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首飛成功!SpaceX?“重型獵鷹"登頂世界運力最強運載火箭

時間:2018-02-07

剛剛,幾番推遲之后,在逾十萬現場觀眾的注視下,佛羅里達肯尼迪航天中心 LC-39A 發射工位,這個曾經承載了“土星 5 號”火箭登月和“哥倫比亞”號航天飛機首飛的發射位再次為自己的光榮傳統添上了傳奇的一筆——人類現役運力最強的火箭重型獵鷹(Falcon Heavy)成功在這里完成了首飛并完成一級火箭回收!那家叫做 SpaceX 的公司和那個名為馬斯克的男人再次成為萬眾矚目的焦點。

圖丨特斯拉跑車鏡頭


圖丨助推器回收成功


這既是一次火箭發射任務,也可以說是馬斯克自導自演的一次“太空級”的大 Show。在火箭發射的前一天,馬斯克的 Twitter 就開始不斷“刷屏”。先是推出一支最新的重型獵鷹概念片,配以 David Bowie 的《Life on Mars?》可以說是十分應景。


隨后,老馬又大打情懷牌,隨手貼出了幾張頗具年代感的太空海報,隨圖配文更是簡單直接——“Mars Awaits”。



在發射現場接受媒體采訪時也是派頭十足,妥妥的一副好萊塢明星的架勢。

圖丨馬斯克現場接受采訪

一向嚴肅臉示人的美國聯邦航空管理局(FAA)也借這次發射刷了一波存在感!


圖丨FAA 發給 SpaceX 的發射許可


甚至是馬斯克的老對手、亞馬遜和藍色起源公司的創始人貝索斯也發來了一輪“助攻”!


圖丨貝索斯的祝福推文被馬斯克“深情”回復


而正如馬斯克此前頻頻允諾的一樣,這次的重型獵鷹發射所搭載的正是他本人的一輛櫻桃紅色特斯拉 Roadster 跑車。不僅如此,一個身著 SpaceX 公司已經公布的宇航服的“駕駛員”假人“Starman”(同樣是Bowie的一首歌)以非??犰諾姆絞階詡菔晃?。更為神奇的是,在特斯拉跑車的儀表板上還藏著一個跑車的微縮模型,同樣有一個宇航員小人坐在里面,車上還帶有一套微縮版本的阿西莫夫《基地》三部曲。不得不說馬斯克真是“彩蛋”多多,硬是要一次發射為其旗下的兩家公司打了免費廣告。


圖丨本次載荷——特斯拉 Roadster 跑車


根據 SpaceX 公司介紹,這輛車會被送入地球—火星轉移軌道,同時,車子會不間斷的播放 David Bowie 的成名作《太空怪咖》(Space Oddity),屆時,跑車上裝有的 3 臺攝像頭應該會拍車里的假人所看到的宇宙視角。馬斯克說,“一切順利的話,它們應該會提供非常棒的畫面?!比綣懷鲆饌?,按照馬斯克本人的原話,“這輛車會在宇宙中飛行超過 10 億年?!筆韻胍幌?,動人的音樂搭配深邃的星空,一幅難得的華章美景。


但回到這次發射本身,之所以外界對這枚火箭期待已久,除了閃耀著光環的“SpaceX”和其創始人“馬斯克”之外,重型獵鷹火箭自身的超強性能和絕佳的性價比也一舉打破了多項世界紀錄,使其成為目前人類現役的火箭中運載能力最強的一款。


近地軌道運載能力(LEO):63.8 噸——相當于一架滿載乘客的波音 737 客機,比目前紀錄保持者德爾塔 IV 重型火箭的 28.8 噸足足提高了兩倍還多;地球同步軌道運載能力(GTO):26.7 噸——相當于二戰時英軍一輛“瑪蒂爾達”II 型坦克;火星軌道的運載能力:16.8 噸——相當于一臺 LAV3 裝甲車。  

重型獵鷹火箭高 70 米,寬 12.2 米,起飛重量 1420 噸,起飛時 27 臺梅林 1D 發動機同時工作,可以提供高達 2280 多噸的起飛推力。這種運載能力也只有專用登月的土星 5 號和前蘇聯的航天飛機“御駕”能源號火箭可以俯視。


而除了大推力之外,最值得關注的一點就是重型獵鷹的可重復使用能力,此次發射的三枚一級箭體全部實現回收,而其中兩枚助推火箭還是此前用過的“二手貨”,由此也可見 SpaceX 的回收技術已經十分成熟。


除此之外,例如重型獵鷹火箭的助推器分離和一二級分離均采用的無損式“冷分離”模式(主要為冷氮噴射或機械式推桿)也是一大亮點,其相較于更為傳統的爆炸式“熱分離”無疑會更具優勢,目前,SpaceX 所進行的數十次冷分離操作無一失敗,證明足以被其他人借鑒應用。


圖丨重型獵鷹助推器分離


不過,雖然這次重型獵鷹成功完成了首飛,但殊不知馬斯克和整個 SpaceX 團隊已經在這背后默默耕耘了數年之久,可以說,每一次亮眼的表現都是由無數人的智慧和汗水換來的。


有關于重型獵鷹誕生的故事還要追溯 7 年前。2011 年 4 月份,那時只有三十幾歲的馬斯克還沒有成為“鋼鐵俠”,SpaceX 和特斯拉也遠沒有形成如今這樣的譽滿天下的影響力。但也正是在這樣的背景之下,馬斯克卻通過寥寥幾位記者向世界宣告了“他想要造出重型獵鷹火箭”的瘋狂想法。


圖丨 2011 年 4 月 5 日,馬斯克在美國全國新聞俱樂部上首次宣布了重型獵鷹火箭的計劃


之所以“瘋狂”,是因為在當時那個時間點,美國的航天業似乎已經陷入了前途未卜的困頓之中,僅僅幾個月之后,美國人引以為傲的航天飛機就迎來了最后一飛,之后便徹底終結了歷史使命,這意味著曾經的航天霸主已經在兜兜轉轉之中變得沒有了將人送入太空的能力。而 NASA 除了要被迫接受來自俄羅斯的強勢態度之外,國內的聯合發射聯盟(ULA)也是將壟斷做到了極致,不斷攀升的發射要價使得美國政府有苦難說。


內外交困之中,馬斯克帶來了希望,他大膽承諾,重型獵鷹的運載能力將達到航天飛機和德爾塔 IV 重型火箭的兩倍以上,只需要發射一次就可以將宇航員送上月球甚至火星。同時,在記者們的追問之下,他還大膽給出了重型獵鷹火箭的首飛時間:2012 年底。不過,就像馬斯克本人當時所說的一樣,“發射這件事本身就很難預測”,幾經拖延之后,直到今天他才兌現了當時的諾言。


自然,在科研人員眼里,在符合技術發展規律的要求之下,進度拖延可能并算不上什么致命的問題,但在商戰江湖上的競爭對手看來,任何的一點瑕疵都可以被用來大做一番文章。


從項目提出,重型獵鷹就不斷遭到以 ULA 為代表的同行的冷嘲熱諷,除了反復推遲之外,最大的一個梗就是 27 臺梅林 1D 發動機(Merlin-1D)的捆綁式設計了。這很容易讓外界聯想到當年蘇聯 N-1 登月火箭的 30 臺 NK-15 發動機的壯觀景象,可時運不濟,從 1969 年到 1972 年,“怪獸”N-1 四射四敗,蘇聯的登月計劃也因此而草草收場。


圖丨蘇聯 N-1 火箭


多年過去,紅色帝國早已解體,但太空競賽中的勝出者美國卻似乎并沒有能繼續引領全球范圍內航天領域的創新,反而是體制愈加保守,整個行業如同一潭沉寂死水。就以 NASA 和美國軍方的航天項目為例,在沒有議價能力的情況之下,政府只能乖乖的掏出真金白銀,交由波音、洛克希德·馬丁等大型軍工企業進行設計、開發、測試,直到馬斯克的出現才開始逐漸打破這一日漸陳舊的局面。


大約十年之前,SpaceX 公司首款產品“獵鷹 1 號”火箭在歷經了 3 次失敗之后終于發射成功,并成功將載荷送入預定軌道,要知道,歷史上可從來沒有一家私人公司能夠做到這一點。旗開得勝之后,SpaceX 又推出了拳頭產品“獵鷹 9 號”火箭,于是,來自 NASA 的空間站貨運補給大單紛至沓來。


在最近的 2017 年,SpaceX 總共完成了 18 次的發射,約占全球發射總量的五分之一,比肩中國全年的發射總數。一鼓作氣之下,醞釀已久的重型獵鷹趁此登上了舞臺。


隨著重型獵鷹火箭首飛成功,一個非常直接的問題也被拋了出來,重型獵鷹火箭的市場在哪里?換句話說,在已有的獵鷹 9 號面前,重型獵鷹會不會稍顯多余?


當馬斯克在 2011 年首次公布重型獵鷹計劃時,獵鷹 9 號才僅僅飛行過兩次,最初版本的運載能力也僅有 10.5 噸,隨著梅林發動機的升級,兩年之后的獵鷹 9 號 1.1 版的近地軌道運載能力才得以提升到 13.2 噸。


在那之后,獵鷹 9 號不斷進行迭代,發動機升級、箭體材料優化、使用密度更高的燃料以增大載重。等到 2015 年 12 月,獵鷹 9 號成功實現首次回收時,其最大近地軌道運載能力已經達到了接近 23 噸。而即將在今年年底亮相的“ Block 5 ”最終版獵鷹 9 號火箭的運載能力仍將在此基礎上提升至少 10%。


這也就意味著,從 2011 年到2018 年的七年間,獵鷹 9 號火箭的運載能力已經幾乎翻倍,在此期間 SpaceX 承接的很多重要發射任務也都是由這款明星火箭所完成,可以說,獵鷹 9 號完全有能力攬下當下絕大部分的發射任務。


那么,在這種情況之下,重型獵鷹看起來似乎顯得有些“生不逢時”,而依據目前已經簽訂的訂單來看,重型獵鷹火箭的目標市場也是依舊不太明朗。


目前,今年已知的重型獵鷹的發射計劃只有兩個,分別是沙特阿拉伯一枚重達 6 噸的 Arabsat 6A 衛星,以及美國空軍將利用重型獵鷹火箭執行的空間測試計劃-2(Space Test Program-2,STP-2)任務,該任務最吸引人的一點是它會搭載一個由知名非盈利太空探索組織 The Planetary Society 所研制的 LightSail 2 航天器,目標就在于測試太陽帆的可用性。


按照以前的猜測,重型獵鷹很有可能會被用于衛星星座的組網發射。因為在未來幾年,包括 SpaceX、OneWeb 和 Planet 在內很多公司都有在近地軌道建造用于通信、測繪的衛星群的計劃,每個方案動輒就是成百上千顆衛星。


不過在目前看來,這一市場未必適合重型獵鷹,隨著諸如國外 Rocket Lab 和國內零壹空間等小型火箭公司的崛起,以及印度、俄羅斯等國家采用“一箭多星”的發射方式,這部分需求將會得到較大程度的滿足。前白宮—NASA 聯絡專員 Greg Autry 就直截了當地評價道,“重型獵鷹在這個市場排不上號?!?


除了為企業進行商業發射,另一個存在可能性的市場就是為美國軍方執行發射任務。早在 2015 年,美國空軍就開始與 SpaceX 公司探討用獵鷹火箭為軍方發射間諜衛星和絕密空間飛行器的可能性。而至今為止,SpaceX 已經為軍方完成了 3 次發射,包括 2017 年 5 月 1 日 NROL-76 軍事衛星、2017 年 9 月 7 日的 X-37B 飛行器以及今年年初的神秘衛星“ZUMA”,接下來,SpaceX 公司還將參與到新一代 GPS 衛星的發射之中。


與前面所論述的微小衛星不同,這些政府衛星每個都價值不菲,成本往往都在上億美元,而且重量往往也以噸計。根據統計,美國的軍用航天發射市場在未來的 10 幾年內達到 500 億美元以上,如果重型獵鷹火箭可以投入使用的話,那么憑借著其 9000 萬美元的單次發射費用,完全有可能從 ULA 手中分得一杯羹。(ULA 性價比最高的宇宙神 V 的軍用發射報價通常在 1.5 億美元以上,德爾塔 IV 更是超過 4 億美元。)


另外一個不能被忽視的市場就是 NASA 的科學研究發射項目。以往,這部分市場依舊是被宇宙神 V 和德爾塔 IV 所壟斷,即便 NASA 自研的太空發射系統(SLS)的運載能力將會遠超它們,但這型堪比土星 5 號的巨獸并不便宜,成本估計會超過重型獵鷹 10 倍,而且首飛日期一拖再拖,近幾年內還暫時看不到投入應用的可能,這樣看來,在性價比絕佳的重型獵鷹的助力下,勝利的天平開始向馬斯克傾斜。


“我認為馬斯克用重型獵鷹火箭向太空發射重量較高的載荷就是一種展示,向 NASA 和其它的科研機構證明自己有能力向太陽系內的任何一顆星球發射探測儀器?!盙reg Autry 這樣說到。


對此,The Planetary Society 太空政策主任 Casey Dreier 也標表示了贊同,“目前,NASA 進行太陽系內科學探索的項目往往超過數十億美元,這些任務規模龐大、流程復雜且數量稀少,很多科學家在其職業生涯中只能經歷一次這樣的科學任務,這樣所帶來的后果就是科學數據不易收集,科研工作進展緩慢。而要想改變現狀,可行的辦法就是依靠廉價的運載火箭發射更多的低成本探測器?!?


“如果重型獵鷹這樣的火箭可以執行批量化的發射任務的話,那么 NASA 對其它的行星進行探索的龐大任務將有可能會被分割為數個小任務同時進行,那整個計劃的周轉周期將會得到極大地壓縮,現在十幾年甚至數十年的任務可能在幾年之內就得以完成?!盌reier 評論到。


看得更遠一點的話,人類進入太空的能力在被完全滿足的情況下,未來探測器也完全可以實現批量化的生產,再輔以核能等動力來源,人類完全可以做到向更廣的宇宙空間發射探測設備,這樣一來,我們對星系的認知和了解將會成倍地增加。而重型獵鷹將為這一愿景首開先河。


重型獵鷹火箭的推出可謂是趕上了一個絕佳的歷史時機。在去年,特朗普政府已經批準重組了美國國家太空委員會,重返月球也被提上了日程。在土星 5 號退役已久、SLS 尚未入役的青黃不接時期,重型獵鷹無疑是執行這一任務的“最佳人選”。


而馬斯克也早在 2011 年就很有先見之明地提到了登月的項目,“理論上講,你只需要兩發重型獵鷹火箭就能實現登月——一枚將宇航員送上月球,另一枚運送返回載具。這樣日積月累一段時間之后,我們完全有能力建立起一個理想中的月球基地?!?


一些獨立的研究表明,如果 NASA 想要打造一個廉價可行的“月球計劃”,那么以 SpaceX 為代表的私人火箭將會是不二首選。


在業內看來,重型獵鷹火箭的一個值得稱道之處就在于其低廉的價格。當馬斯克在 2011 年召開新聞發布會時,他曾堅定地表示 SpaceX 的發射報價是獨一無二的,任何競爭對手都難以企及。那時,他便立下軍令狀,“獵鷹 9 號的發射報價只有 5000 萬美元,重型獵鷹也不會超過 1 億美元,除了通貨膨脹的影響因素之外,我們不會漲價?!弊詈笏共鉤湟瘓?,“就讓歷史來作證,我說到做到?!?


如今,七年過去了,馬斯克基本兌現了他的承諾。從 2011 年到現在,結合通貨膨脹因素之后,獵鷹 9 號的發射報價應該調整為 5500 萬美元,和當前 6200 萬美元的價格相差無多,但考慮到最新版獵鷹 9 號的發射能力是最初版的一倍還多,單位載荷報價倒是不降反升。而再來看重型獵鷹,如今 9000 萬美元的報價低于預期的 1 億美元。


對此,XCOR、Agile Aero 公司的創始人 Jeff Greason 評價到,“SpaceX 價格透明的做法為業界做出了持久而重大的貢獻,這也是其杰出的地方之一。事實上,人們總會不由自主地忽視掉定價的重要性,沒有了價格的決定因素,市場將會混亂,任何一件商品的價值都將會在‘一文不值’和‘無價之寶’之間游走?!?


其實,NASA 自身也早已認識到了物美價廉這一點,他們從很久之前就開始關注重型獵鷹的研發進展,希望有朝一日可以達成合作。但即便如此,國會還是每年將 20 億美元的巨額資金投入到遙遙無期的 SLS 項目之中,個中原因不難理解,除了對私人公司的不信任外,最主要的就是 SLS 上百億美元的項目將會為 NASA 和相關承包商帶來大量的工作機會和資金。相信這次重型獵鷹首飛成功之后,一切將會出現轉機。


或許是因為研發和準備的時間過長,重型獵鷹已經錯過了成為主力運載火箭的最佳時機。對此,國防部專家 Harrison 就認為,“我們在猜測 SpaceX 已經開始對重型獵鷹項目有些后悔,他們曾經設想通過三枚獵鷹 9 號并聯的方式來打造一枚重型火箭,但現在看來,這種方案似乎不太行得通?!?


而之所以 SpaceX 選擇了這種看似“捷徑”的方案,主要是因為其公司總部位于美國西岸的洛杉磯,火箭的設計、生產也都是在這里完成,最終只能通過高速公路運送到幾千公里之外的佛州發射位,這一流程自然而然地就限制了每枚火箭的芯級尺寸。


重型獵鷹這種解決方案看起來只能算是權宜之計,但卻并非是最佳出路。和其結構類似的德爾塔 IV 重型火箭就因為同樣的原因導致的高成本而逐漸被 ULA 所舍棄。這樣看來,重型獵鷹也是前途堪憂。


更為重要的是,在連續兩屆的國際宇航大會(IAC)上,馬斯克先后兩次公布了不斷迭代的 BFR 超級火箭(舊稱 ITS),和獵鷹 9 號一樣,BFR 也采用了單芯的簡單結構設計,而超百噸的近地軌道運載能力更是使其一時風頭無兩,完全蓋掉了重型獵鷹的勢頭。


同樣的,SpaceX 的老對頭藍色起源(Blue Origin)的最新佳作新格倫(New Glenn)巨型火箭也采用了同樣的單芯構型,其在佛羅里達州的卡納維拉爾角的火箭工廠已經開始投入運行,無疑將給馬斯克稱霸太空的夢想增添一份壓力。