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首飞成功!SpaceX “重型猎鹰"登顶世界运力最强运载火箭,马斯克卧薪七年终于再次改写历史

DeepTech深科技

美国时间2月6日下午,几番推迟之后,在逾十万现场观众的注视下,佛罗里达肯尼迪航天中心 LC-39A 发射工位,这个曾经承载了“土星 5 号”火箭登月和“哥伦比亚”号航天飞机首飞的发射位再次为自己的光荣传统添上了传奇的一笔——人类现役运力最强的火箭重型猎鹰(Falcon Heavy)成功在这里完成了首飞并完成一级火箭回收!那家叫做 SpaceX 的公司和那个名为马斯克的男人再次成为万众瞩目的焦点。 

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图丨发射现场

图丨特斯拉跑车镜头

图丨助推器回收成功

这既是一次火箭发射任务,也可以说是马斯克自导自演的一次“太空级”的大 Show。在火箭发射的前一天,马斯克的 Twitter 就开始不断“刷屏”。先是推出一支最新的重型猎鹰概念片,配以 David Bowie 的《Life on Mars?》可以说是十分应景。

重型猎鹰全新概念片

随后,老马又大打情怀牌,随手贴出了几张颇具年代感的太空海报,随图配文更是简单直接——“Mars Awaits”。

在发射现场接受媒体采访时也是派头十足,妥妥的一副好莱坞明星的架势。

图丨马斯克现场接受采访

一向严肃脸示人的美国联邦航空管理局(FAA)也借这次发射刷了一波存在感!

图丨FAA 发给 SpaceX 的发射许可

甚至是马斯克的老对手、亚马逊和蓝色起源公司的创始人贝索斯也发来了一轮“助攻”!

图丨贝索斯的祝福推文被马斯克“深情”回复

而正如马斯克此前频频允诺的一样,这次的重型猎鹰发射所搭载的正是他本人的一辆樱桃红色特斯拉 Roadster 跑车。不仅如此,一个身着 SpaceX 公司已经公布的宇航服的“驾驶员”假人“Starman”(同样是Bowie的一首歌)以非常酷炫的方式坐在驾驶位。更为神奇的是,在特斯拉跑车的仪表板上还藏着一个跑车的微缩模型,同样有一个宇航员小人坐在里面,车上还带有一套微缩版本的阿西莫夫《基地》三部曲。不得不说马斯克真是“彩蛋”多多,硬是要一次发射为其旗下的两家公司打了免费广告。

图丨本次载荷——特斯拉 Roadster 跑车

根据 SpaceX 公司介绍,这辆车会被送入地球—火星转移轨道,同时,车子会不间断的播放 David Bowie 的成名作《太空怪咖》(Space Oddity),届时,跑车上装有的 3 台摄像头应该会拍车里的假人所看到的宇宙视角。马斯克说,“一切顺利的话,它们应该会提供非常棒的画面。”如果不出意外,按照马斯克本人的原话,“这辆车会在宇宙中飞行超过 10 亿年。”试想一下,动人的音乐搭配深邃的星空,一幅难得的华章美景。

但回到这次发射本身,之所以外界对这枚火箭期待已久,除了闪耀着光环的“SpaceX”和其创始人“马斯克”之外,重型猎鹰火箭自身的超强性能和绝佳的性价比也一举打破了多项世界纪录,使其成为目前人类现役的火箭中运载能力最强的一款。 

  • 近地轨道运载能力(LEO):63.8 吨——相当于一架满载乘客的波音 737 客机,比目前纪录保持者德尔塔 IV 重型火箭的 28.8 吨足足提高了两倍还多;

  • 地球同步轨道运载能力(GTO):26.7 吨——相当于二战时英军一辆“玛蒂尔达”II 型坦克;

  • 火星轨道的运载能力:16.8 吨——相当于一台 LAV3 装甲车。  

重型猎鹰火箭高 70 米,宽 12.2 米,起飞重量 1420 吨,起飞时 27 台梅林 1D 发动机同时工作,可以提供高达 2280 多吨的起飞推力。这种运载能力也只有专用登月的土星 5 号和前苏联的航天飞机“御驾”能源号火箭可以俯视。 

而除了大推力之外,最值得关注的一点就是重型猎鹰的可重复使用能力,此次发射的三枚一级箭体全部实现回收,而其中两枚助推火箭还是此前用过的“二手货”,由此也可见 SpaceX 的回收技术已经十分成熟。

除此之外,例如重型猎鹰火箭的助推器分离和一二级分离均采用的无损式“冷分离”模式(主要为冷氮喷射或机械式推杆)也是一大亮点,其相较于更为传统的爆炸式“热分离”无疑会更具优势,目前,SpaceX 所进行的数十次冷分离操作无一失败,证明足以被其他人借鉴应用。

图丨重型猎鹰助推器分离

不过,虽然这次重型猎鹰成功完成了首飞,但殊不知马斯克和整个 SpaceX 团队已经在这背后默默耕耘了数年之久,可以说,每一次亮眼的表现都是由无数人的智慧和汗水换来的。

“猎鹰”问世

有关于重型猎鹰诞生的故事还要追溯 7 年前。2011 年 4 月份,那时只有三十几岁的马斯克还没有成为“钢铁侠”,SpaceX 和特斯拉也远没有形成如今这样的誉满天下的影响力。但也正是在这样的背景之下,马斯克却通过寥寥几位记者向世界宣告了“他想要造出重型猎鹰火箭”的疯狂想法。  

图丨 2011 年 4 月 5 日,马斯克在美国全国新闻俱乐部上首次宣布了重型猎鹰火箭的计划

之所以“疯狂”,是因为在当时那个时间点,美国的航天业似乎已经陷入了前途未卜的困顿之中,仅仅几个月之后,美国人引以为傲的航天飞机就迎来了最后一飞,之后便彻底终结了历史使命,这意味着曾经的航天霸主已经在兜兜转转之中变得没有了将人送入太空的能力。而 NASA 除了要被迫接受来自俄罗斯的强势态度之外,国内的联合发射联盟(ULA)也是将垄断做到了极致,不断攀升的发射要价使得美国政府有苦难说。 

内外交困之中,马斯克带来了希望,他大胆承诺,重型猎鹰的运载能力将达到航天飞机和德尔塔 IV 重型火箭的两倍以上,只需要发射一次就可以将宇航员送上月球甚至火星。同时,在记者们的追问之下,他还大胆给出了重型猎鹰火箭的首飞时间:2012 年底。不过,就像马斯克本人当时所说的一样,“发射这件事本身就很难预测”,几经拖延之后,直到今天他才兑现了当时的诺言。 

2011年,马斯克在重型猎鹰火箭新闻发布会

自然,在科研人员眼里,在符合技术发展规律的要求之下,进度拖延可能并算不上什么致命的问题,但在商战江湖上的竞争对手看来,任何的一点瑕疵都可以被用来大做一番文章。

从项目提出,重型猎鹰就不断遭到以 ULA 为代表的同行的冷嘲热讽,除了反复推迟之外,最大的一个梗就是 27 台梅林 1D 发动机(Merlin-1D)的捆绑式设计了。这很容易让外界联想到当年苏联 N-1 登月火箭的 30 台 NK-15 发动机的壮观景象,可时运不济,从 1969 年到 1972 年,“怪兽”N-1 四射四败,苏联的登月计划也因此而草草收场。

图丨苏联 N-1 火箭

多年过去,红色帝国早已解体,但太空竞赛中的胜出者美国却似乎并没有能继续引领全球范围内航天领域的创新,反而是体制愈加保守,整个行业如同一潭沉寂死水。就以 NASA 和美国军方的航天项目为例,在没有议价能力的情况之下,政府只能乖乖的掏出真金白银,交由波音、洛克希德·马丁等大型军工企业进行设计、开发、测试,直到马斯克的出现才开始逐渐打破这一日渐陈旧的局面。

大约十年之前,SpaceX 公司首款产品“猎鹰 1 号”火箭在历经了 3 次失败之后终于发射成功,并成功将载荷送入预定轨道,要知道,历史上可从来没有一家私人公司能够做到这一点。旗开得胜之后,SpaceX 又推出了拳头产品“猎鹰 9 号”火箭,于是,来自 NASA 的空间站货运补给大单纷至沓来。

图丨SpaceX “功臣”——猎鹰 9 号

在最近的 2017 年,SpaceX 总共完成了 18 次的发射,约占全球发射总量的五分之一,比肩中国全年的发射总数。一鼓作气之下,酝酿已久的重型猎鹰趁此登上了舞台。

前景迷局

随着重型猎鹰火箭首飞成功,一个非常直接的问题也被抛了出来,重型猎鹰火箭的市场在哪里?换句话说,在已有的猎鹰 9 号面前,重型猎鹰会不会稍显多余? 

当马斯克在 2011 年首次公布重型猎鹰计划时,猎鹰 9 号才仅仅飞行过两次,最初版本的运载能力也仅有 10.5 吨,随着梅林发动机的升级,两年之后的猎鹰 9 号 1.1 版的近地轨道运载能力才得以提升到 13.2 吨。

在那之后,猎鹰 9 号不断进行迭代,发动机升级、箭体材料优化、使用密度更高的燃料以增大载重。等到 2015 年 12 月,猎鹰 9 号成功实现首次回收时,其最大近地轨道运载能力已经达到了接近 23 吨。而即将在今年年底亮相的“ Block 5 ”最终版猎鹰 9 号火箭的运载能力仍将在此基础上提升至少 10%。

图丨猎鹰 9 号一级被成功回收

这也就意味着,从 2011 年到2018 年的七年间,猎鹰 9 号火箭的运载能力已经几乎翻倍,在此期间 SpaceX 承接的很多重要发射任务也都是由这款明星火箭所完成,可以说,猎鹰 9 号完全有能力揽下当下绝大部分的发射任务。 

那么,在这种情况之下,重型猎鹰看起来似乎显得有些“生不逢时”,而依据目前已经签订的订单来看,重型猎鹰火箭的目标市场也是依旧不太明朗。

目前,今年已知的重型猎鹰的发射计划只有两个,分别是沙特阿拉伯一枚重达 6 吨的 Arabsat 6A 卫星,以及美国空军将利用重型猎鹰火箭执行的空间测试计划-2(Space Test Program-2,STP-2)任务,该任务最吸引人的一点是它会搭载一个由知名非盈利太空探索组织 The Planetary Society 所研制的 LightSail 2 航天器,目标就在于测试太阳帆的可用性。

图丨LightSail 2 航天器

按照以前的猜测,重型猎鹰很有可能会被用于卫星星座的组网发射。因为在未来几年,包括 SpaceX、OneWeb 和 Planet 在内很多公司都有在近地轨道建造用于通信、测绘的卫星群的计划,每个方案动辄就是成百上千颗卫星。 

不过在目前看来,这一市场未必适合重型猎鹰,随着诸如国外 Rocket Lab 和国内零壹空间等小型火箭公司的崛起,以及印度、俄罗斯等国家采用“一箭多星”的发射方式,这部分需求将会得到较大程度的满足。前白宫—NASA 联络专员 Greg Autry 就直截了当地评价道,“重型猎鹰在这个市场排不上号。” 

除了为企业进行商业发射,另一个存在可能性的市场就是为美国军方执行发射任务。早在 2015 年,美国空军就开始与 SpaceX 公司探讨用猎鹰火箭为军方发射间谍卫星和绝密空间飞行器的可能性。而至今为止,SpaceX 已经为军方完成了 3 次发射,包括 2017 年 5 月 1 日 NROL-76 军事卫星、2017 年 9 月 7 日的 X-37B 飞行器以及今年年初的神秘卫星“ZUMA”,接下来,SpaceX 公司还将参与到新一代 GPS 卫星的发射之中。

与前面所论述的微小卫星不同,这些政府卫星每个都价值不菲,成本往往都在上亿美元,而且重量往往也以吨计。根据统计,美国的军用航天发射市场在未来的 10 几年内达到 500 亿美元以上,如果重型猎鹰火箭可以投入使用的话,那么凭借着其 9000 万美元的单次发射费用,完全有可能从 ULA 手中分得一杯羹。(ULA 性价比最高的宇宙神 V 的军用发射报价通常在 1.5 亿美元以上,德尔塔 IV 更是超过 4 亿美元。)

另外一个不能被忽视的市场就是 NASA 的科学研究发射项目。以往,这部分市场依旧是被宇宙神 V 和德尔塔 IV 所垄断,即便 NASA 自研的太空发射系统(SLS)的运载能力将会远超它们,但这型堪比土星 5 号的巨兽并不便宜,成本估计会超过重型猎鹰 10 倍,而且首飞日期一拖再拖,近几年内还暂时看不到投入应用的可能,这样看来,在性价比绝佳的重型猎鹰的助力下,胜利的天平开始向马斯克倾斜。 

图丨科研项目不失为重型猎鹰的一块市场

“我认为马斯克用重型猎鹰火箭向太空发射重量较高的载荷就是一种展示,向 NASA 和其它的科研机构证明自己有能力向太阳系内的任何一颗星球发射探测仪器。”Greg Autry 这样说到。

对此,The Planetary Society 太空政策主任 Casey Dreier 也标表示了赞同,“目前,NASA 进行太阳系内科学探索的项目往往超过数十亿美元,这些任务规模庞大、流程复杂且数量稀少,很多科学家在其职业生涯中只能经历一次这样的科学任务,这样所带来的后果就是科学数据不易收集,科研工作进展缓慢。而要想改变现状,可行的办法就是依靠廉价的运载火箭发射更多的低成本探测器。”

“如果重型猎鹰这样的火箭可以执行批量化的发射任务的话,那么 NASA 对其它的行星进行探索的庞大任务将有可能会被分割为数个小任务同时进行,那整个计划的周转周期将会得到极大地压缩,现在十几年甚至数十年的任务可能在几年之内就得以完成。”Dreier 评论到。

图丨The Planetary Society 太空政策主任 Casey Dreier

看得更远一点的话,人类进入太空的能力在被完全满足的情况下,未来探测器也完全可以实现批量化的生产,再辅以核能等动力来源,人类完全可以做到向更广的宇宙空间发射探测设备,这样一来,我们对星系的认知和了解将会成倍地增加。而重型猎鹰将为这一愿景首开先河。 

返月利器 

重型猎鹰火箭的推出可谓是赶上了一个绝佳的历史时机。在去年,特朗普政府已经批准重组了美国国家太空委员会,重返月球也被提上了日程。在土星 5 号退役已久、SLS 尚未入役的青黄不接时期,重型猎鹰无疑是执行这一任务的“最佳人选”。

图丨特朗普政府批准重组美国国家太空委员会

而马斯克也早在 2011 年就很有先见之明地提到了登月的项目,“理论上讲,你只需要两发重型猎鹰火箭就能实现登月——一枚将宇航员送上月球,另一枚运送返回载具。这样日积月累一段时间之后,我们完全有能力建立起一个理想中的月球基地。” 

一些独立的研究表明,如果 NASA 想要打造一个廉价可行的“月球计划”,那么以 SpaceX 为代表的私人火箭将会是不二首选。 

在业内看来,重型猎鹰火箭的一个值得称道之处就在于其低廉的价格。当马斯克在 2011 年召开新闻发布会时,他曾坚定地表示 SpaceX 的发射报价是独一无二的,任何竞争对手都难以企及。那时,他便立下军令状,“猎鹰 9 号的发射报价只有 5000 万美元,重型猎鹰也不会超过 1 亿美元,除了通货膨胀的影响因素之外,我们不会涨价。”最后他还补充一句,“就让历史来作证,我说到做到。”

图丨2011年,马斯克向记者发布重型猎鹰火箭

如今,七年过去了,马斯克基本兑现了他的承诺。从 2011 年到现在,结合通货膨胀因素之后,猎鹰 9 号的发射报价应该调整为 5500 万美元,和当前 6200 万美元的价格相差无多,但考虑到最新版猎鹰 9 号的发射能力是最初版的一倍还多,单位载荷报价倒是不降反升。而再来看重型猎鹰,如今 9000 万美元的报价低于预期的 1 亿美元。 

对此,XCOR、Agile Aero 公司的创始人 Jeff Greason 评价到,“SpaceX 价格透明的做法为业界做出了持久而重大的贡献,这也是其杰出的地方之一。事实上,人们总会不由自主地忽视掉定价的重要性,没有了价格的决定因素,市场将会混乱,任何一件商品的价值都将会在‘一文不值’和‘无价之宝’之间游走。”

图丨XCOR、Agile Aero 公司的创始人 Jeff Greason

其实,NASA 自身也早已认识到了物美价廉这一点,他们从很久之前就开始关注重型猎鹰的研发进展,希望有朝一日可以达成合作。但即便如此,国会还是每年将 20 亿美元的巨额资金投入到遥遥无期的 SLS 项目之中,个中原因不难理解,除了对私人公司的不信任外,最主要的就是 SLS 上百亿美元的项目将会为 NASA 和相关承包商带来大量的工作机会和资金。相信这次重型猎鹰首飞成功之后,一切将会出现转机。

未来奠基石

或许是因为研发和准备的时间过长,重型猎鹰已经错过了成为主力运载火箭的最佳时机。对此,国防部专家 Harrison 就认为,“我们在猜测 SpaceX 已经开始对重型猎鹰项目有些后悔,他们曾经设想通过三枚猎鹰 9 号并联的方式来打造一枚重型火箭,但现在看来,这种方案似乎不太行得通。”

而之所以 SpaceX 选择了这种看似“捷径”的方案,主要是因为其公司总部位于美国西岸的洛杉矶,火箭的设计、生产也都是在这里完成,最终只能通过高速公路运送到几千公里之外的佛州发射位,这一流程自然而然地就限制了每枚火箭的芯级尺寸。

图丨重型猎鹰整流罩运输

重型猎鹰这种解决方案看起来只能算是权宜之计,但却并非是最佳出路。和其结构类似的德尔塔 IV 重型火箭就因为同样的原因导致的高成本而逐渐被 ULA 所舍弃。这样看来,重型猎鹰也是前途堪忧。 

更为重要的是,在连续两届的国际宇航大会(IAC)上,马斯克先后两次公布了不断迭代的 BFR 超级火箭(旧称 ITS),和猎鹰 9 号一样,BFR 也采用了单芯的简单结构设计,而超百吨的近地轨道运载能力更是使其一时风头无两,完全盖掉了重型猎鹰的势头。 

图丨BFR 超级火箭

同样的,SpaceX 的老对头蓝色起源(Blue Origin)的最新佳作新格伦(New Glenn)巨型火箭也采用了同样的单芯构型,其在佛罗里达州的卡纳维拉尔角的火箭工厂已经开始投入运行,无疑将给马斯克称霸太空的梦想增添一份压力。

图丨新格伦火箭

所以,不管从哪个角度来讲,重型猎鹰都不会成为一款服役长达几十年的元老火箭,甚至是其最为人称道的运载能力也会因为后续的新格伦、SLS 等火箭的陆续服役而黯然失色。但对于即将到来的商业航天和大规模宇宙探索和太空开发来讲,重型猎鹰可以说是树立了一个榜样,从这个角度来讲,它依然开创了一个新的时代。

来源:DeepTech深科技

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