徐令予：“重型猎鹰”火箭难举美国航天梦

【“重型猎鹰”火箭发射成功，引发全球热议，虽然芯级回收失败，但从助推器回收，到戏剧感十足的特斯拉跑车载荷，确实看点很多。从技术上讲，它的优缺点在哪里？以下这篇观察者网专栏作者徐令予的文章对此作了分析。原文作于火箭发射前，发射后作者又发来了他最新的感想：“火箭无法进入轨道的可能性很大，我希望它能够远离发射台，不会造成发射台损坏，说实话，我甚至认为只要能如此也是一场胜利。”SpaceX的CEO马斯克的这个表白不只是伟大的谦虚，更可能是深深的无奈。重型猎鹰能否重振美国航天的荣光还真是一个大问号。重型猎鹰说白了就是三支猎鹰9捆绑在一起。它的核心是一枚猎鹰9，另外再把两架猎鹰9的第一级作为助推器。所以重型猎鹰的第一级就有3x9=27枚“梅林-1D”液氧煤油引擎，在起飞阶段，将有多达27枚“梅林-1D”引擎同时工作。这种构型使得重型猎鹰成为自苏联时代N1超级火箭以来，起飞级引擎总数最多的一款火箭。苏联超级火箭N1正是受30台引擎的拖累而连连失败，最后葬送了苏联的登月计划。捆绑大量低推力引擎实乃火箭工程中的下下策，其负面因素是多方面的有些甚至是致命的。捆绑不成夫妻，同样道理捆绑大量引擎打造不出大推力重型火箭，这个道理实际上是很容易理解的，否则你我都可以买成千上万只“串天”捆绑起来去月球转一圈了，这天下能有如此好事吗？与其说马斯克有造反精神，还不如说他作为资本家对市场利益有着比狗还要敏锐的嗅觉。马斯克感觉到了美国重型运载市场有着难得的好机遇。自七十年代阿波罗计划烟消云散后，美国航天界是刀枪入库、马放南山，几十年中就没有一枚像样的超级重型运载火箭。进入二十一世纪后，眼看中国的航天事业天天向上，迈向月球的脚步声越来越清晰有力。受到中国的刺激，美国决定要征服火星或重登月球，重显世界老大的威风。问题是政客们可以在网页上用PPT登月，NASA没有超级重型火箭怎样实施登月。于是马斯克看到了机会。按2011年提出的最初时间表，重型猎鹰将于2012年底之前将抵达SpaceX西海岸发射地点——加利福尼亚州范登堡空军基地。首次发射将于2013年进行，而卡纳维拉尔角的首次发射将于2013年底或2014年进行。但到2015年中，由于猎鹰9试飞失败而导致重型猎鹰首次发射推迟到2016年底。设计一改再改，计划一延再延，马斯克他们是踢到了铁板，中间的辛酸也只有他们心知肚明。“事后方知重型猎鹰（的制造）比我们想象的要难得多……其中的难度远远超出我们原先的设想，我们实在过于幼稚了。”这是马斯克的原话。说实话，要重起炉灶设计制造一枚新的超重型火箭本非易事，而要在去工业化的今日美国实施此计划更是难上加难。理想很丰满，但现实很残酷。让我们先从时间轴上作个前后对比，表一显示了重型猎鹰与五十年前土星五号的主要性能指标。数字显示土星五号身强力壮，力压重型猎鹰，土星的第一级只用了5只引擎发出的总推力超过后者27只引擎近1.5倍！土星五号的运载能力是重型猎鹰的3倍。仅从性能来看，土星五号完胜重型猎鹰，事实上两者几乎就没有可比性。再让我们在空间轴上作个左右对比，表二显示了重型猎鹰与各国重型火箭的主要性能指标。从这张表上，不管是左看右看，无论哪里也看不出这枚捆绑有27只引擎的重型猎鹰有什么过人的优势，这真的不像是一枚超级重型火箭。重型猎鹰真的难以担起登上月球飞向火星的重任，单看它三米多点的直径，实际上已经被判出局。现代太空任务的载人飞船和太空望远镜都是又重又大，三米多直径作为重型火箭都不合格，“超级重型”的影子都没有。通常中型以上的液体燃料火箭，它的初级都用大推力但效率略差的液氧煤油引擎，而最后一级都釆用效率高的液氢液氧引擎。这样的高低搭配可以在火箭的性能和价格之间求得最优化。而马斯克手中只有一款液氧煤油引擎—梅林1D，而它的真空状态改型则用来作火箭的第二级，两者性能都极其平庸。表三是目前各国拿得出手的火箭引擎性能比较。省钱一直是马斯克的主要卖点。马斯克首先是个商人，商人在商言商，省钱对于严重缺钱的美国政府最有吸引力。宣传资料是这样说的：阿波罗计划中的每次发射开支是12.3亿美元，其中7.1亿美元是火箭的生产成本（己折合成2016年美元的价格），而重型猎鹰把2.2吨载荷送入同步轨道的价格只要9千万美元。我一直对SpaceX的这种宣传深感困惑。当初土星五号花费12亿美元可把50多吨的载荷送入同步轨道，假设发射开支与载荷重量成正比，那么重型猎鹰执行土星五号相同任务的开支至少要20亿美元。实施航天任务又不是买大白菜，多买有折扣，实际上价格与任务的难度远不是正比关系，常常是非线性增长的。只要想一想买平板电视的经验，随着显示屏尺寸的增加电视机价格是加速增长的。“省钱”其实是SpaceX玩弄的把戏。他省钱的途径是靠火箭回收利用，他的引擎本来就不给力，为了回收发射过程中必须把部分燃料留作它用，这就大幅降低了火箭的最大载荷能力，导致回收的重型猎鹰只能把2.2吨载荷送入同步轨道，这还是一枚超重型火箭吗？连重型的资格都没有。更重要的是在重型和超重型火箭市场中，任务主要是载人登月和去火星，载荷的价值远超运载火箭的成本。例如，美国新一代太空望远镜詹姆斯·韦伯（JWST）就要依靠重型运载火箭送上太空，该太空望远镜价值80亿美元，该项目会在乎在运载火箭上省几千万美元吗？人家要的是一枚高性能高安全度的超级重型火箭，在这个舞台上我估计马斯克是没戏可唱的。“山中无老虎，猴子称霸王。”这是今天马斯克和他的重型猎鹰还站在舞台上的原因。美国航天界的老虎消声匿迹的原因多种多样，其中有一条十分重要，那就是失去了前苏联这样强劲的竞争对手。从大历史角度看，在前苏联的崩溃中倒下的巨人实际上是两个，只是一前一后而已，至少在航天界事实就是如此。冷战之后，美国的航天事业再难续其过去的辉煌，因为：“做小生意需要朋友，成大事业要有敌人。”这大概也是美国在全世界到处找敌人的一个原因吧。