哈勃维修专题

Space Exploration - - Contents - 文/ 田丰

“哈勃”的太空维修传奇“哈勃”维修十大要点“哈勃”惊人的探测成果

太空探索技术公司(Spacex)的 BFR(BIG Falcon Rocket,大猎鹰火箭)是一款非常奇怪的运载火箭,它屡屡跟着公司创始人埃隆·马斯克登上各大媒体的首页,也曾被无数航天爱好者当成饭后谈资,并为此争论不休,但美国航天业界却基本都对这款火箭熟视无睹,甚至可以说业内少有人把这款火箭“当回事儿”。即使如此,作为“火星梦”的核心,太空探索技术公司仍旧年复一年地更新着BFR的设计,每次公开都有不同的“噱头”和“进展”支撑着这款火箭的研发和迭代,今年更是声称签约了一位有意乘坐BFR绕月并且已经付下巨额订金的神秘“土豪”游客,吊足了媒体的胃口。

11月19日夜,马斯克通过推特把BFR更名为“星船”(Starsship),号称技术上要有大变动,究竟变成啥样,只能拭目以待了。

2018 年当地时间9 月 17 日,太空探索技术公司在加州霍索恩的厂房内部召开新闻发布会,宣称公司已经签订世界首个乘坐BFR进行绕月旅行的乘客合同。近期负面新闻缠身的马斯克现身发布会,简短展示了一年来BFR 的最新变化和进展。

2018 年的BFR ——运力缩水,变化不少

BFR是太空探索技术公司正在研发的一款可完全重复使用的运载火箭,全箭使用公司自行研发的代号“猛禽”的全流量分级燃烧循环的液氧/甲烷发动机。BFR为串联两级无助推器构型,一级称之为BFR Booster,类似现有的猎鹰9火箭一级,在分离后可以垂直反推回收并再次利用;二级称之为BFS (Big Falcon Spaceship,译为大猎鹰飞船),类似于航天飞机的轨道器和一般运载火箭二级的组合体,自带液氧/甲烷推进剂储箱和发动机,同时也拥有可载人或载货的空间,还可以再入大气层返回地球或着陆火星表面。根据发布会上公开的数据,新版BFR的运力再次缩水,完全回收复用状态下的近地轨道运力从去年公布的150吨缩水至不低于 100吨,但是整箭长度有所拉长,达到 118米高。具体来说BFR 一级变化不大,变化最大的是BFS部分。公司首次公开了BFS内部加压空间为1000立方米,比国际空间站932 立方米的加压空间还要宽敞。此外,BFS头部在去年基础上添加了一对前翼,气动翼面在真空环境下并无作用,所以只是在再入大气层过程中用于调整和维持飞船姿态,尤其是维持飞船的再入攻角。2017 版中 BFS的三个尾翼大幅加大加长,其中两个尾翼变为可动翼面。除此之外,还在尾翼末端布置了可伸缩着陆腿,替代了2017版本中备受诟病的着 陆腿设计。气动翼面的改动使得BFS观感上更接近航天飞机。除此之外, BFS的发动机配置也大幅变化,从原有的4台真空版和3台海平面版“猛禽”混搭变成了统一型号。此外,尾部发动机舱又追加了一圈“裙边”,官方解释为底部货舱。

除此之外,太空探索技术公司还放出了一段猛禽发动机71秒长的试车画面,以表示其研发和试验正按照计 划进行,推力上升至200吨,室压变为 30兆帕。此外还曝光了9米直径碳纤维复合材料储箱工装的内部照片,还演示了一段BFS再入地球大气层直至降落的计算机仿真动画。绕月旅行的流程也进行了公开,整个任务仅需一次BFR 发射,无需在轨加注。BFS 飞掠月球后并不减速进入绕月轨道而是直接返回地球,任务总耗时5天 23个小时。

总的来说,此次公布BFR设计变

更主要集中在气动结构上,其他的关键参数——火箭构型、直径、发动机等并未出现颠覆性变化,可见BFR的设计已经基本定型,虽然还需要大量细致的设计和测试工作,但设计方案已逐渐稳定。太空探索技术公司目前计划2019年末进行BFS悬停实验,2021年首飞, 2024年执行绕月之旅。可以说,在这次的发布会上,太空探索技术公司一直心心念的火星只能无奈让位,浪漫的月 球成了新的主角。但其实并非如此,在BFR前途未卜的时候,尽可能地用各种项目和噱头维持它的曝光和研发才是当务之急。这次有金主主动抛出橄榄枝资助和支持BFR,公司自然不会拒绝。

来自东方的神秘乘客

说起 BFR的这位神秘“金主”正是日本线上购物公司 Zozotown 的创始 人前泽友作。前泽友作是日本亿万富翁企业家和艺术收藏家,他于2004 年创立了在线时尚零售网站Zozotown。截至 2017 年 5月,其福布斯的净资产为 36 亿美元,位列日本第 14 位。常言道“有钱就是任性”,前泽友作直接包下了这次环月之旅,发起了名为“Dearmoon”项目,计划邀请 6~8 名艺术家和他一同进行这次绕月之旅。在发布会上,这段邀请伴随着悠扬的《月光》钢琴曲徐徐展现,BFS飞船环绕月球的壮美景象也在三维动画模拟下展现出来。在后续的问答环节,有记者直接询问这张“船票”的价格,可惜未获前泽友作的明确答复。10月 9日,前泽又在东京为 Dearmoon 项目举办了一个专场发布会,会上前泽现任女友刚

力彩芽也对此次绕月之旅表现出浓厚的兴趣,不仅如此,前泽还表示想为此次旅行设计一款特别版舱内航天服。

此次绕月之旅究竟耗资几许,虽然留下了无限的遐想空间,但终究是理想照进现实的一次绝佳机会。这张“船票”无疑是BFR研发的一针“鸡血”。太空探索技术公司的BFR 从 2016 年公布至今,虽屡次登上科技类媒体的头条,但这款火箭在业界一直都是“雷声大雨点儿小”,几乎没有得到过任何正式的官方资助,仅在2016 年 1月获得过美国空军 3360万美元的研发资助以用于猛禽发动机的研发,但空军实质是资助“猛禽”作为“猎鹰9”和重型猎鹰火箭的新型上面级,而非资助BFR。马斯克在发布会的问答环节也提到了整个 BFR的研发费用预计将耗资50 亿美元,虽然相对于美国宇航局手中“花钱 如流水”的重型火箭“太空发射系统” (SLS)而言,BFR的研发已经十分节俭,但仍然不是一笔小数目。“太空发射系统”目前累计耗资已近120亿美元,而首飞却依旧遥遥无期,一推再推。

震惊世界却没人相信的“火星殖民计划”

说起BFR,还要从马斯克在2016年的国际宇航大会上公布“火星殖民计划”说起。当时太空探索技术公司为了证明公司对该计划的认真态度,冒险提前进行了猛禽发动机的首次整机点火试验。会上首次公布了该公司火星计划的专用运载火箭——Its(interplanetary Transport System),中文译名为“行星际运输系统”。这是一款高122 米,直径 12米,起飞质量高达10500 吨的 庞然“巨兽”,其起飞重量相当于将人类送上月球的土星5号火箭的三倍。当然 ITS不只是大,其设计理念的先进性足够让所有现役运载火箭都黯然失色。该火箭为两级构型,完全可重复使用设计,支持多次在轨加注,二级可独立进入火星或地球大气层,并着陆在无预制着陆场的坚实表面上。全箭采用液氧/甲烷推进剂组合,只采用猛禽一种发动机;为追求高干质比,采用了12 米直径的碳纤维复合材料共底储箱,这一火箭的曝光在当时来讲可谓“艳惊四座”。

马斯克会上提出的这个雄心勃勃的计划基本代表了其“终身梦想”的最高潮,这源自于他与之前与“火星协会” (The Mars Society)创始人罗伯特·祖布林(Robert Zubrin)博士的接触。祖布林的“火星直击”任务架构充分拓展了马斯克的视野,并支撑了ITS 的基

本思路,就是利用火星表面的二氧化碳大气环境和甲烷化学反应在火星制备返程推进剂,再加上可完全重复使用的地球-火星往返工具,最终实现大规模低成本的火星殖民。当俄罗斯工程师在早年击碎马斯克襁褓中的太空梦想时,他却在太空探索技术公司上赌博,终于实现了猎鹰1火箭的成功。马斯克的火星定居梦想最终在2008 年 12月初见雏形,自那时起,马斯克的愿景就与太空探索技术公司一起成熟壮大。

2017年,太空探索技术公司将“猎鹰9”发展成为世界上第一款可部分可重复使用的廉价运载火箭,利用低价和复用大大改变了航天发射行业,狂揽大量发射订单。虽然复用之路还很漫长,但现如今业界对火箭复用的质疑之声已日渐减少,部分对手甚至已经开始谋划对“猎鹰9”模式的模仿。“猎鹰9”是完全复用还是部分复用其实已经并不重要,它最重要的使命是证明复用真的可以降低发射成本。这也是抨击者最主要的攻击点,他们认为火箭复用在综合考虑复用风险和翻修费用后并不省钱,就像2011年无奈退役的航天飞机一样。

马斯克的演讲显示,太空探索技术公司计划降低前往火星的费用和风险,并最终成为一家火星殖民化运输公司。然而,这意味着它必须依靠第三方来支持在火星上建立和发展殖民地。或者更直白一些——太空探索技术公司需要钱!很多很多的钱!但事实上, 2016年这次公开得到的评价褒贬不一,有媒体和网友认为这计划纯粹是天方夜谭,丝毫不具可行性;也有人认为这是在美国宇航局在载人火星登陆上蹉跎几十年而无作为之后的救命稻草,并为此欢呼雀跃。考虑到以往大规模载人深空任务的难度和天文数字的支出,“波音”、“洛·马”、“诺格创新系统”等竞争对手和中、俄、欧等世界主要航天国家的相关机构对此计划的反应都相当冷淡。更耐人寻味的是,作为太空探索技术公司一路走到今天的最大“金主”,美国宇航局并未参与到当时ITS 的设计和发布过程中。这一幕一如马斯克之前所有创业项目一样——理想永远丰满,现实总是骨感。太空探索技术公司面临着缺钱、缺时间、指标太高的窘境,再加上 2016 年 9 月 1日“阿莫斯-6” 爆炸事故的巨大负面影响,ITS的设计一度陷入停滞。

正所谓东方不亮西方亮。2017年2月,太空探索技术公司又宣布采用旗下重型猎鹰火箭和载人龙飞船启动一个载人绕月项目,并声称已有两位神秘的私人游客缴纳了订金,有意在人类首次登月 50年后环绕月球,以示纪念。可惜该计划的两个组成部分的进度一推再推,重型猎鹰火箭直至2018 年 2月才首次发射成功,而载人龙飞船目前仍未试飞,暂定于2019 年 1月首次升空。即使后续飞船进度顺利,载人绕月也需要对重型猎鹰火箭进行一系列载人认证,还需要对目前仅适用于近地轨道的载人龙飞船进行一系列改装,这无疑都将耗费公司大量的时间和精力。重型猎鹰火箭虽然首射成功,红色特斯拉跑车奔向深空的一幕登上各大媒体首页,但实际上整个计划距离公司原来设定的目标仍是大幅落后的。

对于“心急就想去火星”的马斯克而言,这些推迟都是难以接受的。因此太空探索技术公司在2017 年重新规划了自己的研发之路,壮士断腕般地砍

掉了一系列研发任务,其中就包括代号“红龙”(Red Dragon)的无人火星探测项目和载人绕月项目。绕月项目虽然取消了,但这位神秘客户依然支持着太空探索技术公司,此次包下飞船的前泽友作其实正是之前重型猎鹰绕月的客户之一,只不过飞船从“载人龙”升级成了BFS。

从 ITS 到BFR ——大幅缩水,但更靠谱!

在 2017年的国际宇航大会上,太空探索技术公司重新起航,大刀阔斧地修改了原有的“火星计划”,暂停研发庞大的行星际运输系统ITS,而是改为相对更实际的BFR 火箭。BFR的设计理念和 ITS其实一脉相承,但规模大幅缩小,起飞重量从10500 吨缩水至3000多吨,完全回收状态下的近地轨道运力也缩水至150吨。火箭的整体体量瞬间回缩到人类已经具有的土星5号、能源和N1运载火箭的水平,成为一款标准的“重型火箭”。虽然体量缩水,但是先进性毫不缩水,重复使用、在轨加注、复合材料共底储箱、二级整 体再入一样不少。大会过后BFR 的研发消息又陷入沉寂,但实际上太空探索技术公司并未放松脚步,而是做了以下几方面工作:

1.选定了位于洛杉矶市圣佩德罗港的一处废旧厂房作为下一代完全可重复使用运载火箭BFR的总装厂房。该厂房毗邻已有的火箭回收驳船港口,距离太空探索技术公司目前总部霍索恩也不远,可以减少日后员工迁移的影响,也便于不能采用公路运输的BFR 火箭通过海运方式送往东海岸的各处发射和试验场所。

2. 为 BFR的研发四处筹措资金,甚至包括向军方提出诉求,展示BFR在军事方面的潜在作用,以期望能得到军方的大规模资助和青睐。但在2018年 10 月 10日公布的美国空军发射服务研发资助项目中标结果中,联合发射联盟的火神火箭、蓝色起源的新格伦火箭、诺格创新系统公司的欧米茄火箭分别获得了 9.67 亿、5 亿、7.92亿美元的研发资助,而太空探索技术公司参与投标的BFR火箭则无奈落选,未获得任何资助。

3.继续进行火箭的详细设计。虽 然目前猎鹰9火箭和载人龙飞船依旧占用公司的设计资源,但BFR的设计已经日益丰满起来,尤其是其动力核心——代号猛禽的液氧甲烷发动机。可以说进入这个阶段的BFR已经没有退路,只有一路向前,才能让太空探索技术公司不至于跌下神坛,于是一年后的今天,太空探索技术公司进一步更新了它的设计。

当然被推上风口浪尖的远不止BFR 和BFS,“太空发射系统”也面临着同样的“资金危机”。近期,“太空发射系统”因为近乎毫无意外的资金超支和进度拖延,又开始向美国宇航局和国会哭穷,一边声称首次发射时间将推迟到不早于2020年,另一边声称资金的裕量不足,希望继续追加投入。实际上由于“太空发射系统”和猎户座飞船已经基本绑架了美国宇航局,这个项目无论如何也要走下去,这才给了波音和洛·马公司肆无忌惮拖期和超支的底气。因此指望美国宇航局能够拯救太空探索技术公司的BFR,短期是不现实的,那么马斯克能否化缘成功,还要拭目以待了。★

▲马斯克的火星基地愿景

▲ 2018 版 BFS

▲马斯克把投资人前泽友作扛到了肩上

▲老马推特上,“大猎鹰”起飞艺术想象图

▲ Spacex公司在南得克萨斯州的新发射场在经历了36个月的沉默之后,最近开始了一系列的大规模施工准备,估计是瞄准2019 年末的 BFS悬停试验

▲ BFR碳纤维复合材料储箱的工装

▲ BFR储箱工装内部图

▲猛禽发动机试车画面

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