史上最强火箭首飞成功 但猎鹰难举美国航天梦

北京时间2月7日04：45分许，SpaceX旗下的新型火箭，也是现役运力最强火箭——“重型猎鹰”(Falcon Heavy)火箭首飞成功。

“重型猎鹰”火箭是自土星5号(Saturn V)以来，运力最强的火箭。在它首飞前，SpaceX首席执行官、硅谷“钢铁侠”马斯克也非常忐忑。在自己的个人推特账号上，这位科技“狂人”一改往日的自信，说这只是一次试飞，只要它别在发射台上炸毁，那就算试飞成功。如果发射失败，希望能暴露出更多问题，这样自己才能吸取教训，不断进取。

最终，“重型猎鹰”火箭首飞结果并没有让马斯克失望。

值得一提的是，发射在佛州卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心39A发射台进行。“重型猎鹰”的首次飞行将搭载马斯克的一辆红色特斯拉Roadster跑车，车上还会播放1969年戴维·鲍伊的经典歌曲《太空怪人》。这辆跑车将在太空中漂浮数十亿年时间。

现役运力最强火箭首飞 2011年，“重型猎鹰”火箭首次对外亮相。2015年和2016年的一些火箭故障迫使公司推迟发射。在过去几年中，SpaceX一直在更新火箭的目标发射日期；到了2017年年底，又因为美国政府停摆，马斯克暂停了发射。直至2018年伊始，SpaceX才首次公布了一个具体的发射日期。

“重型猎鹰”火箭是自土星5号(又称“农神五号”)运载火箭后，运力最强的火箭，它有可能是将人类送入深太空的最佳选择。

“重型猎鹰”高69.2米，近地轨道载荷达63.8吨，采用芯级并联的结构设计，由三枚经改装的“猎鹰九号”火箭组装而成。运力几乎是现役火箭——联合发射同盟(United Launch Alliance)旗下德尔塔4号重型火箭(Delta4-heavy)的2倍。

“重型猎鹰”的芯一级采用27台发动机，这相当于18架747飞机的推力。这样的设计对发动机可靠性提出了极高的要求。苏联时期研发的N-1火箭，芯一级采用30台发动机，4次发射均告失败。因此，长期以来采用“蜂窝”式发动机构筑大推力系统，是火箭研发的大忌。这也是此次发射中存在的巨大隐患。

除了运力强劲以外，“重型猎鹰”的发射费用在9000万美元左右，比Delta4号重型火箭低20%左右。

不论是现在“重型猎鹰”还是之前的土星5号、德尔塔4号，美国在重型火箭研究和发射上均领先其他国家。

一石二鸟

“这是节约上百万美元的事情，你几乎可以用节约的钱去完成新的项目。我们可以利用它探索更远的太空，例如考虑水星和金星。”科学家、2010年-2012年SpaceX公司独立顾问Alan Stern在接受媒体采访时说。

“重型猎鹰”火箭首飞成功，会给SpaceX带来更多的业务。例如，可以更廉价地将商业卫星发射进入低地球轨道；将旅行者送至月球轨道附近等。

自2011年首次公开亮相后，“重型猎鹰”火箭就进入了美国火箭研究员的视野。据《科学》杂志报道，美国国家航空航天局(NASA)已经开始考虑用“重型猎鹰”火箭来完成自己的欧罗巴快帆任务。该任务准备将重为3.6吨的探测器，在2022年初发射至木星附近。通过飞掠的方式，探测器将以高分辨率相机拍摄冰月表面，探测大气成分，以及冰月内部和冰层的结构。NASA曾考虑用自己的重型火箭，高近100米的SLS火箭，但SLS的首次测飞已经推迟到了2020年。而且，其每次发射花费在10亿美元。

有了“重型猎鹰”火箭，人类对于火星的探索进程也将加快。SpaceX称，“重型猎鹰”可以运送2至4吨的货物至火星表面，可作参照的是，好奇号重量是1吨左右。这次的“重型猎鹰”火箭试射，给人类开启了更加雄心勃勃的太空探索之路。

天文学家们也表达了对“重型猎鹰”火箭的兴趣。基于“重型猎鹰”火箭的运力，天文学家们正在考虑到2020年，用它来运载约为6.2吨的韦伯望远镜和6.5米的镜面。

尽管“重型猎鹰”火箭受到多方青睐，但它并不是市场唯一的选择。《科学》杂志指出，在接下去的几年时间里，SpaceX将遇到挑战。它的竞争者不仅有来自NASA的空间发射系统，还有亚马逊创始人贝佐斯的蓝色起源公司。蓝色起源将在2020年首次公布自己的可重复利用的“新格林”号火箭。ULA也在努力研发“伏尔甘”火箭。

“这样的竞争显然会带来更便宜的发射费用，届时不仅政府可以拥有太空项目，私人公司也能在太空有所作为，甚至是大学也可以。”科罗拉多大学航空专家Phill Larson表示。

“重型猎鹰”火箭难举美国航天梦

徐令予 加州大学洛杉矶分校 物理系研究员

这几天美国媒体的视线聚集在肯尼迪航天中心的39A发射工位上，矗立在这里的SpaceX的“重型猎鹰”超级重型运载火箭把首飞的零时定在了美国东部时间2月6号1:30PM。肯尼迪中心的39A发射工位是个有着许多故事的地方，阿波罗计划载人登月的所有土星五号全部在这里发射升空，这里曾是美国梦升起的地方。SpaceX选择这里作为他的“重型猎鹰”的处女航意味深远。

“火箭无法进入轨道的可能性很大，我希望它能够远离发射台，不会造成发射台损坏，说实话，我甚至认为只要能如此也是一场胜利。”SpaceX的CEO马斯克的这个表白不只是伟大的谦虚，更可能是深深的无奈。重型猎鹰能否重振美国航天的荣光还真是一个大问号。

重型猎鹰说白了就是三支猎鹰9捆绑在一起。它的核心是一枚猎鹰9，另外再把两架猎鹰9的第一级作为助推器。所以重型猎鹰的第一级就有3x9=27枚“梅林-1D”液氧煤油引擎，在起飞阶段，将有多达27枚“梅林-1D”引擎同时工作。这种构型使得重型猎鹰成为自苏联时代N1超级火箭以来，起飞级引擎总数最多的一款火箭。苏联超级火箭N1正是受30台引擎的拖累而连连失败，最后葬送了苏联的登月计划。

“前车之覆，后车之鉴。”苏联N1血的教训SpaceX不会不知道，只是实在也没有什么其它办法，“没有金刚钻，硬揽瓷器活。”SpaceX造不出大推力火箭引擎，手里只有推力100吨都不足的“梅林-1D”引擎。为提高总推力只能捆绑27枚“梅林-1D”引擎来凑数。

捆绑大量低推力引擎实乃火箭工程中的下下策，其负面因素是多方面的有些甚至是致命的。捆绑不成夫妻，同样道理捆绑大量引擎打造不出大推力重型火箭，这个道理实际上是很容易理解的，否则你我都可以买成千上万只“串天”捆绑起来去月球转一圈了，这天下能有如此好事吗？

捆绑大量引擎会使火箭效率降低。因为每只引擎都有许多的零部件，捆绑许多的引擎必然是大量零部件的重复堆砌，火箭自重必然增加从而导致推重比下降，降低了火箭的工作效率。

另外，并联工作的引擎数量越多，引擎发生故障的概率就越大，运载火箭飞行中，一旦出现单台或者多台引擎故障，就会面临推力不足或推力不平衡等问题，有可能导致任务失败。吸取苏联N1火箭的教训，航天界有一个不成文的规则：火箭第一级加助推级的引擎总数不能太多，最好不超过10台。以中国长征系列火箭为例，长征2E/F、长征3B都是8台发动机，而长征5号则是10台，逼近安全上限了。事实上，目前世界各国研制的各型火箭大致都遵守这个潜规则，只有SpaceX的重型猎鹰火箭反其道而行之。

与其说马斯克有造反精神，还不如说他作为资本家对市场利益有着比狗还要敏锐的嗅觉。马斯克感觉到了美国重型运载市场有着难得的好机遇。自七十年代阿波罗计划烟消云散后，美国航天界是刀枪入库、马放南山，几十年中就没有一枚像样的超级重型运载火箭。进入二十一世纪后，眼看中国的航天事业天天向上，迈向月球的脚步声越来越清晰有力。受到中国的刺激，美国决定要征服火星或重登月球，重显世界老大的威风。问题是政客们可以在网页上用PPT登月，NASA没有超级重型火箭怎样实施登月。于是马斯克看到了机会。

2011年，这位SpaceX首席执行官马斯克首次在华盛顿特区的国家新闻俱乐部郑重宣布：他们的重型猎鹰能提供更多有效载荷和更高逃逸速度，这是一枚土星V型退役以来世界上从未有过的超级重型火箭。有道是"世无英雄,遂使竖子成名。”

按2011年提出的最初时间表，重型猎鹰将于2012年底之前将抵达SpaceX西海岸发射地点——加利福尼亚州范登堡空军基地。首次发射将于2013年进行，而卡纳维拉尔角的首次发射将于2013年底或2014年进行。但到2015年中，由于猎鹰9试飞失败而导致重型猎鹰首次发射推迟到2016年底。设计一改再改，计划一延再延，马斯克他们是踢到了铁板，中间的辛酸也只有他们心知肚明。

“事后方知重型猎鹰（的制造）比我们想象的要难得多……其中的难度远远超出我们原先的设想，我们实在过于幼稚了。”这是马斯克的原话。说实话，要重起炉灶设计制造一枚新的超重型火箭本非易事，而要在去工业化的今日美国实施此计划更是难上加难。理想很丰满，但现实很残酷。

重型猎鹰制造计划一波三折、几经磨难，今天终于走上了发射台整装待发，应该说也还是非常不容易。但是仔细分析一下这枚所谓的超重型火箭的各项性能指标，不得不让人扼腕叹息。

让我们先从时间轴上作个前后对比，表一显示了重型猎鹰与五十年前土星五号的主要性能指标。数字显示土星五号身强力壮，力压重型猎鹰，土星的第一级只用了5只引擎发出的总推力超过后者27只引擎近5倍！土星五号的运载能力是重型猎鹰的3倍。仅从性能来看，土星五号完胜重型猎鹰，事实上两者几乎就没有可比性。

表一

再让我们在空间轴上作个左右对比，表二显示了重型猎鹰与各国重型火箭的主要性能指标。从这张表上，不管是左看右看，无论哪里也看不出这枚捆绑有27只引擎的重型猎鹰有什么过人的优势，这真的不像是一枚超级重型火箭。重型猎鹰真的难以担起登上月球飞向火星的重任，单看它三米多点的直径，实际上已经被判出局。现代太空任务的载人飞船和太空望远镜都是又重又大，三米多直径作为重型火箭都不合格，“超级重型”的影子都没有。

表二

正如马斯克自己所说：“火箭引擎是目前SpaceX所面临的最大短板。”运载火箭与飞机汽车一样，引擎是它的核心技术。为了把更重的载荷送到更高更远的地方，火箭不仅需要最好的引擎，而且一枚多级火箭需要不同类型的引擎。通常中型以上的液体燃料火箭，它的初级都用大推力但效率略差的液氧煤油引擎，而最后一级都釆用效率高的液氢液氧引擎。这样的高低搭配可以在火箭的性能和价格之间求得最优化。而马斯克手中只有一款液氧煤油引擎—梅林1D，而它的真空状态改型则用来作火箭的第二级，两者性能都极其平庸。表三是目前各国拿得出手的火箭引擎性能比较。

表三

表三数据显示，SpaceX的梅林-1D引擎推力不足，比冲低下，在液氧煤油引擎排名单中是填底的。究其原因，主要是没有核心技术，缺乏技术积累。梅林-1D釆用燃气发生器而不是中国、俄罗斯的高压补燃循环引擎，燃烧室压力太低，必然导致推力不足和效率低下。基于梅林-1D引擎的数据，重型猎鹰火箭公布的载荷能力是值得怀疑的，唯一的解释可能是把将来会使用推进剂交叉输送技术（Cross-Feeding）的因素作了预估。从目前可靠的综合性能分析，中国的长征五号要优于重型猎鹰。

尺有所短、寸有所长，当然SpaceX的火箭技术也有其独特的优势。主要优点可归纳为以下几点：

1）火箭在结构上有创新，又大量使用新型轻质材料，大大减少了火箭的自重。所以尽管引擎不太给力，重型猎鹰的最终送入轨道的载荷仍有不俗的表现。

2）SpaceX只有一种型号的引擎，研制开发的资源可以集中，也便于大规模量产提高生产效率，后期的使用维护成本也可大幅降低。SpaceX一年可以生产400台梅林引擎。在这一点上，应该为其点赞。

3）SpaceX具有火箭第一级的发射回收技术，再加上引擎大规模量产，大大降低了运箭火箭的生产和发射成本。

省钱一直是马斯克的主要卖点。马斯克首先是个商人，商人在商言商，省钱对于严重缺钱的美国政府最有吸引力。宣传资料是这样说的：阿波罗计划中的每次发射开支是12.3亿美元，其中7.1亿美元是火箭的生产成本（己折合成2016年美元的价格），而重型猎鹰把2.2吨载荷送入同步轨道的价格只要9千万美元。

我一直对SpaceX的这种宣传深感困惑。当初土星五号花费12亿美元可把50多吨的载荷送入同步轨道，假设发射开支与载荷重量成正比，那么重型猎鹰执行土星五号相同任务的开支至少要20亿美元。实施航天任务又不是买大白菜，多买有折扣，实际上价格与任务的难度远不是正比关系，常常是非线性增长的。只要想一想买平板电视的经验，随着显示屏尺寸的增加电视机价格是加速增长的。

“省钱”其实是SpaceX玩弄的把戏。他省钱的途径是靠火箭回收利用，他的引擎本来就不给力，为了回收发射过程中必须把部分燃料留作它用，这就大幅降低了火箭的最大载荷能力，导致回收的重型猎鹰只能把2.2吨载荷送入同步轨道，这还是一枚超重型火箭吗？连重型的资格都没有。

更重要的是在重型和超重型火箭市场中，任务主要是载人登月和去火星，载荷的价值远超运载火箭的成本。例如，美国新一代太空望远镜詹姆斯·韦伯（JWST）就要依靠重型运载火箭送上太空，该太空望远镜价值80亿美元，该项目会在乎在运载火箭上省几千万美元吗？人家要的是一枚高性能高安全度的超级重型火箭，在这个舞台上我估计马斯克是没戏可唱的。

“山中无老虎，猴子称霸王。”这是今天马斯克和他的重型猎鹰还站在舞台上的原因。美国航天界的老虎消声匿迹的原因多种多样，其中有一条十分重要，那就是失去了前苏联这样强劲的竞争对手。从大历史角度看，在前苏联的崩溃中倒下的巨人实际上是两个，只是一前一后而已，至少在航天界事实就是如此。冷战之后，美国的航天事业再难续其过去的辉煌，因为：“做小生意需要朋友，成大事业要有敌人。”这大概也是美国在全世界到处找敌人的一个原因吧。