「重型獵鷹」火箭難舉美國航天夢

【文/觀察者網專欄作者 徐令予】

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，矗立在這裡的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裡發射升空，這裡曾是美國夢升起的地方。SpaceX選擇這裡作為他的「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，我甚至認為只要能如此也是一場勝利。」SpaceX的CEO馬斯克的這個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，只是實在也沒有什麼其它辦法，「沒有金剛鑽，硬攬瓷器活。」SpaceX造不出大推力火箭引擎，手裡只有推力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。

捆綁大量低推力引擎實乃火箭工程中的下下策，其負面因素是多方面的有些甚至是致命的。捆綁不成夫妻，同樣道理捆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？

捆綁大量引擎會使火箭效率降低。因為每隻引擎都有許多的零部件，捆綁許多的引擎必然是大量零部件的重複堆砌，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，就會面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。以中國長征系列火箭為例，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，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——加利福尼亞州范登堡空軍基地。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，中間的辛酸也只有他們心知肚明。

「事後方知重型獵鷹（的製造）比我們想像的要難得多……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，不得不讓人扼腕嘆息。

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，土星的第一級只用了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。

表一

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，無論哪裡也看不出這枚捆綁有27隻引擎的重型獵鷹有什麼過人的優勢，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。

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。」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。而馬斯克手中只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。

表三

表三數據顯示，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，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。所以儘管引擎不太給力，重型獵鷹的最終送入軌道的載荷仍有不俗的表現。

2）SpaceX只有一種型號的引擎，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，應該為其點贊。

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（己摺合成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只要9千萬美元。

我一直對SpaceX的這種宣傳深感困惑。當初土星五號花費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，那麼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。只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。從大歷史角度看，在前蘇聯的崩潰中倒下的巨人實際上是兩個，只是一前一後而已，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。

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