“重型獵鷹”火箭難舉美國航天夢

“重型獵鷹”火箭難舉美國航天夢

這幾天美國媒體的視線聚集在肯尼迪航天中心的39A發射工位上，矗立在這裏的SpaceX的“重型獵鷹”超級重型運載火箭把首飛的零時定在了美國東部時間2月6號1:30PM。肯尼迪中心的39A發射工位是個有著許多故事的地方，阿波羅計劃載人登月的所有土星五號全部在這裏發射升空，這裏曾是美國夢升起的地方。SpaceX選擇這裏作為他的“重型獵鷹”的處女航意味深遠。

“火箭無法進入軌道的可能性很大，我希望它能夠遠離發射台，不會造成發射台損壞，說實話，我甚至認為隻要能如此也是一場勝利。”SpaceX的CEO馬斯克的這個表白不隻是偉大的謙虛，更可能是深深的無奈。重型獵鷹能否重振美國航天的榮光還真是一個大問號。

重型獵鷹說白了就是三支獵鷹9捆綁在一起。它的核心是一枚獵鷹9，另外再把兩架獵鷹9的第一級作為助推器。所以重型獵鷹的第一級就有3x9=27枚“梅林-1D”液氧煤油引擎，在起飛階段，將有多達27枚“梅林-1D”引擎同時工作。這種構型使得重型獵鷹成為自蘇聯時代N1超級火箭以來，起飛級引擎總數最多的一款火箭。蘇聯超級火箭N1正是受30台引擎的拖累而連連失敗，最後葬送了蘇聯的登月計劃。

“前車之覆，後車之鑒。”蘇聯N1血的教訓SpaceX不會不知道，隻是實在也沒有什麽其它辦法，“沒有金剛鑽，硬攬瓷器活。”SpaceX造不出大推力火箭引擎，手裏隻有推力100噸都不足的“梅林-1D”引擎。為提高總推力隻能捆綁27枚“梅林-1D”引擎來湊數。

梱綁大量低推力引擎實乃火箭工程中的下下策，其負麵因素是多方麵的有些甚至是致命的。捆綁不成夫妻，同樣道理梱綁大量引擎打造不出大推力重型火箭，這個道理實際上是很容易理解的，否則你我都可以買成千上萬隻“串天”捆綁起來去月球轉一圈了，這天下能有如此好事嗎？

梱綁大量引擎會使火箭效率降低。因為每隻引擎都有許多的另部件，捆綁許多的引擎必然是大量另部件的重複堆砌，火箭自重必然增加從而導致推重比下降，降低了火箭的工作效率。

另外，並聯工作的引擎數量越多，引擎發生故障的概率就越大，運載火箭飛行中，一旦出現單台或者多台引擎故障，就會麵臨推力不足或推力不平衡等問題，有可能導致任務失敗。吸取蘇聯N1火箭的教訓，航天界有一個不成文的規則：火箭第一級加助推級的引擎總數不能太多，最好不超過10台。以中國長征係列火箭為例，長征2E/F、長征3B都是8台發動機，而長征5號則是10台，逼近安全上限了。事實上，目前世界各國研製的各型火箭大致都遵守這個潛規則，隻有SpaceX的重型獵鷹火箭反其道而行之。

與其說馬斯克有造反精神，還不如說他作為資本家對市場利益有著比狗還要敏銳的嗅覺。馬斯克感覺到了美國重型運載市場有著難得的好機遇。自七十年代阿波羅計劃煙消雲散後，美國航天界是刀槍入庫、馬放南山，幾十年中就沒有一枚像樣的超級重型運載火箭。進入二十一世紀後，眼看中國的航天事業天天向上，邁向月球的腳步聲越來越清晰有力。受到中國的刺激，美國決定要征服火星或重登月球，重顯世界老大的威風。問題是政客們可以在網頁上用PPT登月，NASA沒有超級重型火箭怎樣實施登月。於是馬斯克看到了機會。

2011年，這位SpaceX首席執行官馬斯克首次在華盛頓特區的國家新聞俱樂部鄭重宣布：他們的重型獵鷹能提供更多有效載荷和更高逃逸速度，這是一枚土星V型退役以來世界上從未有過的超級重型火箭。有道是"世無英雄,遂使豎子成名。”

按2011年提出的最初時間表，重型獵鷹將於2012年底之前將抵達SpaceX西海岸發射地點——加利福尼亞州範登堡空軍基地。首次發射將於2013年進行，而卡納維拉爾角的首次發射將於2013年底或2014年進行。但到2015年中，由於獵鷹9試飛失敗而導致重型獵鷹首次發射推遲到2016年底。設計一改再改，計劃一延再延，馬斯克他們是踢到了鐵板，中間的辛酸也隻有他們心知肚明。

“事後方知重型獵鷹（的製造）比我們想象的要難得多...其中的難度遠遠超出我們原先的設想，我們實在過於幼稚了。”這是馬斯克的原話。說實話，要重起爐灶設計製造一枚新的超重型火箭本非易事，而要在去工業化的今日美國實施此計劃更是難上加難。理想很豐滿，但現實很殘酷。

重型獵鷹製造計劃一波三折、幾經磨難，今天終於走上了發射台整裝待發，應該說也還是非常不容易。但是仔細分析一下這枚所謂的超重型火箭的各項性能指標，不得不讓人扼腕歎息。

讓我們先從時間軸上作個前後對比，表一顯示了重型獵鷹與五十年前土星五號的主要性能指標。數字顯示土星五號身強力壯，力壓重型獵鷹，土星的第一級隻用了5隻引擎發出的總推力超過後者27隻引擎近5倍！土星五號的運載能力是重型獵鷹的3倍。僅從性能來看，土星五號完勝重型獵鷹，事實上兩者幾乎就沒有可比性。

 

火箭型號	自重M(噸)	LEO(噸)	TLI(噸)	直徑(米)	火箭級數	第一級引擎數	第一級推力(KN)
重型獵鷹	1420	63.8	16	3.66	2+	27	7607
土星五號	2970	140	48.6	10.1	3	5	34020

再讓我們在空間軸上作個左右對比，表二顯示了重型獵鷹與各國重型火箭的主要性能指標。從這張表上，不管是左看右看，無論哪裏也看不出這枚捆綁有27隻引擎的重型獵鷹有什麽過人的優勢，這真的不像是一枚超級重型火箭。重型獵鷹真的難以擔起登上月球飛向火星的重任，單看它三米多點的直徑，實際上已經被判出局。現代太空任務的載人飛船和太空望遠鏡都是又重又大，三米多直徑作為重型火箭都不合格，“超級重型”的影子都沒有。

國家	火箭型號	自重M(噸)	LEO(噸)	LTO(噸)	LTO/M比率	直徑(米)
美國	德爾塔4H	732	28.8	14.2	0.019	5.1
中國	長征5	869	25	14	0.016	5.0
美國	重型獵鷹	1420	63.8	26.7	0.018	3.66
俄國	質子M	705	23	6.15	0.008	4.1
歐洲	阿麗亞娜ECA	780	20	10.7	0.013	5.4
日本	H2B	531	19	8	0.015	5.1

正如馬斯克自己所說：“火箭引擎是目前SpaceX所麵臨的最大短板。”運載火箭與飛機汽車一樣，引擎是它的核心技術。為了把更重的載荷送到更高更遠的地方，火箭不僅需要最好的引擎，而且一枚多級火箭需要不同類型的引擎。通常中型以上的液體燃料火箭，它的初級都用大推力但效率略差的液氧煤油引擎，而最後一級都釆用效率高的液氫液氧引擎。這樣的高低搭配可以在火箭的性能和價格之間求得最優化。而馬斯克手中隻有一款液氧煤油引擎—梅林1D，而它的真空狀態改型則用來作火箭的第二級，兩者性能都極其平庸。表三是目前各國拿得出手的火箭引擎性能比較。

 

國家	型號	推進劑	循環方式	地麵推力(KN)	真空推力(KN)	地麵比衝(m/s)	室壓(MPa)
中國	YF100	液氧煤油	分級燃燒	1224	1339	2942	18
俄國	RD-180	液氧煤油	分級燃燒	3800	4200	3051	25.6
美國	梅林1D	液氧煤油	燃氣發生器	845	914	2770	9.7
歐洲	P241	固體		7080		2550
中國	YF77	液氫液氧	燃氣發生器	510	670	3040	10.5
美國	RS-68	液氫液氧	燃氣發生器	2891	3314	3577	9.7
歐洲	Vulcai2	液氫液氧		960	1390	3038

表三數據顯示，SpaceX的梅林-1D引擎推力不足，比衝低下，在液氧煤油引擎排名單中是填底的。究其原因，主要是沒有核心技術，缺乏技術積累。梅林-1D釆用燃氣發生器而不是中國、俄羅斯的高壓補燃循環引擎，燃燒室壓力太低，必然導致推力不足和效率低下。基於梅林-1D引擎的數據，重型獵鷹火箭公布的載荷能力是值得懷疑的，唯一的解釋可能是把將來會使用推進劑交叉輸送技術（Cross-Feeding）的因素作了預估。從目前可靠的綜合性能分析，中國的長征五號要優於重型獵鷹。

尺有所短、寸有所長，當然SpaceX的火箭技術也有其獨特的優勢。主要優點可歸納為以下幾點：

1）火箭在結構上有創新，

又大量使用新型輕質材料，大大減少了火箭的自重。所以盡管引擎不太給力，重型獵鷹的最終送入軌道的載荷仍有不俗的表現。

2）SpaceX隻有一種型號的引擎，研製開發的資源可以集中，也便於大規模量產提高生產效率，後期的使用維護成本也可大幅降低。SpaceX一年可以生產400台梅林引擎。在這一點上，應該為其點讚。

3）SpaceX具有火箭第一級的發射回收技術，再加上引擎大規模量產，大大降低了運箭火箭的生產和發射成本。

省錢一直是馬斯克的主要賣點。馬斯克首先是個商人，商人在商言商，省錢對於嚴重缺錢的美國政府最有吸引力。宣傳資料是這樣說的：阿波羅計劃中的每次發射開支是12.3億美元，其中7.1億美元是火箭的生產成本（己折合成2016年美元的價格），而重型獵鷹把2.2噸載荷送入同步軌道的價格隻要9千萬美元。

我一直對SpaceX的這種宣傳深感困惑。當初土星五號化費12億美元可把50多噸的載荷送入同步軌道，假設發射開支與載荷重量成正比，那麽重型獵鷹執行土星五號相同任務的開支至少要20億美元。實施航天任務又不是買大白菜，多買有折扣，實際上價格與任務的難度遠不是正比關係，常常是非線性增長的。隻要想一想買平板電視的經驗，隨著顯示屏尺寸的增加電視機價格是加速增長的。

“省錢”其實是SpaceX玩弄的把戲。他省錢的途徑是靠火箭回收利用，他的引擎本來就不給力，為了回收發射過程中必須把部分燃料留作它用，這就大幅降低了火箭的最大載荷能力，導致回收的重型獵鷹隻能把2.2噸載荷送入同步軌道，這還是一枚超重型火箭嗎？連重型的資格都沒有。更重要的是在重型和超重型火箭市場中，任務主要是載人登月和去火星，載荷的價值遠超運載火箭的成本。例如，美國新一代太空望遠鏡詹姆斯·韋伯（JWST）就要依靠重型運載火箭送上太空，該太空望遠鏡價值80億美元，該項目會在乎在運載火箭上省幾千萬美元嗎？人家要的是一枚高性能高安全度的超級重型火箭，在這個舞台上我估計馬斯克是沒戲可唱的。

“山中無老虎，猴子稱霸王 。”這是今天馬斯克和他的重型獵鷹還站在舞台上的原因。美國航天界的老虎消聲匿跡的原因多種多樣，其中有一條十分重要，那就是失去了前蘇聯這樣強勁的競爭對手。從大曆史角度看，在前蘇聯的崩潰中倒下的巨人實際上是兩個，隻是一前一後而已，至少在航天界事實就是如此。冷戰之後，美國的航天事業再難續其過去的輝煌，因為：“做小生意需要朋友，成大事業要有敵人。”這大概也是美國在全世界到處找敵人的一個原因吧。