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　　近日，美國(guó)SpaceX公司首席執(zhí)行官馬斯克高調(diào)宣稱(chēng)，“星艦”采取不回收模式，近地軌道運(yùn)力有望達(dá)到300噸。那么“星艦”這個(gè)驚人的指標(biāo)靠譜嗎？當(dāng)前限制火箭運(yùn)力的因素有哪些？未來(lái)火箭的運(yùn)力可以有多大？

　　300噸并非天方夜譚

　　按照SpaceX公司的宣傳，“星艦”是為實(shí)現(xiàn)“殖民火星”“使人類(lèi)成為多星球物種”等宏偉遠(yuǎn)景而研制的重型航天運(yùn)載工具，直徑9米，高約119米，起飛總重約5000噸，今年4月20日進(jìn)行了首飛試驗(yàn)，遺憾的是未能成功。

　　“星艦”點(diǎn)火起飛瞬間

　　當(dāng)前，“星艦”兩級(jí)共使用39臺(tái)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，起飛總推力約7600噸，不回收模式下近地軌道運(yùn)力有望達(dá)到250噸，兩級(jí)回收重復(fù)使用模式下為150噸。馬斯克之所以自信滿(mǎn)滿(mǎn)地宣稱(chēng)“星艦”近地軌道運(yùn)力可達(dá)300噸，將指標(biāo)一口氣提高20%，奧秘就在于發(fā)動(dòng)機(jī)等火箭全系統(tǒng)改進(jìn)升級(jí)。

　　對(duì)于SpaceX公司來(lái)說(shuō)，將火箭運(yùn)力提升20%以上，已有先例，從當(dāng)前風(fēng)頭正勁的獵鷹9火箭發(fā)展歷程中就可一窺究竟。獵鷹9火箭V1.0版本2010年首飛成功，近地軌道運(yùn)力10.5噸，后來(lái)陸續(xù)推出了近地軌道運(yùn)力13.1噸的V1.1版本和近地軌道運(yùn)力17.95噸的V1.2版本，目前頻繁發(fā)射的Block5版本的近地軌道運(yùn)力為22.8噸，而且仍在持續(xù)改進(jìn)“挖潛”中。不難看出，其中每個(gè)版本相比上一個(gè)版本的運(yùn)力提升均超過(guò)20%。

　　可以說(shuō)，快速迭代、持續(xù)完善技術(shù)與產(chǎn)品是SpaceX公司的“套路”，頻繁發(fā)射的獵鷹9火箭尚且如此，更不必說(shuō)仍處于研制階段“星艦”了。事實(shí)上，“星艦”始于2016年國(guó)際宇航大會(huì)上亮相的大獵鷹火箭，至今已經(jīng)過(guò)7年10輪以上的方案迭代，其核心組成部分也在不斷改進(jìn)升級(jí)。

　　以猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)為例，自2012年啟動(dòng)研制至今，已發(fā)展至第三代，并于今年5月13日進(jìn)行靜態(tài)點(diǎn)火測(cè)試，推力高達(dá)269噸，而“星艦”首飛使用的第二代猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)推力230噸。顯然，第三代猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)將有力支撐“星艦”運(yùn)力提升。

　　馬斯克透露，基于第三代猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)，“星艦”第二級(jí)會(huì)加長(zhǎng)10米，配備的真空版猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)由3臺(tái)增至6臺(tái)。屆時(shí)，加長(zhǎng)版“星艦”的總高度將從目前119米增至129米，預(yù)計(jì)起飛總重超過(guò)6000噸。

　　計(jì)算可知，加長(zhǎng)版“星艦”如果在起飛總重6000噸的情況下實(shí)現(xiàn)近地軌道運(yùn)力300噸，運(yùn)載效率高達(dá)5%。相比之下，美俄歐日多款主力火箭的運(yùn)載效率在3.5%左右，獵鷹9火箭的運(yùn)載效率為4.15%。

　　“星艦”的運(yùn)載效率指標(biāo)如此之高，最主要因素有兩點(diǎn)。一是采用了高性能液氧甲烷全流量補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，兼顧了比沖、重復(fù)使用、操作維護(hù)等多方面性能，真空比沖高達(dá)380秒，而且第二代猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量?jī)H有1.6噸，推質(zhì)比150。二是“星艦”通過(guò)共底貯箱等手段實(shí)現(xiàn)了輕質(zhì)化設(shè)計(jì)，超重助推級(jí)結(jié)構(gòu)系數(shù)約7%，而當(dāng)前主流火箭子級(jí)結(jié)構(gòu)系數(shù)普遍在10%左右。

　　戰(zhàn)勝“兩大攔路虎”

　　航天界將近地軌道運(yùn)力20噸級(jí)的火箭稱(chēng)為大型火箭，將運(yùn)力超過(guò)100噸的火箭稱(chēng)為重型火箭，要想實(shí)現(xiàn)運(yùn)力大幅提升，均需突破大量關(guān)鍵技術(shù)。

　　據(jù)公開(kāi)資料顯示，我國(guó)長(zhǎng)征五號(hào)火箭突破了以大型液體火箭總體優(yōu)化設(shè)計(jì)、大直徑箭體結(jié)構(gòu)、120噸級(jí)高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)等12項(xiàng)重大關(guān)鍵技術(shù)為代表的247余項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

　　分析火箭運(yùn)力跨越提升的難點(diǎn)，最主要的還是大推力高性能發(fā)動(dòng)機(jī)、大直徑箭體結(jié)構(gòu)這兩項(xiàng)，可謂是火箭運(yùn)力提升的“兩大攔路虎”。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)是運(yùn)載火箭的“心臟”，重要性不言而喻。一般在同等設(shè)計(jì)水平下，火箭運(yùn)力越大，起飛總重越大，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)提供的起飛推力需求就越大。當(dāng)前火箭子級(jí)想要實(shí)現(xiàn)大推力，主要有兩種途徑：

　　一是單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)推力大，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)可以少一些，如土星5號(hào)火箭、能源號(hào)火箭及SLS火箭等。其中，美國(guó)登月火箭土星5號(hào)為了實(shí)現(xiàn)大運(yùn)力，一子級(jí)采用5臺(tái)推力690噸的F1液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。最初幾次發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)中，F(xiàn)1發(fā)動(dòng)機(jī)因燃燒不穩(wěn)定而頻發(fā)爆炸，美國(guó)宇航局及洛克達(dá)因公司費(fèi)了九牛二虎之力，通過(guò)改進(jìn)噴注盤(pán)構(gòu)型，解決了燃燒不穩(wěn)定問(wèn)題。

　　二是通過(guò)增加發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)整體推力增大。這雖然可以降低單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制難度，但多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠并聯(lián)使用又成為關(guān)鍵難點(diǎn)。蘇聯(lián)登月火箭N1的4次飛行試驗(yàn)均告失敗，表明多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)集成以及由此衍生的振動(dòng)、燃料輸送、控制等問(wèn)題不容忽視。好在技術(shù)總是不斷前進(jìn)發(fā)展的，獵鷹系列火箭成功實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)的工程應(yīng)用。

　　箭體直徑是火箭的關(guān)鍵參數(shù)，決定了火箭長(zhǎng)細(xì)比。從降低飛行載荷和火箭控制系統(tǒng)難度出發(fā)，火箭長(zhǎng)細(xì)比應(yīng)該盡量小，也就是大直徑箭體的表現(xiàn)更好。此外，大直徑箭體可以裝載更多推進(jìn)劑，為火箭運(yùn)力擴(kuò)展提供了更大的空間。然而，箭體直徑增大將帶來(lái)尺寸效應(yīng)（又稱(chēng)體積效應(yīng)，指金屬特性受幾何尺寸大小的影響），對(duì)于壓力更加敏感。

　　與此同時(shí)，火箭輕質(zhì)化需求越發(fā)迫切。這對(duì)于厚度只有幾毫米的火箭貯箱、殼段等結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)、材料、加工工藝都提出了極高的要求。我國(guó)長(zhǎng)征五號(hào)火箭俗稱(chēng)“胖五”，正是因?yàn)槠渫黄屏?米直徑箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造與試驗(yàn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)火箭箭體直徑的跨越式發(fā)展。對(duì)于重型火箭而言，直徑往往從10米級(jí)起步，其制造設(shè)備與工藝、結(jié)構(gòu)運(yùn)輸與試驗(yàn)都是更大的難題。

　　大航天時(shí)代“無(wú)邊界”

　　航天時(shí)代始于1957年10月，蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星。12年后，土星5火箭成功發(fā)射阿波羅11號(hào)飛船，人類(lèi)足跡首次踏上外星球。然而，此后的50多年間，人類(lèi)沒(méi)能再將足跡拓展到更遠(yuǎn)。由于沒(méi)有任務(wù)需求牽引，土星5號(hào)重型火箭僅執(zhí)行了13次發(fā)射任務(wù)就進(jìn)入博物館，蘇聯(lián)能源號(hào)重型火箭同樣因形勢(shì)和任務(wù)變化而“折戟沉沙”。

蘇聯(lián)能源號(hào)重型火箭“壯志未酬”

　　21世紀(jì)初，隨著一系列宏偉航天計(jì)劃和工程需求的提出，重型火箭再次進(jìn)入公眾視野。美國(guó)宇航局先后開(kāi)展了戰(zhàn)神5號(hào)重型火箭和SLS重型火箭的研制，雖然前者遺憾“夭折”，后者的技術(shù)水平相比土星5號(hào)火箭并無(wú)顯著優(yōu)勢(shì)，但新的任務(wù)需求為重型火箭的發(fā)展提供了新機(jī)遇。

　　之后，“星艦”不僅接過(guò)了進(jìn)入工程階段的最大火箭“接力棒”，還為后來(lái)者提供了更多研發(fā)設(shè)計(jì)的前車(chē)之鑒。未來(lái)，新型材料、新概念動(dòng)力、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等都有望助力人類(lèi)將更大更重的有效載荷投送到目標(biāo)軌道。

　　最大的利好消息是，當(dāng)前人類(lèi)已經(jīng)邁進(jìn)了以巨型星座建設(shè)、大規(guī)模深空探測(cè)、1小時(shí)全球運(yùn)輸為代表的大航天時(shí)代，開(kāi)發(fā)與利用空間任務(wù)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，為重型火箭的應(yīng)用提供了廣闊空間。無(wú)論是數(shù)以萬(wàn)計(jì)的衛(wèi)星部署計(jì)劃，還是更周密、更注重實(shí)效的月球、火星等深空任務(wù)，或者是1小時(shí)全球商業(yè)運(yùn)輸任務(wù)等新概念物流暢想，都有望促使重型火箭加速發(fā)展。

　　不難想象，在大航天時(shí)代的多樣化需求牽引下，火箭起飛規(guī)模將越來(lái)越龐大，火箭運(yùn)力將提升到前人感覺(jué)不可思議的水平，也許將是“無(wú)邊界”的。站在當(dāng)下，我們無(wú)法精確地預(yù)言未來(lái)火箭究竟會(huì)有多大的運(yùn)力，就如同幾百年前乘坐小木船漂洋過(guò)海的先人們不可能想到今天行駛在汪洋大海中的巍巍巨輪，不過(guò)重型火箭未來(lái)一定可以促進(jìn)近地空間開(kāi)發(fā)更完善，幫助人類(lèi)飛向更遠(yuǎn)。

　　>End

　　本文轉(zhuǎn)載自“中國(guó)航天報(bào)”，作者：吳勝寶，原標(biāo)題《近地軌道投送300噸？火箭運(yùn)力能有多大》，本文原載于《中國(guó)航天報(bào)·飛天科普周刊》6月3日一版。

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