马斯克星船试验箭炸裂，人类离殖民火星还有多
时间：2019-11-26 来源：新闻网 人浏览 -
星船Mk1曾经耸立在美丽的夜空下，如今其舱壁已经爆裂，顶端被炸飞。图片来源：SpaceX公司官网
11月21日，太空探索技术公司（SpaceX）CEO埃隆·马斯克的“星际飞船”（Starship，以下简称星船）的第一枚完整尺寸试验箭MK1，在美国得克萨斯州进行地面压力测试时舱壁爆裂，顶端炸飞。
这是继可重复使用的重型运载火箭系统“大猎鹰火箭”（Big Falcon Rocket，2018年11月20日该火箭更名为“超重星船”）的原型试验箭——“星跳者”2019年8月试飞成功后的又一次试验。
依照SpaceX原计划，近几个月内，星船MK1要进行20千米高度的飞行测试。可这次的爆炸，在一定程度上影响了原有计划。
马斯克很早就表示，太空探索技术公司自成立以来的主要目标就是帮助人类成为多行星物种，殖民火星是他真正的目标。而他每一次的试验，都是人类实现殖民火星梦想的一次尝试。
爆炸会对其后续飞行试验产生影响
对于此次爆炸的原因，SpaceX官方发言人宣称是星船MK1在进行低温极限压力测试，而这种测试的目的是模拟最大压力。“这种结果不完全在意料之外，没有人受伤，也不是严重的挫折。”发言人说。
早在9月份，SpaceX曾表示，星船和助推器“超重”最早可能在2021年开始进行商业飞行。该运载系统将实现把人员和货物送入地球、月球、火星的轨道，且可以重复使用。
而这次的爆炸，将有可能使其入轨试飞试验比原计划推后，也给其商业飞行时间带来了一定的不确定性。
一些人认为，由于星船MK1的箭体是由301不锈钢露天焊接而成的，与目前主流制造方式不同，在很多方面都无法保证其质量。“用最直接的话说就是，用这么粗糙的做法做出来的东西，一定有质量问题。这是一种比较普遍的观点。”中国航天系统科学与工程研究院研究员陈杰说。
陈杰认为，从有利的方面来说，这次爆炸对优化星船的高阶版MK3和MK4试验箭的制造工艺意义重大。MK1是第一艘全尺寸试验箭，具有很大的创新性，本身就发挥着“探路者”的作用，整体压力测试作为验证其制造工艺的一种方式，有利于优化后续工艺。
与星船MK1相比，MK3和MK4将正式具备进入地球轨道，并从大气层外返回的能力。此后，SpaceX还将制造被称为“超重”助推器的火箭一级，与星船结合为一枚完整的两级运载火箭，经过一系列渐进迭代后进行真正的入轨发射。
“这次爆炸对‘超重星船’后续的试验和研制进度会有一定影响。外界再次对SpaceX创新性的制造方式产生了一些疑问，但我认为这种质疑对其影响并不大。”陈杰说，“SpaceX本身的研制思路就是‘试验、试验、再试验’。创新性的设计和制造方式出来以后，他们要进行多次试验来验证，这次应该也是遵循了这种思路。”
殖民火星有多难？
2016年9月27日，马斯克在国际宇航大会上提出了火星殖民构想。他表示，人类作为一个面临生存危机的物种，要么走向灭绝，要么转变成为一个多星球物种。
陈杰表示，火星殖民从构想到现实道路漫长。殖民火星至少要解决到达火星、在火星生存两大难题。
到目前为止，人类登陆的地外天体仅限于距离地球38万千米的月球，且至今未能建立月球前哨站和月球基地。火星和地球围绕太阳旋转时距离不断变化，二者最近的距离为5500万千米，这是北京到上海距离的5万倍。
“飞行至火星至少需要6～8个月，如果航天员在火星上工作一年，往返就需要2～3年时间。在这段时间内，去往火星的飞行必须达到高可靠性、高安全性和自给自足等要求，同时要能维持航天员在火星表面的生活和工作。这需要非常强大的航天运输系统为航天员提供生命保障、足够的消耗物品和循环生态。”陈杰介绍。
对于人类的生存而言，火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、砾石遍布且没有稳定的液态水体。要建设生存基地，必须要解决循环生态系统和资源利用等技术难题。陈杰认为，目前来看，火星殖民的构想需要30年甚至50年后才能实现。
简化设计，创新技术
在他看来，正是由于困难大、周期长，才更需要从现在开始逐步突破关键技术。
当2016年马斯克公布大猎鹰火箭的设计理念时，由于其技术指标、发射规模都刷新了人类航天的技术极限，加上其设计方案屡次更改，来自美国航空航天局、同行公司、普通公民等的质疑声一直没停过。波音公司CEO丹尼斯·穆兰伯格曾在接受CNBC采访时表示，波音公司有机会先于马斯克把人类送上火星。
而近日“星船”试验箭的爆炸，带来了更多的质疑声。
“此前的质疑声也不少，但马斯克的思路始终没变。”陈杰表示，马斯克采取了与看起来高大上的航天事业不同的方法和手段，他不是把技术搞得越来越复杂、越来越尖端，而是尽量简化设计，坚持可靠适用的原则，这是非常实用有效的创新。
采用301不锈钢材料焊接形成箭体便是其一。目前主流运载火箭主结构采用碳纤维或铝合金材料，价格昂贵。而每吨不锈钢的成本只有碳纤维的2%，不锈钢在超低温条件下还有着弹性好、强度高的优点。
而钢的熔点约为1500摄氏度，高于美国退役航天飞机轨道器所用的铝合金结构。因此，星船可少布防热瓦，在再入过程中前缘的防热负担将极大减轻。
同时，马斯克只使用梅林发动机，根据火箭要达到的高度增加其数量。
“这就像堆积木一样。一级箭体与二级箭体使用完全一样的发动机，相当于他们只掏钱研制了一款发动机，却形成了一级和二级发动机两种动力系统，组成了一款两级火箭。并且，由于发动机零组件的通用化，可以批量化生产，从而降低成本。”北京蓝箭航天空间科技股份有限公司航天火箭研发部副总经理戴政说。
传统主流火箭从性能最优的角度出发，一二级发动机大多采用不同型号的发动机，两级火箭需要研制两个型号的发动机，其零组件不通用，无法批量生产。
箭体重复使用，客户只需交“燃料费”
在降低成本方面，箭体重复使用是马斯克的关键步骤。
戴政解释说：“以往的火箭发射通常是一次性的，客户需要掏钱买下整枚火箭，并且加上燃料费用才能完成发射。而可重复使用火箭将会使航天发射变得越来越像航空业，客户只需要掏燃料费用就可以完成飞行，因此普通人也能坐得起。如果飞机是一次性的，乘坐需要买下整架飞机的话，机票价格就会异常昂贵。”
目前，SpaceX的“猎鹰”-9和“猎鹰重型”火箭第一级和整流罩的重复使用已经实现，其火箭第一级经过适当整修后，甚至可以连续使用。
陈杰认为，在“超重星船”组合中，助推器“超重”的重复使用相对比较容易。而星船的设计从结构、材料等方面，与此前发射过的飞船有着较大差异。同时，星船体积庞大，要执行多人载人任务，进入轨道空间后再返回地面，返回地面的过程中不能出问题，才具备重复使用的条件。这对其结构、防热、控制等的要求更高。因此，星船的重复使用更加困难。
通过一系列的技术创新来降低成本，SpaceX的火箭发射报价远低于各国的报价。举例来说，“猎鹰”—9火箭发射地球同步转移轨道（GTO）的价格是6200万美元，每千克载荷的入轨价值是7500美元；“猎鹰重型”的报价是9000万美元，每千克载荷进入GTO的价格是3400美元。
陈杰介绍，欧洲准备在2020年首飞的“阿里安”—6新一代运载火箭，GTO轨道的运载能力为10.5吨，报价1.018亿美元，每千克有效载荷进入GTO的价格是9695美元。而美国的主力运载火箭“宇宙神”—5（401），GTO的运载能力4.95吨，报价是1.09亿美元，每千克有效载荷进入GTO的价格高达2万美元以上。
“通过这些报价的对比，我们可以看出，SpaceX的火箭发射价格多么具有吸引力。低成本一直是其火箭赖以生存、发展、壮大的重要手段和途径。”他说。
太空旅游说走就走
马斯克曾表示，太空探索公司希望创造一种能够使火星旅行的价格降低至20万美元的交通工具。
日本亿万富翁前泽友作还曾买下第一张“船票”，计划在2023年邀请全球6至8位艺术家，一同乘坐“星船”进行绕月飞行。
在陈杰看来，太空旅游本身就是商业航天的一个重要组成部分，对于具有探索精神、冒险精神、强求知欲的人来说是很有吸引力的。
“当然，太空旅游本身对于乘客的身体条件、心理素质有诸多限制，特别是经济实力要求很高，这决定了它的受众面刚开始不会很大，但随着航天技术的进一步发展成熟、成本不断降低，我相信太空旅游商业化的前景会比较广阔。”他说。（刘如楠）