文章來源：太空與網(wǎng)絡(luò)
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　　近日，美國SpaceX公司首席執(zhí)行官馬斯克高調(diào)宣稱，“星艦”采取不回收模式，近地軌道運(yùn)力有望達(dá)到300噸。那么“星艦”這個驚人的指標(biāo)靠譜嗎？當(dāng)前限制火箭運(yùn)力的因素有哪些？未來火箭的運(yùn)力可以有多大？

　　300噸并非天方夜譚

　　按照SpaceX公司的宣傳，“星艦”是為實(shí)現(xiàn)“殖民火星”“使人類成為多星球物種”等宏偉遠(yuǎn)景而研制的重型航天運(yùn)載工具，直徑9米，高約119米，起飛總重約5000噸，今年4月20日進(jìn)行了首飛試驗(yàn)，遺憾的是未能成功。

　　“星艦”點(diǎn)火起飛瞬間

　　當(dāng)前，“星艦”兩級共使用39臺液氧甲烷發(fā)動機(jī)，起飛總推力約7600噸，不回收模式下近地軌道運(yùn)力有望達(dá)到250噸，兩級回收重復(fù)使用模式下為150噸。馬斯克之所以自信滿滿地宣稱“星艦”近地軌道運(yùn)力可達(dá)300噸，將指標(biāo)一口氣提高20%，奧秘就在于發(fā)動機(jī)等火箭全系統(tǒng)改進(jìn)升級。

　　對于SpaceX公司來說，將火箭運(yùn)力提升20%以上，已有先例，從當(dāng)前風(fēng)頭正勁的獵鷹9火箭發(fā)展歷程中就可一窺究竟。獵鷹9火箭V1.0版本2010年首飛成功，近地軌道運(yùn)力10.5噸，后來陸續(xù)推出了近地軌道運(yùn)力13.1噸的V1.1版本和近地軌道運(yùn)力17.95噸的V1.2版本，目前頻繁發(fā)射的Block5版本的近地軌道運(yùn)力為22.8噸，而且仍在持續(xù)改進(jìn)“挖潛”中。不難看出，其中每個版本相比上一個版本的運(yùn)力提升均超過20%。

　　可以說，快速迭代、持續(xù)完善技術(shù)與產(chǎn)品是SpaceX公司的“套路”，頻繁發(fā)射的獵鷹9火箭尚且如此，更不必說仍處于研制階段“星艦”了。事實(shí)上，“星艦”始于2016年國際宇航大會上亮相的大獵鷹火箭，至今已經(jīng)過7年10輪以上的方案迭代，其核心組成部分也在不斷改進(jìn)升級。

　　以猛禽發(fā)動機(jī)為例，自2012年啟動研制至今，已發(fā)展至第三代，并于今年5月13日進(jìn)行靜態(tài)點(diǎn)火測試，推力高達(dá)269噸，而“星艦”首飛使用的第二代猛禽發(fā)動機(jī)推力230噸。顯然，第三代猛禽發(fā)動機(jī)將有力支撐“星艦”運(yùn)力提升。

　　馬斯克透露，基于第三代猛禽發(fā)動機(jī)，“星艦”第二級會加長10米，配備的真空版猛禽發(fā)動機(jī)由3臺增至6臺。屆時，加長版“星艦”的總高度將從目前119米增至129米，預(yù)計起飛總重超過6000噸。

　　計算可知，加長版“星艦”如果在起飛總重6000噸的情況下實(shí)現(xiàn)近地軌道運(yùn)力300噸，運(yùn)載效率高達(dá)5%。相比之下，美俄歐日多款主力火箭的運(yùn)載效率在3.5%左右，獵鷹9火箭的運(yùn)載效率為4.15%。

　　“星艦”的運(yùn)載效率指標(biāo)如此之高，最主要因素有兩點(diǎn)。一是采用了高性能液氧甲烷全流量補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動機(jī)，兼顧了比沖、重復(fù)使用、操作維護(hù)等多方面性能，真空比沖高達(dá)380秒，而且第二代猛禽發(fā)動機(jī)質(zhì)量僅有1.6噸，推質(zhì)比150。二是“星艦”通過共底貯箱等手段實(shí)現(xiàn)了輕質(zhì)化設(shè)計，超重助推級結(jié)構(gòu)系數(shù)約7%，而當(dāng)前主流火箭子級結(jié)構(gòu)系數(shù)普遍在10%左右。

　　戰(zhàn)勝“兩大攔路虎”

　　航天界將近地軌道運(yùn)力20噸級的火箭稱為大型火箭，將運(yùn)力超過100噸的火箭稱為重型火箭，要想實(shí)現(xiàn)運(yùn)力大幅提升，均需突破大量關(guān)鍵技術(shù)。

　　據(jù)公開資料顯示，我國長征五號火箭突破了以大型液體火箭總體優(yōu)化設(shè)計、大直徑箭體結(jié)構(gòu)、120噸級高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動機(jī)等12項重大關(guān)鍵技術(shù)為代表的247余項關(guān)鍵技術(shù)。

　　分析火箭運(yùn)力跨越提升的難點(diǎn)，最主要的還是大推力高性能發(fā)動機(jī)、大直徑箭體結(jié)構(gòu)這兩項，可謂是火箭運(yùn)力提升的“兩大攔路虎”。

　　發(fā)動機(jī)是運(yùn)載火箭的“心臟”，重要性不言而喻。一般在同等設(shè)計水平下，火箭運(yùn)力越大，起飛總重越大，對發(fā)動機(jī)提供的起飛推力需求就越大。當(dāng)前火箭子級想要實(shí)現(xiàn)大推力，主要有兩種途徑：

　　一是單臺發(fā)動機(jī)推力大，發(fā)動機(jī)臺數(shù)可以少一些，如土星5號火箭、能源號火箭及SLS火箭等。其中，美國登月火箭土星5號為了實(shí)現(xiàn)大運(yùn)力，一子級采用5臺推力690噸的F1液氧煤油發(fā)動機(jī)。最初幾次發(fā)動機(jī)地面試驗(yàn)中，F(xiàn)1發(fā)動機(jī)因燃燒不穩(wěn)定而頻發(fā)爆炸，美國宇航局及洛克達(dá)因公司費(fèi)了九牛二虎之力，通過改進(jìn)噴注盤構(gòu)型，解決了燃燒不穩(wěn)定問題。

　　二是通過增加發(fā)動機(jī)臺數(shù)來實(shí)現(xiàn)整體推力增大。這雖然可以降低單臺發(fā)動機(jī)的研制難度，但多臺發(fā)動機(jī)可靠并聯(lián)使用又成為關(guān)鍵難點(diǎn)。蘇聯(lián)登月火箭N1的4次飛行試驗(yàn)均告失敗，表明多臺發(fā)動機(jī)集成以及由此衍生的振動、燃料輸送、控制等問題不容忽視。好在技術(shù)總是不斷前進(jìn)發(fā)展的，獵鷹系列火箭成功實(shí)現(xiàn)了多臺發(fā)動機(jī)并聯(lián)的工程應(yīng)用。

　　箭體直徑是火箭的關(guān)鍵參數(shù)，決定了火箭長細(xì)比。從降低飛行載荷和火箭控制系統(tǒng)難度出發(fā)，火箭長細(xì)比應(yīng)該盡量小，也就是大直徑箭體的表現(xiàn)更好。此外，大直徑箭體可以裝載更多推進(jìn)劑，為火箭運(yùn)力擴(kuò)展提供了更大的空間。然而，箭體直徑增大將帶來尺寸效應(yīng)（又稱體積效應(yīng)，指金屬特性受幾何尺寸大小的影響），對于壓力更加敏感。

　　與此同時，火箭輕質(zhì)化需求越發(fā)迫切。這對于厚度只有幾毫米的火箭貯箱、殼段等結(jié)構(gòu)件的設(shè)計、材料、加工工藝都提出了極高的要求。我國長征五號火箭俗稱“胖五”，正是因?yàn)槠渫黄屏?米直徑箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造與試驗(yàn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了我國火箭箭體直徑的跨越式發(fā)展。對于重型火箭而言，直徑往往從10米級起步，其制造設(shè)備與工藝、結(jié)構(gòu)運(yùn)輸與試驗(yàn)都是更大的難題。

　　大航天時代“無邊界”

　　航天時代始于1957年10月，蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星。12年后，土星5火箭成功發(fā)射阿波羅11號飛船，人類足跡首次踏上外星球。然而，此后的50多年間，人類沒能再將足跡拓展到更遠(yuǎn)。由于沒有任務(wù)需求牽引，土星5號重型火箭僅執(zhí)行了13次發(fā)射任務(wù)就進(jìn)入博物館，蘇聯(lián)能源號重型火箭同樣因形勢和任務(wù)變化而“折戟沉沙”。

蘇聯(lián)能源號重型火箭“壯志未酬”

　　21世紀(jì)初，隨著一系列宏偉航天計劃和工程需求的提出，重型火箭再次進(jìn)入公眾視野。美國宇航局先后開展了戰(zhàn)神5號重型火箭和SLS重型火箭的研制，雖然前者遺憾“夭折”，后者的技術(shù)水平相比土星5號火箭并無顯著優(yōu)勢，但新的任務(wù)需求為重型火箭的發(fā)展提供了新機(jī)遇。

　　之后，“星艦”不僅接過了進(jìn)入工程階段的最大火箭“接力棒”，還為后來者提供了更多研發(fā)設(shè)計的前車之鑒。未來，新型材料、新概念動力、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計等都有望助力人類將更大更重的有效載荷投送到目標(biāo)軌道。

　　最大的利好消息是，當(dāng)前人類已經(jīng)邁進(jìn)了以巨型星座建設(shè)、大規(guī)模深空探測、1小時全球運(yùn)輸為代表的大航天時代，開發(fā)與利用空間任務(wù)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，為重型火箭的應(yīng)用提供了廣闊空間。無論是數(shù)以萬計的衛(wèi)星部署計劃，還是更周密、更注重實(shí)效的月球、火星等深空任務(wù)，或者是1小時全球商業(yè)運(yùn)輸任務(wù)等新概念物流暢想，都有望促使重型火箭加速發(fā)展。

　　不難想象，在大航天時代的多樣化需求牽引下，火箭起飛規(guī)模將越來越龐大，火箭運(yùn)力將提升到前人感覺不可思議的水平，也許將是“無邊界”的。站在當(dāng)下，我們無法精確地預(yù)言未來火箭究竟會有多大的運(yùn)力，就如同幾百年前乘坐小木船漂洋過海的先人們不可能想到今天行駛在汪洋大海中的巍巍巨輪，不過重型火箭未來一定可以促進(jìn)近地空間開發(fā)更完善，幫助人類飛向更遠(yuǎn)。

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　　本文轉(zhuǎn)載自“中國航天報”，作者：吳勝寶，原標(biāo)題《近地軌道投送300噸？火箭運(yùn)力能有多大》，本文原載于《中國航天報·飛天科普周刊》6月3日一版。

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