理性看待SpaceX的星艦首飛

周炳紅　鄭永春

2023年4月20日，美國太空探索技術公司SpaceX推出的巨型運載火箭“超重-星艦”（下稱星艦）首次發(fā)射?；鸺晒ζ痫w，但遺憾的是，3分鐘后，當火箭上升到36公里高度時，發(fā)生失控爆炸，未能進入軌道。

對這同一個清晰、簡單的客觀事實，不同的人群給出了不同甚至截然相反的看法和評價。有人認為，星艦失控爆炸是一個重大的失敗，損失慘重；也有人認為，星艦飛行到了數十公里高度，獲得了后續(xù)發(fā)展需要的飛行數據，這是探索太空、發(fā)展火箭技術的必經之路，某種意義上也是一次成功的失敗。

拋卻主觀判斷，實際上，我們更應該關心的是：如何科學、理性地分析星艦失控爆炸？如果星艦研發(fā)成功，將有哪些重要的應用前景？中國是否需要發(fā)展像星艦一樣的大推力運載火箭？是否應采用數十臺同樣的發(fā)動機并聯的方案？從星艦的首發(fā)中我們能得到哪些啟示？

分析星艦首飛背后的數據和現象意義重大

星艦整體為兩級構型火箭，一級火箭名為“超重助推器”，二級火箭名為“星艦”?；鸺L約120米，箭體直徑9米，起飛質量5000噸。最新的設計指標為，重復使用狀態(tài)下近地軌道（LEO）運載能力150噸，可運送50噸載荷返回地球，一次性使用狀態(tài)下LEO運載能力250噸，大大超過土星5號近地軌道140噸的運載能力。

一級火箭通過懸停的方式回收到發(fā)射塔，二級火箭在氣動阻力和自身動力控制作用下，垂直著陸到指定地點，實現火箭整體的完全可重復使用。一級火箭又名“超重助推器”，安裝33臺猛禽液氧甲烷發(fā)動機，起飛推力超過7000噸。二級火箭安裝6臺猛禽液氧甲烷發(fā)動機。全箭主體結構采用不銹鋼，二級火箭設有前部鴨翼和尾部氣動舵，用于地球大氣層再入時進行氣動控制。

4月20日，星艦首次發(fā)射，起飛后，一級火箭的33臺猛禽發(fā)動機中，有3臺沒能成功點火（2臺位于外環(huán)，1臺位于中心部位），30臺發(fā)動機點火成功，持續(xù)發(fā)力。起飛40秒后，第4臺發(fā)動機失效。61秒時，第5臺發(fā)動機失效。100秒時，第6臺發(fā)動機失效。111秒時，熄火的第6臺發(fā)動機再次成功點火。之后，火箭尾焰開始呈現不對稱燃燒狀態(tài)。140秒時，箭體異常旋轉，速度加快，火箭開始翻滾失控。起飛239秒后，火箭在空中發(fā)生爆炸。在飛行終止之前，一級和二級火箭未能分離。

認真分析星艦飛行過程中的這些數據和現象，發(fā)現其背后的原因，比簡單爭論發(fā)射失敗還是成功更有意義。飛行過程中最重要的現象，是一級火箭的多臺發(fā)動機不斷失效關機。發(fā)動機為什么會失效？這次發(fā)射測試能否明確發(fā)動機失效的具體原因？后續(xù)還需要進行哪些優(yōu)化改進，才能確保發(fā)動機不再失效？回答這些問題，是觀察星艦首發(fā)的正確態(tài)度。

星艦首發(fā)時發(fā)動機失效是本身質量不可靠導致的？還是火箭起飛時，發(fā)動機被地面的水泥碎片崩壞的？或是發(fā)動機之間、箭體結構、輸送管路、發(fā)動機內部振動等因素，導致全箭耦合振動，造成了發(fā)動機失效?；卮疬@些問題，需要更多的數據和證據，才能進一步做出判斷。星艦首發(fā)到底算是成功還是失敗，只是主觀臆斷的觀點之爭，既缺乏證據支撐，也無法對我國火箭未來的發(fā)展方向提供有價值的信息。

星艦研制用到的系統工程方法，值得重視和借鑒

傳統的火箭系統工程強調原型試驗之前的設計，在前期設計中暴露和發(fā)現盡可能多的風險，以降低項目的總體成本。新設計的火箭首飛可以看成是第一次原型測試。傳統的火箭系統工程方法的設計目標是首飛即成功，也就是我們常說的“一次成功”，期望火箭飛行成功前，只需要經歷一次“目標計劃、設計、生產制造、測試”流程。隨著技術的發(fā)展進步，這種傳統的火箭系統工程表現出了過度的“前期設計”與過少的原型試驗，存在明顯的不足。

星艦在研制過程中，借鑒互聯網行業(yè)常用的軟件系統工程方法，快速推出第一版原型，測試獲得經驗后，多輪次迭代，也就進行了多輪次的原型測試。這種系統工程方法，并不追求“一次成功”，而是經歷多輪次的“目標計劃、設計、生產制造、測試”流程?；鸺诔晒︼w行、確定最終設計參數前，經過多輪次完整的火箭飛行測試并加以改進。星艦研發(fā)團隊認為，這種新的系統工程方法，可以降低新型火箭的研制和開發(fā)成本。不僅如此，還可以在每次火箭發(fā)射后，對火箭進行優(yōu)化改進。例如，同樣是獵鷹9號火箭，當前的全推力版本火箭的運載能力，比早期版本提升了一倍以上，這就是多輪次迭代的結果。

根據這兩種不同的系統工程方法的特征，我們把SpaceX的新系統工程方法稱為頂層需求優(yōu)先的迭代型系統工程。而傳統的火箭系統工程方法強調需求分解，分層次測試，發(fā)射成功后技術狀態(tài)就固定了。以星艦研制為例，SpaceX的目標是開發(fā)一款超大運載能力（近地軌道150噸）、一二級火箭都可重復使用的運載火箭。第一輪次的頂層需求，是運載火箭起飛重量達到5000噸，并實現完全可重復使用。然后，明確關鍵的設計參數即單臺液氧/甲烷發(fā)動機的推力達到230噸，使用直徑9米的不銹鋼貯箱結構，一級火箭使用33臺發(fā)動機，二級火箭使用6臺發(fā)動機，使用防熱瓦解決再入地球大氣層的防熱問題，采用氣動翼型進行減速，實現火箭完全重復使用。在單臺發(fā)動機測試滿足頂層需求（推力）和星艦起跳飛行試驗成功后，馬上開始第一次全箭原型入軌飛行測試。4月20日的星艦首飛是一次發(fā)射測試，雖然多臺發(fā)動機沒有啟動或中途失效，但可以獲取關鍵數據進行分析改進，短期內再次進行全箭飛行測試，直到成功。

而且，即便星艦入軌成功并實現完全可重復使用，但最初的目標計劃還沒有完全實現，也就是近地軌道運載能力150噸的目標。需要對發(fā)動機、貯箱結構、飛行過程控制等進行優(yōu)化設計，減輕發(fā)動機和貯箱結構的重量，逐步提高運載能力，實現下一層次的需求。

4月20日，星艦發(fā)射后發(fā)生爆炸。圖/視覺中國

星艦首飛反映了航天發(fā)展的新時代和新需求

隨著探月工程完成繞、落、回三步走，中國空間站建成，天問一號火星探測任務成功實施，北斗導航衛(wèi)星星座成功部署，中國開始進入了大規(guī)模開發(fā)和利用太空的新航天時代。新航天時代的目標更加遠大，載人月球探測、大規(guī)模星座部署、人員物資的全球1小時部署、超大型載荷和空間設施發(fā)射，太陽系邊際探測、地月空間開發(fā)等，都成為航天事業(yè)發(fā)展的新目標。

火箭的運載能力有多大，航天的舞臺就有多大。發(fā)展運載能力更大的火箭，是航天事業(yè)新時代的必然選擇。越大的火箭，不僅發(fā)射的載荷越重，體積尺寸也越大。同時，由于大火箭和小火箭使用的元器件數量基本相同，但運載能力更大，將使得單次發(fā)射的單位成本越低。

除了成敗之爭，我們更關心的是，如果星艦將來試驗成功，它將有哪些重要的應用前景。首先，在星艦的基礎上太空探索技術公司將發(fā)展登月版星艦，成為美國阿爾忒彌斯載人登月計劃的一部分。宇航員將乘坐獵戶座飛船，先由太空發(fā)射系統（SLS）發(fā)射到月球軌道，然后采用登月版星艦將宇航員從月球軌道帶到月球表面著陸，宇航員完成月表停留任務后，再次乘坐登月版星艦上升到月球軌道。然后，宇航員轉移到獵戶座飛船，并返回地球。按計劃，這一任務將在2025年實現。但實現這一目標，依然面臨重重挑戰(zhàn)。

第二個應用場景，是用于星鏈衛(wèi)星星座的快速部署，降低發(fā)射成本。星鏈需要發(fā)射和部署數萬顆衛(wèi)星，現在發(fā)射使用的是獵鷹9號火箭，成本還不夠低。而星艦的運載能力，接近獵鷹9號火箭的10倍，有望進一步降低成本。

第三，可以用星艦發(fā)射超大型的航天器和太空基礎設施。例如，美國宇航局戈達德太空飛行中心就提出使用星艦發(fā)射下一代大型太空望遠鏡——LUVOIR。

最后，在軍事方面，SpaceX已經得到美國空軍價值超過1億美元的“火箭貨運”合同，旨在驗證利用重型的重復使用火箭，實現100噸級軍用物資的全球1小時快速投送能力。該能力將對作戰(zhàn)后勤補給產生顛覆性影響，在快速響應運輸、應對突發(fā)事件、長期在軌駐留等方面具有廣闊的應用前景。

星艦廣闊和重要的應用前景，意味著中國下一步必然要發(fā)展類似的超重型運載火箭。星艦發(fā)射的成敗之爭，反映出進入新的航天時代后，中國的航天事業(yè)將有更加遠大的目標。而這正是廣大社會公眾非常關注星艦首飛的原因——希望在新的航天時代，中國的運載火箭技術不落后于世界領先水平。

星艦可重復使用，不一定能降低發(fā)射成本

火箭回收并重復使用，降低有效載荷進入太空成本，這一邏輯鏈條很簡單，是公眾最容易了解和觀察到的。而這將使我們容易忽略降低發(fā)射成本的其他因素。以獵鷹9號火箭為例，僅600噸的起飛規(guī)模，運載系數（有效載荷重量占火箭起飛總重量的比例）接近4％，達到世界領先。在獵鷹9號全推力版本之前，還有個1.1版，起飛重量513噸，運力僅10噸，總的發(fā)射報價與現在的全推力版本接近，意味著每公斤載荷的發(fā)射成本降低了50％以上。

在工業(yè)上，通過大規(guī)模流水線生產，實現規(guī)模效應，降低單位產品的生產成本，已經成為常識。太空探索技術公司通過發(fā)展星鏈衛(wèi)星計劃，使獵鷹9號火箭每年發(fā)射數十次，每發(fā)火箭使用10臺主發(fā)動機，采用相同的生產線來生產，不僅質量更穩(wěn)定，還產生了規(guī)模效應，降低了成本。

高運載系數和規(guī)?；a，加上獵鷹9號一級火箭的回收和重復使用，這三個主要因素共同作用，降低了獵鷹9號的發(fā)射成本，使獵鷹系列火箭比美俄歐同類火箭更便宜。

當前，獵鷹9號一次性發(fā)射版本的報價為9000萬美元，重復使用版本的報價為6200萬美元。通過重復使用，降低了火箭的發(fā)射報價。但是，由于火箭回收要用額外的推進劑使火箭返回到著陸地點，導致有效載荷的實際運載能力下降。近地軌道運載能力由22.6噸下降到17噸，同步轉移軌道由8.3噸下降到5.5噸。這樣一來，火箭回收和重復使用，使每公斤載荷進入近地軌道的成本由4000美元下降到3600美元，只下降了10％。每公斤載荷發(fā)射到同步轉移軌道的發(fā)射價格不僅沒有降低，反而上升了300美元，由11000美元上升到11300美元。因此，火箭回收和重復使用能否降低發(fā)射成本，還需要進一步分析。

盡管如此，有專家調查分析發(fā)現，中國的長征系列火箭的發(fā)射成本并不比獵鷹系列火箭貴。更進一步，火箭回收和重復使用，雖然很有可能降低火箭發(fā)射成本，但并非必然。以美國已經退役的航天飛機為例，3臺主要的液體火箭發(fā)動機、航天飛機箭體和絕大部分的電子元器件都可以重復使用，但發(fā)射成本并沒有降低，反而高于其他國家的運載火箭。航天飛機最初設計時，預計單次發(fā)射成本6000萬美元，但歷經上百次實際發(fā)射檢驗，每次發(fā)射的成本卻高達5億美元。

綜上所述，火箭回收和重復使用、高運載系數、規(guī)?；纳a和發(fā)射等因素共同作用，才是降低發(fā)射成本的關鍵。僅靠單一因素，難以大幅度降低火箭發(fā)射成本。對星艦來說，不僅一級火箭可回收和重復使用，二級火箭也可以重復使用。二級火箭的重復使用，能否降低發(fā)射成本，現在還是個未知數，需要深入分析才能作出回答。

注：本文參考了鄭永春《馬斯克的星艦發(fā)射真的失敗了嗎？給中國的航天產業(yè)帶來什么啟示？》；龍雪丹，楊開，王林《“超重-星艦”首次入軌飛行測試及經驗教訓分析》；孟光，劉昶等《美國超重-星艦首飛分析及對中國航天產業(yè)發(fā)展啟示與建議》；洞穴之外《中國的火箭貴嗎？》。

（感謝中國科學院國家空間科學中心孫志斌研究員、劉勇研究員提供的修改建議和有益討論，感謝空間科學傳播專家工作室的支持。）