全國空間探測技術(shù)首席科學傳播專家、衛(wèi)星應用產(chǎn)業(yè)協(xié)會首席專家龐之浩

(資料圖)

出品｜搜狐科技

作者｜鄭松毅

4月20日，美國中部時間4月20日8:33左右，馬斯克旗下的SpaceX星艦系統(tǒng)滿載超4500公噸推進劑從得克薩斯州的SpaceX火箭發(fā)射基地點火發(fā)射，執(zhí)行首次軌道級測試飛行任務，但升空3分50秒后爆炸。此前，美國時間4月17日，星艦起飛前不到10分鐘，因增壓閥似乎被凍住了，無奈暫停位于美國得克薩斯州南部發(fā)射的計劃。

“本次星艦發(fā)射失敗的主要原因是它同時并聯(lián)了33臺新型第二代“猛禽”發(fā)動機，剛開始是有3臺沒有成功點火，升空一段時間后又有2到3臺發(fā)動機熄火了，最終導致星艦在升空接近3分鐘時呈失控狀態(tài)。并聯(lián)使用這么多臺發(fā)動機同時點火工作，是一項十分復雜的技術(shù)，會產(chǎn)生巨大高頻震動和高溫，容易影響火箭的推力、速度和姿態(tài)控制等?！?/strong>——全國空間探測技術(shù)首席科學傳播專家、衛(wèi)星應用產(chǎn)業(yè)協(xié)會首席專家龐之浩在與搜狐科技對話中解釋了星艦發(fā)射失敗的原因。

龐之浩表示，箭體上密集部署了33臺發(fā)動機，其中外圈20臺是固定設計，中間的10臺和最內(nèi)圈的3臺為了實現(xiàn)變軌是可以擺動的，這么多發(fā)動機同時點火會產(chǎn)生高頻震動，影響箭體本身的穩(wěn)定性，也就是大家看到星艦發(fā)射時顫動的原因。

龐之浩介紹，SpaceX星艦較之前NASA（美國國家航空航天局）發(fā)射的“人類史上使用過的自重最大的運載火箭“土星5號”還是有較大的差異性。從材料和技術(shù)角度來看，SpaceX星艦主要具備以下亮點：

1.燃料：SpaceX星艦采用了常規(guī)火箭都不采用的液氧甲烷燃料，液氧甲烷燃料具備無毒環(huán)保、高比沖、低成本、易于重復使用的特點；

2.材料：與其他登月火箭相比，星艦的箭體是由不銹鋼制成的，并配備了耐高溫的燒蝕防護層，可以承受高溫和高速下的壓力，且材料成本低，如果用傳統(tǒng)碳纖維材料建造火箭殼體需花費千萬美元，而使用不銹鋼薄板建造殼體僅需幾十萬美元；

3.發(fā)動機：在超級重型推進器（第一級）上并聯(lián)了33臺新型第二代“猛禽”發(fā)動機，是史無前例的，此前只有蘇聯(lián)N1火箭的第一級裝了30臺發(fā)動機，但4次發(fā)射均失??；

4.世界首個船艦一體的創(chuàng)新設計：星艦不僅在第一級箭體搭載了33臺發(fā)動機，在星艦飛船（第二級）上也裝了6臺第二代“猛禽”發(fā)動機，因此第二級（箭體）既是飛船又是火箭，既有變軌能力，又有載人的能力；

5.可重復使用性：星艦是一種可重復使用的火箭，它可以多次發(fā)射和著陸。這種技術(shù)使得每次發(fā)射的成本大大降低，因為不需要每次都重新制造新的火箭；一旦星艦成功返回地球，只需簡單的檢查和維護即可重新使用；此外，超級重型推力器的回收方式也很新穎，之前火箭如獵鷹九號要么是落在海平臺上要么落在某一陸地區(qū)域，但星艦可以“大筷子”的方式實現(xiàn)垂直回落在發(fā)射臺，這樣可以節(jié)?。耍┙德渲鹊某杀?，也避免降落支腿無法可靠的展開。

龐之浩認為，SpaceX星艦如能成功發(fā)射產(chǎn)生的作用和影響將是重大的，其不僅有助于實現(xiàn)“火星遠征”計劃，將人員和設備運載至太空，憑借其強大的運載能力和多用化設計，還可以運載更重、更多的第二代星鏈衛(wèi)星到太空，甚至一次可以部署一個小的星座，進一步推進了馬斯克的星鏈計劃。龐之浩介紹，星鏈計劃將有廣闊的應用空間，可無縫隙覆蓋全球，為人類提供信號、語音通信等服務，在軍事領域也具備極高的應用價值。根據(jù)馬斯克此前透露，預計到2040年，星鏈衛(wèi)星用戶數(shù)量有望升至3.64億，屆時每年星鏈衛(wèi)星將帶來約800億美元的收入。此外，SpaceX星艦還可以用于地球與太空之間點對點的運輸和建造，包括建設巨型太空站、太空旅館等。它也能在軌回收、修理、升級航天器，比航天飛機還方便。

馬斯克曾表示，他的規(guī)劃是當星艦研制成功時將進行規(guī)?；a(chǎn)，每年建造100艘，共打造1000艘，預計每艘成本將低至1000萬美元。龐之浩表示，據(jù)業(yè)內(nèi)人士統(tǒng)計，如以上馬斯克規(guī)劃能成功實現(xiàn)，地球與太空之間每公斤運載成本將低至100美元，這是一個令人咂舌的數(shù)字，要知道常規(guī)火箭最低每公斤運輸成本約2到3萬美元。

以下為對話實錄（經(jīng)整理編輯）

搜狐科技：星艦與之前發(fā)射的重型運載火箭“土星5號”有什么區(qū)別？星艦在技術(shù)上有什么亮點？

龐之浩：星艦與土星5號有很大的差別，其中亮點技術(shù)包括：

1. 星艦采用液氧甲烷燃料，無毒環(huán)保、高比沖、低成本、易重復使用，且可以在火星原位生產(chǎn)；

2. 星艦的超級重型推進器首次并聯(lián)了多達33臺新型第二代“猛禽”發(fā)動機，推力達230噸，如33臺同時點火，總推力可達7500噸，是史無前例的；

3. 星艦采用世界上首個船箭一體的創(chuàng)新設計，其第二級星艦飛船也裝有6臺第二代猛禽發(fā)動機，使其同時具備變軌和載人、載物的能力；

4. 星艦首次采用不銹鋼材料建造箭體，目的是節(jié)約成本，如果用傳統(tǒng)碳纖維材料建造火箭殼體需花費千萬美元，而使用不銹鋼薄板建造殼體僅需幾十萬美元；

5. 星艦第一級、第二級箭體都可回收后重復使用，且可精準垂直回落至發(fā)射臺，不用額外建造降落支腿，進一步節(jié)約了火箭發(fā)射成本；

6. 星艦憑借強大的運載能力和多用化設計，可以運載更多、更重的第二代衛(wèi)星、人員到太空；

搜狐科技：SpaceX在星艦發(fā)射失敗后表示，失敗原因是由于星艦和推進器未能分離，從您專業(yè)的角度來看，這是主要失敗因素嗎？未成功分離的原因是什么？

龐之浩：是的，主要是由于發(fā)射的時候并聯(lián)了多達33臺新型發(fā)動機，剛開始有3臺沒成功點火，升空一段時間后又有兩三臺熄火了，最后導致星艦失控，在空中打轉(zhuǎn)，為了避免墜落地面造成重大損失，無奈只能啟動自毀裝置。這么多發(fā)動機同時點火是一個非常復雜的技術(shù)，會產(chǎn)生巨大高頻震動和高溫等，影響火箭本身。下一階段需進一步攻克發(fā)動機布置、結(jié)構(gòu)、熱防護和可靠性等一系列難關(guān)。

搜狐科技：有業(yè)內(nèi)人士表示，“箭體用不銹鋼本身是不可取的行為，火箭升空后的高溫這個東西扛不住”，那么星艦主打的“航天材料可重復利用，減少航天制造成本”的技術(shù)亮點究竟能實現(xiàn)嗎？如果能實現(xiàn)將能節(jié)約多少制造成本？

龐之浩：我認為使用不銹鋼材料是沒問題的，本次星艦發(fā)射失敗也沒有歸因到箭體不銹鋼材料。星艦發(fā)射前馬斯克已通過多次原型仿真實驗證明了不銹鋼材料的可用性，如果用傳統(tǒng)碳纖維材料建造火箭殼體需花費千萬美元，而使用不銹鋼薄板建造殼體僅需幾十萬美元；可重復利用性主要還是指的箭體，最值錢的還是發(fā)動機。

搜狐科技：SpaceX星艦另一技術(shù)突破亮點號稱是環(huán)保設計，燃料采用甲烷和氧氣，較傳統(tǒng)火箭燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳少得多，但其實我們知道甲烷和氧氣作為燃料已經(jīng)是很久之前就應用的技術(shù)，這還算是突破性創(chuàng)新嗎？

龐之浩：液氧甲烷燃料，無毒環(huán)保、高比沖、低成本、易重復使用，且可以在火星原位生產(chǎn)；但是，歷史上使用這種燃料發(fā)射的火箭都未成功，燃料可用性還值得探究。

搜狐科技：星艦的單次發(fā)射成本大約是多少？馬斯克在星艦發(fā)射后表示，將根據(jù)失敗數(shù)據(jù)及時優(yōu)化技術(shù)，且SpaceX將很快再次嘗試，稱正在德克薩斯南部建造一系列星艦，今年有80%的機會進入軌道，您認為馬斯克的SpaceX確實具備及時調(diào)整并在今年大概率再次試飛的實力嗎？還是只是馬斯克為了穩(wěn)住股價的說辭？

龐之浩：火箭發(fā)射成本主要就是火箭建造成本，傳統(tǒng)火箭如土星5號建造成本約40億美元，此次星艦因首次為試驗制造，制造成本約30億美元，馬斯克表示未來規(guī)?；ㄔ旌蟪杀緦⒌椭?000萬美元。

值得一提的是，如果上述規(guī)劃能實現(xiàn)，地球到太空的運輸成本將低至每公斤100美元，常規(guī)火箭需約2到3萬美元每公斤。

SpaceX是具備短期內(nèi)再次嘗試發(fā)射的實力的，此次星艦同批建造并獲得NASA發(fā)射許可共5艘，還剩4艘可以用于試射。

搜狐科技：星艦如能發(fā)射成功，將會產(chǎn)生什么作用和影響？“火星遠征”計劃真的可以實現(xiàn)嗎？

龐之浩：不僅有助于實現(xiàn)“火星遠征”計劃，將人員和設備運載至太空，憑借其強大的運載能力和多用化設計，還可以運載更重、更多的第二代星鏈衛(wèi)星到太空，甚至一次可以部署一個小的星座，進一步推進馬斯克的星鏈計劃。此外，星艦還可以用于地球與太空之間點對點的運輸和建造，包括建設巨型太空站、太空旅館等。

搜狐科技：星艦發(fā)射雖然表面上是“失敗”，但很多人認為走出這一步，能發(fā)射就是成功了，您是怎么看待這個問題？對于火箭發(fā)射，一般要嘗試多少次失敗才能走向真正的成功？

龐之浩：本次試射有兩方面的成功：一方面是如馬斯克所講，星艦沒在發(fā)射臺爆炸；另一方面是星艦突破了MAX-Q（火箭穿越大氣層時遭遇最大氣動壓力的階段），證明星艦結(jié)構(gòu)和強度是沒問題的。

馬斯克造火箭實際上是“互聯(lián)網(wǎng)式”思維，不斷通過發(fā)射試驗發(fā)現(xiàn)問題，并且不斷改進優(yōu)化，似乎對于真正的成功沒有一個可量化的定義。

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