這幾天美國媒體的視線聚集在肯尼迪航天中心的39A發(fā)射工位上，矗立在這里的SpaceX的“重型獵鷹”超級(jí)重型運(yùn)載火箭把首飛的零時(shí)定在了美國東部時(shí)間2月6號(hào)1:30PM?？夏岬现行牡?9A發(fā)射工位是個(gè)有著許多故事的地方，阿波羅計(jì)劃載人登月的所有土星五號(hào)全部在這里發(fā)射升空，這里曾是美國夢升起的地方。SpaceX選擇這里作為他的“重型獵鷹”的處女航意味深遠(yuǎn)。
“火箭無法進(jìn)入軌道的可能性很大，我希望它能夠遠(yuǎn)離發(fā)射臺(tái)，不會(huì)造成發(fā)射臺(tái)損壞，說實(shí)話，我甚至認(rèn)為只要能如此也是一場勝利?！盨paceX的CEO馬斯克的這個(gè)表白不只是偉大的謙虛，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(gè)大問號(hào)。
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(jí)作為助推器。所以重型獵鷹的第一級(jí)就有3x9=27枚“梅林-1D”液氧煤油引擎，在起飛階段，將有多達(dá)27枚“梅林-1D”引擎同時(shí)工作。這種構(gòu)型使得重型獵鷹成為自蘇聯(lián)時(shí)代N1超級(jí)火箭以來，起飛級(jí)引擎總數(shù)最多的一款火箭。蘇聯(lián)超級(jí)火箭N1正是受30臺(tái)引擎的拖累而連連失敗，最后葬送了蘇聯(lián)的登月計(jì)劃。
“前車之覆，后車之鑒?！碧K聯(lián)N1血的教訓(xùn)SpaceX不會(huì)不知道，只是實(shí)在也沒有什么其它辦法，“沒有金剛鉆，硬攬瓷器活?！盨paceX造不出大推力火箭引擎，手里只有推力100噸都不足的“梅林-1D”引擎。為提高總推力只能捆綁27枚“梅林-1D”引擎來湊數(shù)。
梱綁大量低推力引擎實(shí)乃火箭工程中的下下策，其負(fù)面因素是多方面的有些甚至是致命的。捆綁不成夫妻，同樣道理?xiàng)y綁大量引擎打造不出大推力重型火箭，這個(gè)道理實(shí)際上是很容易理解的，否則你我都可以買成千上萬只“串天”捆綁起來去月球轉(zhuǎn)一圈了，這天下能有如此好事嗎？
梱綁大量引擎會(huì)使火箭效率降低。因?yàn)槊恐灰娑加性S多的另部件，捆綁許多的引擎必然是大量另部件的重復(fù)堆砌，火箭自重必然增加從而導(dǎo)致推重比下降，降低了火箭的工作效率。
另外，并聯(lián)工作的引擎數(shù)量越多，引擎發(fā)生故障的概率就越大，運(yùn)載火箭飛行中，一旦出現(xiàn)單臺(tái)或者多臺(tái)引擎故障，就會(huì)面臨推力不足或推力不平衡等問題，有可能導(dǎo)致任務(wù)失敗。吸取蘇聯(lián)N1火箭的教訓(xùn)，航天界有一個(gè)不成文的規(guī)則：火箭第一級(jí)加助推級(jí)的引擎總數(shù)不能太多，最好不超過10臺(tái)。以中國長征系列火箭為例，長征2E/F、長征3B都是8臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，而長征5號(hào)則是10臺(tái)，逼近安全上限了。事實(shí)上，目前世界各國研制的各型火箭大致都遵守這個(gè)潛規(guī)則，只有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(yùn)載市場有著難得的好機(jī)遇。自七十年代阿波羅計(jì)劃煙消云散后，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(jí)重型運(yùn)載火箭。進(jìn)入二十一世紀(jì)后，眼看中國的航天事業(yè)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(fēng)。問題是政客們可以在網(wǎng)頁上用PPT登月，NASA沒有超級(jí)重型火箭怎樣實(shí)施登月。于是馬斯克看到了機(jī)會(huì)。
2011年，這位SpaceX首席執(zhí)行官馬斯克首次在華盛頓特區(qū)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(jí)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(shí)間表，重型獵鷹將于2012年底之前將抵達(dá)SpaceX西海岸發(fā)射地點(diǎn)——加利福尼亞州范登堡空軍基地。首次發(fā)射將于2013年進(jìn)行，而卡納維拉爾角的首次發(fā)射將于2013年底或2014年進(jìn)行。但到2015年中，由于獵鷹9試飛失敗而導(dǎo)致重型獵鷹首次發(fā)射推遲到2016年底。設(shè)計(jì)一改再改，計(jì)劃一延再延，馬斯克他們是踢到了鐵板，中間的辛酸也只有他們心知肚明。
“事后方知重型獵鷹（的制造）比我們想象的要難得多...其中的難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們原先的設(shè)想，我們實(shí)在過于幼稚了?！边@是馬斯克的原話。說實(shí)話，要重起爐灶設(shè)計(jì)制造一枚新的超重型火箭本非易事，而要在去工業(yè)化的今日美國實(shí)施此計(jì)劃更是難上加難。理想很豐滿，但現(xiàn)實(shí)很殘酷。
重型獵鷹制造計(jì)劃一波三折、幾經(jīng)磨難，今天終于走上了發(fā)射臺(tái)整裝待發(fā)，應(yīng)該說也還是非常不容易。但是仔細(xì)分析一下這枚所謂的超重型火箭的各項(xiàng)性能指標(biāo)，不得不讓人扼腕嘆息。
讓我們先從時(shí)間軸上作個(gè)前后對比，表一顯示了重型獵鷹與五十年前土星五號(hào)的主要性能指標(biāo)。數(shù)字顯示土星五號(hào)身強(qiáng)力壯，力壓重型獵鷹，土星的第一級(jí)只用了5只引擎發(fā)出的總推力超過后者27只引擎近5倍！土星五號(hào)的運(yùn)載能力是重型獵鷹的3倍。僅從性能來看，土星五號(hào)完勝重型獵鷹，事實(shí)上兩者幾乎就沒有可比性。
表一
再讓我們在空間軸上作個(gè)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(biāo)。從這張表上，不管是左看右看，無論哪里也看不出這枚捆綁有27只引擎的重型獵鷹有什么過人的優(yōu)勢，這真的不像是一枚超級(jí)重型火箭。重型獵鷹真的難以擔(dān)起登上月球飛向火星的重任，單看它三米多點(diǎn)的直徑，實(shí)際上已經(jīng)被判出局?，F(xiàn)代太空任務(wù)的載人飛船和太空望遠(yuǎn)鏡都是又重又大，三米多直徑作為重型火箭都不合格，“超級(jí)重型”的影子都沒有。
表二
正如馬斯克自己所說：“火箭引擎是目前SpaceX所面臨的最大短板?！边\(yùn)載火箭與飛機(jī)汽車一樣，引擎是它的核心技術(shù)。為了把更重的載荷送到更高更遠(yuǎn)的地方，火箭不僅需要最好的引擎，而且一枚多級(jí)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(jí)都用大推力但效率略差的液氧煤油引擎，而最后一級(jí)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(jià)格之間求得最優(yōu)化。而馬斯克手中只有一款液氧煤油引擎—梅林1D，而它的真空狀態(tài)改型則用來作火箭的第二級(jí)，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。
表三
表三數(shù)據(jù)顯示，SpaceX的梅林-1D引擎推力不足，比沖低下，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(shù)，缺乏技術(shù)積累。梅林-1D釆用燃?xì)獍l(fā)生器而不是中國、俄羅斯的高壓補(bǔ)燃循環(huán)引擎，燃燒室壓力太低，必然導(dǎo)致推力不足和效率低下?；诿妨?1D引擎的數(shù)據(jù)，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(huì)使用推進(jìn)劑交叉輸送技術(shù)（Cross-Feeding）的因素作了預(yù)估。從目前可靠的綜合性能分析，中國的長征五號(hào)要優(yōu)于重型獵鷹。
尺有所短、寸有所長，當(dāng)然SpaceX的火箭技術(shù)也有其獨(dú)特的優(yōu)勢。主要優(yōu)點(diǎn)可歸納為以下幾點(diǎn)：
1）火箭在結(jié)構(gòu)上有創(chuàng)新，又大量使用新型輕質(zhì)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(xiàn)。
2）SpaceX只有一種型號(hào)的引擎，研制開發(fā)的資源可以集中，也便于大規(guī)模量產(chǎn)提高生產(chǎn)效率，后期的使用維護(hù)成本也可大幅降低。SpaceX一年可以生產(chǎn)400臺(tái)梅林引擎。在這一點(diǎn)上，應(yīng)該為其點(diǎn)贊。
3）SpaceX具有火箭第一級(jí)的發(fā)射回收技術(shù)，再加上引擎大規(guī)模量產(chǎn)，大大降低了運(yùn)箭火箭的生產(chǎn)和發(fā)射成本。
省錢一直是馬斯克的主要賣點(diǎn)。馬斯克首先是個(gè)商人，商人在商言商，省錢對于嚴(yán)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(jì)劃中的每次發(fā)射開支是12.3億美元，其中7.1億美元是火箭的生產(chǎn)成本（己折合成2016年美元的價(jià)格），而重型獵鷹把2.2噸載荷送入同步軌道的價(jià)格只要9千萬美元。
我一直對SpaceX的這種宣傳深感困惑。當(dāng)初土星五號(hào)花費(fèi)12億美元可把50多噸的載荷送入同步軌道，假設(shè)發(fā)射開支與載荷重量成正比，那么重型獵鷹執(zhí)行土星五號(hào)相同任務(wù)的開支至少要20億美元。實(shí)施航天任務(wù)又不是買大白菜，多買有折扣，實(shí)際上價(jià)格與任務(wù)的難度遠(yuǎn)不是正比關(guān)系，常常是非線性增長的。只要想一想買平板電視的經(jīng)驗(yàn)，隨著顯示屏尺寸的增加電視機(jī)價(jià)格是加速增長的。
“省錢”其實(shí)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(fā)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(dǎo)致回收的重型獵鷹只能把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(wù)主要是載人登月和去火星，載荷的價(jià)值遠(yuǎn)超運(yùn)載火箭的成本。例如，美國新一代太空望遠(yuǎn)鏡詹姆斯·韋伯（JWST）就要依靠重型運(yùn)載火箭送上太空，該太空望遠(yuǎn)鏡價(jià)值80億美元，該項(xiàng)目會(huì)在乎在運(yùn)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(jí)重型火箭，在這個(gè)舞臺(tái)上我估計(jì)馬斯克是沒戲可唱的。
“山中無老虎，猴子稱霸王 ?！边@是今天馬斯克和他的重型獵鷹還站在舞臺(tái)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(lián)這樣強(qiáng)勁的競爭對手。從大歷史角度看，在前蘇聯(lián)的崩潰中倒下的巨人實(shí)際上是兩個(gè)，只是一前一后而已，至少在航天界事實(shí)就是如此。冷戰(zhàn)之后，美國的航天事業(yè)再難續(xù)其過去的輝煌，因?yàn)椋骸白鲂∩庑枰笥?，成大事業(yè)要有敵人。”這大概也是美國在全世界到處找敵人的一個(gè)原因吧。
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