪模擬條件下，甲烷不存在積碳（碳沉積），但當(dāng)甲烷中硫含量大于百萬分之一時(shí)，對(duì)銅內(nèi)壁（燃燒室）就會(huì)產(chǎn)生明顯腐蝕。因此，硫化物是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用的大敵之一。目前尚不清楚燃燒天然氣的“猛禽”如何對(duì)付硫化物，可能會(huì)有前置脫硫，當(dāng)然這都是猜測(cè)。

從成本來講，采用天然氣顯然是成本更低的，由于美國(guó)盛產(chǎn)頁巖氣，因此推進(jìn)劑成本對(duì)比煤油可謂低廉，如果對(duì)比“難制取、難貯存、難使用”的“三難”液氫，天然氣更是白菜價(jià)。而發(fā)射所用的氧化劑，也就是液氧可以通過空氣分離的方式獲得，工藝相當(dāng)成熟，成本也十分低廉，但受限于環(huán)境容量，目前太空探索技術(shù)公司只能通過罐車一車一車排隊(duì)運(yùn)送進(jìn)場(chǎng)。

▲ “星際基地”發(fā)射臺(tái)區(qū)域航拍圖

“星際基地”生產(chǎn)區(qū)航拍圖

根據(jù)早期的公開信息，太空探索技術(shù)公司的規(guī)劃是在星際基地建設(shè)一套液氧甲烷生產(chǎn)線，利用太陽能電池板供電，采用空氣中二氧化碳、淡化海水，通過“薩巴蒂爾”反應(yīng)生產(chǎn)甲烷和液氧，最終實(shí)現(xiàn)自給自足。“薩巴蒂爾”反應(yīng)正是原定用于星艦在火星表面制造返程推進(jìn)劑的反應(yīng)流程，通過在星際基地增設(shè)這樣一套設(shè)備，既降低發(fā)射中的推進(jìn)劑成本，又可以提前試驗(yàn)火表通過原位資源利用制造返程推進(jìn)劑的工藝流程，可謂一舉兩得。但可惜的是，目前來看這套設(shè)備短期內(nèi)在星際基地還無法實(shí)現(xiàn)。

從550 噸到5000 噸，環(huán)評(píng)風(fēng)波的來龍去脈

對(duì)于拖累首飛進(jìn)度的環(huán)評(píng)，肯定有人疑問為何太空探索技術(shù)公司不盡早開始環(huán)評(píng)。這要從星際基地的來龍去脈說起。眾所周知，太空探索技術(shù)公司現(xiàn)在在美國(guó)東西海岸共運(yùn)營(yíng)著3座發(fā)射臺(tái)，發(fā)射臺(tái)實(shí)際隸屬美國(guó)太空軍（SLC-40、SLC-4E）和美國(guó)宇航局（LC-39A）。太空探索技術(shù)公司只是租用以上設(shè)施，畢竟地盤是人家的，實(shí)際發(fā)射還要受“業(yè)主”掣肘。尤其是近幾年的發(fā)射中，卡角和范登堡太空軍基地的發(fā)射臺(tái)，受軍方的假期、設(shè)備整修、導(dǎo)彈試射等影響，都會(huì)導(dǎo)致發(fā)射受阻。LC-39A 發(fā)射臺(tái)雖然不受軍方影響，但具有特殊性。它曾執(zhí)行包括阿波羅11 號(hào)任務(wù)在內(nèi)的多次登月發(fā)射，也是航天飛機(jī)時(shí)代的主力發(fā)射臺(tái)，將其稱之為美國(guó)的“功勛”發(fā)射臺(tái)并不為過。自1967 年首次投用至今，累計(jì)144 次發(fā)射，從未因發(fā)射失敗而導(dǎo)致發(fā)射臺(tái)損壞（挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)是升空后爆炸）。因此，這段“完美紀(jì)錄”反倒給太空探索技術(shù)公司造成了無形的口碑壓力。加之該發(fā)射臺(tái)作為美國(guó)目前唯一的載人航天發(fā)射臺(tái)，承擔(dān)著國(guó)際空間站航天員輪換任務(wù)的重任，基本是炸不起的。因此，將首飛風(fēng)險(xiǎn)巨大的“星艦”放在這里進(jìn)行首飛，美國(guó)宇航局的內(nèi)心其實(shí)是拒絕的，這種風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目勢(shì)必挪至“自家地盤”才更自由。

▲ 最新環(huán)評(píng)中的發(fā)射臺(tái)規(guī)劃，仍保有第二座發(fā)射臺(tái)

因此，早在2011 年太空探索技術(shù)公司就開始物色自建發(fā)射場(chǎng)。2012年9 月，太空探索技術(shù)公司在美國(guó)各地選取了7個(gè)候選的商業(yè)發(fā)射場(chǎng)地點(diǎn)。2013 年初，得克薩斯州的博卡奇卡已經(jīng)成為商業(yè)發(fā)射設(shè)施選址的主要候選地。當(dāng)時(shí)，自建發(fā)射場(chǎng)的環(huán)評(píng)和公開聽證會(huì)上，評(píng)估當(dāng)?shù)丨h(huán)境容量每年可支持多達(dá)12 次商業(yè)發(fā)射。但當(dāng)時(shí)規(guī)劃和評(píng)估的發(fā)射火箭僅是近地軌道運(yùn)力10 余噸的“獵鷹9”，最大也不過是當(dāng)時(shí)尚未首飛的重型獵鷹。這兩款火箭的規(guī)模和“星艦”這種“巨無霸”相距甚遠(yuǎn)，其對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的影響自然無法相提并論。更重要的是，當(dāng)時(shí)的規(guī)劃主要以發(fā)射活動(dòng)為主，當(dāng)?shù)夭⒉簧婕盎鸺闹圃旌蜏y(cè)試，而如今的星際基地卻遠(yuǎn)不止于發(fā)射。

2014 年7 月，F(xiàn)AA 正式發(fā)布了關(guān)于博卡奇卡海灘的環(huán)評(píng)結(jié)論，認(rèn)為發(fā)射臺(tái)及其附屬設(shè)施不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生重大影響。次月，太空探索技術(shù)公司正式宣布博卡奇卡作為商業(yè)發(fā)射場(chǎng)的最終選址。2015 年，太空探索技術(shù)公司開始平整發(fā)射場(chǎng)土地，但發(fā)現(xiàn)海灘地基不穩(wěn)且有異常沉降，因此只能重新進(jìn)行土地規(guī)整。2016 年至2017 年，除安裝了兩臺(tái)二手測(cè)控天線和太陽能電池板外，幾乎沒有實(shí)質(zhì)性施工。因此，此地一直極其荒涼，幾乎沒有媒體關(guān)注。

2018 年底，博卡奇卡海灘陸續(xù)進(jìn)駐工作人員，各種水平儲(chǔ)罐運(yùn)抵并安裝，更多的辦公室和簡(jiǎn)易發(fā)射場(chǎng)坪相繼開始施工。當(dāng)然更重要的是露天焊接的“星跳者”（Starhopper）原型機(jī)于2019 年3 月完成制造，并轉(zhuǎn)移至發(fā)射場(chǎng)坪，并于當(dāng)年7 月下旬成功首飛。隨后的兩年中，太空探索技術(shù)公司以極高強(qiáng)度，換人不停工的7x24小時(shí)不間斷工作模式，興建各種“星艦”的制造和測(cè)試設(shè)施。

環(huán)評(píng)已成“星艦”研發(fā)的緊箍咒

博卡奇卡自2019 年至今，變化幅度之大，計(jì)劃變化之快，業(yè)界罕見，因此出現(xiàn)了環(huán)評(píng)跟不上工程進(jìn)度的情況。僅就“星艦”本身而言，太空探索技術(shù)公司幾乎沒有制造過完全相同的兩臺(tái)原型機(jī)，每一臺(tái)都有新的設(shè)計(jì)融入其中。新的設(shè)計(jì)自然也對(duì)其制造、總裝和測(cè)試提出了更高的需求。員工不斷增加，設(shè)備和廠房不斷興建，為容納高達(dá)70 米的“星艦”芯一級(jí)相繼建造了兩座總裝廠房，這一大批設(shè)施都大大超過了原有的規(guī)劃方案，對(duì)周邊環(huán)境的影響也日益增加。

因環(huán)評(píng)推遲被廢棄的S20 和B4 組合

▲ LC-39A 的原有發(fā)射臺(tái)和施工中的“星艦”發(fā)射臺(tái)

尤其是高達(dá)146 米的軌道發(fā)射塔，有可能在夜間影響周邊的通航飛行。而FAA 更是聲稱該發(fā)射塔屬于“未批先建”，即未通過FAA 評(píng)估即已開工建設(shè)。經(jīng)雙方協(xié)調(diào)后，2021 年3 月FAA 公布了發(fā)射塔的補(bǔ)充評(píng)估結(jié)果為“對(duì)航空飛行無威脅”，也正是這時(shí)，太空探索技術(shù)公司在博卡奇卡的這片設(shè)施被正式命名為星際基地。

但FAA 的監(jiān)管流程落后于工程進(jìn)度的問題變得日益突出。FAA 與相關(guān)機(jī)構(gòu)協(xié)商后，于2021 年9 月基于太空探索技術(shù)公司的最新規(guī)劃發(fā)布了新版環(huán)評(píng)報(bào)告草案，次月舉行了2 次公開聽證會(huì)，以收集公眾的意見。由于媒體的大量報(bào)道，“星艦”項(xiàng)目備受關(guān)注。同年12 月，F(xiàn)AA 收集到多達(dá)18000 份公眾意見，因此表示當(dāng)年12月底前無法完成環(huán)評(píng)審查。

由于FAA 環(huán)評(píng)在6 個(gè)月中5 次推遲，加之部分試驗(yàn)流程問題，太空探索技術(shù)公司已經(jīng)被迫報(bào)廢了B4 一級(jí)和S20 二級(jí)的組合，這本來是一套可以入軌發(fā)射的組合。目前，太空探索技術(shù)公司正在測(cè)試B7 一級(jí)和S24 二級(jí)的組合，芯一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量從B4 的29 臺(tái)升至B7 的33 臺(tái)。不僅如此，B7 均采用增推后的2.0 版猛禽，推力從185 噸升至230 噸，起飛推力從B4 的5300 噸驟升至7500 噸，直接超越“土星5 號(hào)”。

但我們也要看到，“星艦”10 千米試飛5 射4 敗的紀(jì)錄，暴露了“星艦”項(xiàng)目的巨大技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。不僅如此，隨著后續(xù)進(jìn)入入軌發(fā)射階段，“星艦”仍有大量技術(shù)有待驗(yàn)證，同時(shí)各項(xiàng)飛行試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)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。尤其是太空探索技術(shù)公司設(shè)計(jì)的全新回收方式，即發(fā)射塔架上的巨大“筷子”對(duì)火箭兩級(jí)分別進(jìn)行捕獲，這一方案雖然有利于火箭的回收復(fù)用，但卻使塔架和周邊設(shè)施面對(duì)前所未有的高風(fēng)險(xiǎn)。雖然目前“星艦”首次軌道試飛計(jì)劃暫不包括回收，但回收勢(shì)必使環(huán)評(píng)復(fù)雜性驟升，畢竟以往火箭從不需要考慮70 米高的火箭噴著烈焰飛回來時(shí)會(huì)砸到哪里的問題。

目前，太空探索技術(shù)公司仍將博卡奇卡作為“星艦”的主要開發(fā)和測(cè)試場(chǎng)地，但考慮到未來環(huán)評(píng)對(duì)其發(fā)射造成的限制，已經(jīng)開始在LC-39A 另行建造一座星艦發(fā)射臺(tái)。該發(fā)射臺(tái)因與現(xiàn)有LC-39A 共享基址，而這片基址最早是為土星5 號(hào)火箭準(zhǔn)備，與“星艦”規(guī)模近似。此外，LC-39A 與SLS 發(fā)射臺(tái)LC-39B 距離達(dá)2.7 千米，其環(huán)境容量天生可容納重型火箭發(fā)射。

但“星艦”發(fā)射臺(tái)距離原有獵鷹發(fā)射臺(tái)不遠(yuǎn)，美國(guó)宇航局一方面拒絕“星艦”在成熟前在此發(fā)射，以防炸平發(fā)射臺(tái)的情況出現(xiàn)；另一方面，太空探索技術(shù)公司也在計(jì)劃極端情況下的補(bǔ)救辦法，如強(qiáng)化現(xiàn)有LC-39A 的發(fā)射臺(tái)結(jié)構(gòu)，或者是使LC-40 發(fā)射臺(tái)具備載人發(fā)射能力。

▲LC-39A 建設(shè)中的星艦發(fā)射臺(tái)

近年來，隨著政策的放開和天基測(cè)控等條件的完善，除太空探索技術(shù)公司外，還有美國(guó)火箭實(shí)驗(yàn)室、阿斯特拉小火箭公司、“藍(lán)源”等航天企業(yè)也擁有自建發(fā)射場(chǎng)，可不再受業(yè)主方的掣肘，發(fā)射更加自由可控。自建發(fā)射場(chǎng)的環(huán)評(píng)和發(fā)射許可必不可少，而傳統(tǒng)的審批流程已不可避免的限制了行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。因此，近年來FAA 已經(jīng)開始著力提高監(jiān)管效率，如合并頒發(fā)多次發(fā)射許可等。但像星際基地這種“環(huán)評(píng)趕不上計(jì)劃”狀況依然現(xiàn)實(shí)存在，一定程度拖累了“星艦”項(xiàng)目推進(jìn)。新問題自然就要有新辦法，如何在促進(jìn)行業(yè)發(fā)展和保護(hù)環(huán)境上取得一個(gè)微妙的平衡，是監(jiān)管和被監(jiān)管方的不斷磨合的最終目標(biāo)。