这样一个世界永远都不缺梦想家

  随着航空航天技术的爆炸式发展，电影、小说里曾幻想过的征服太空，登陆火星等情节，正在逐渐变成现实。前不久，中国神舟系列飞船也已经进行了第十三次飞行任务，有网友开玩笑说“发射飞船简直像下饺子一样”。

  隔三岔五上热搜的埃隆·推特狂人·火箭爱好者·马斯克也是一位致力于征服太空的“技术狂人”，作为SpaceX和特斯拉的创始人，他已经为科技爱好者贡献了不少话题：实现无人驾驶的特斯拉，猎鹰系列重型火箭，使用太阳能动力的超回路列车……今天分享的文章，即是从专业角度来谈SpaceX的技术发展历程。

  2018 年 2 月 6 日，两枚火箭助推器驾着烈焰从天而降，稳稳地落在了肯尼迪宇航中心降落区，这一幕犹如科幻电影。而更加科幻的还在天上：一具名叫“Starman”的假人（出自大卫·鲍伊同名歌曲），穿着SpaceX的太空服，驾驶着一辆敞篷电动跑车，中控屏幕上写着一句英文“不要惊慌”（DONT PANIC，出自《银河系漫游指南》）。

  通过汽车挡风玻璃，能看到地球和地球背后的浩瀚宇宙。就在发射前，这辆汽车的音响里还在循环播放歌曲《太空怪谈》，车里的一块电路板上还印着一行字“Made on Earth by humans”（由人类在地球制造）)。这可不是哪个富有的航天爱好者的行为艺术，或者集中投放的另类广告，而是美国唯一现役超重型火箭的首次发射测试。

  从火箭奠基人齐奥尔科夫斯基的航天梦到国际空间站成功组建，人类只用了短短 100 年。在这段时间里，航天技术迅猛发展，同时行业门槛也是水涨船高，仅靠梦想是很难进入这个资金与技术壁垒高企的领域。但是，事实并不是这样铁板一块的，这样一个世界永远都不缺梦想家。

  在 2001 年，有个叫埃隆·马斯克的创业者想要送一些植物到火星上去，想以这种新奇的话题吸引公众注意力，以便给NASA 增加点儿预算。但美国的火箭不仅太贵了，还有点供不应求，全世界大量的卫星等着火箭发射，低成本送植物去火星的梦想绝大多数都是破灭了。马斯克并不甘心，就去俄罗斯询问俄罗斯火箭发射一次多少钱，但依旧是没办法承受的昂贵。

  就在从俄罗斯回到美国的飞机上，他粗略算了一下火箭材料，虽然昂贵，但是这只占火箭发射报价 3%，如此超高的利润率，何不自己制造火箭呢?一枚昂贵的火箭只能用一次，这太浪费了。如果在火箭的箭身与发动机研制过程中都考虑重复使用，成本不会增加太多，但是每次发射的成本会大幅削减。既能往火星上送植物，还能解决国际商业发射市场上供不应求的情况，当然还能赚钱。假如能够自主生产和重复利用火箭，那发射价格降低到目前的 10%，依旧能获得 70% 的超高毛利率。2002 年初，马斯克的这个梦想化为了太空探索技术公司（Space Exploration Technologies Coup.，简称SpaceX）。

  造火箭最重要的一环还是发动机，如果从市面上购买火箭发动机，那就又失去价格上的优势了，低成本发射的模式也就破产了。但如果自主研发火箭发动机，所需要的基础设施和设计运载火箭的主发动机的成本，对于一家勇于探索商业模式的公司来说简直是天文数字。好在NASA 作为美国纳税人养的单位，会向美国公众免费开放知识产权，前提是有正当用途。

  在过去几十年的太空竞赛中，NASA 已经获得了很丰富的成熟火箭发动机型号，涵盖了不同推力级别、燃料组合以及用途，如果设计新的火箭和航天器，大多数情况下直接将已有型号稍加改造即可。在 20 世纪 90 年代，NASA 意识到，马歇尔太空飞行中心新招聘进来的很多火箭工程师都缺乏一线开发经验，遂决定以设计一台简单、低成本的液氧煤油火箭发动机来锻炼一下新人，让他们积累经验。这就是Fastrac 发动机项目，它的上马原本就为了锻炼年轻工程师，而不是为一个火箭项目开发对应需求的发动机。

  Fastrac项目选择了液氧—煤油的燃料组合，虽然比冲低于强大的液氢—液氧火箭，但是开发和制造成本都更低。发动机的循环方式，也选择较简单的燃气发生器循环，而且排气管并不像F-1发动机那样接入喷管尾部，将尾气用作冷却气保护喷管，Fastrac 的喷管，就是很简单地从发动机旁边支出来，仅此而已。除了发动机本体以外，NASA 还改进了传统的供应商管理体系。这款发动机从上马到点火测试，仅仅用了两年时间，更别说那还是 1996 年，那时的计算机模拟等技术远远比不上今天。

  Fastrac 的数据一点都不漂亮：主燃烧室压 43 倍大气压，线 秒。同样，燃料组合出色的RD-170 则拥有 245 兆帕主燃烧室室压，线 秒。虽然没有亮眼的数据，但是Fastrac 项目实现了NASA给它定的目标——锻炼新人。而且，在种种压缩成本的组合手段下，它真的成本很低。遗憾的是，它从来都没有上过天，不过上天本来也不是它的目标。

  刚刚创业的SpaceX，立即就瞄上了Fastrac ，虽然没有直接复制Fastrac ，但是SpaceX 的发动机“梅林”的设计，大量参考了Fastrac ，毕竟两个项目的目标是一致的：设计和生产上的低成本。和Fastrac 一样，梅林发动机当然也选了液氧—煤油的燃料组合，还有燃气发生器循环。不过这次，室压提高到了 97 倍大气压，推力也高了几倍，但线 秒，甚至略低于Fastrac 。

  为了减少相关成本，第一代子型号梅林 1A 发动机，甚至采用了烧蚀冷却喷管技术，而这种技术通常是用在固体火箭发动机上的，而不是像其他液体火箭发动机那样让燃料从喷管流动预热，同时让喷管冷却。装备梅林 1A 发动机的“猎鹰 1 号”火箭成功进入轨道，成了世界上第一枚由私人企业研制发射成功入轨的火箭。

  后期的梅林发动机改进型——梅林1C转而采用再生冷却喷管，于 2007 年点火成功，并于 2010 年第一次作为“猎鹰 9 号”的发动机顺利达成目标。梅林 1C 的实际常规使用的寿命可以支持 10 次飞行，这也是为什么回收火箭具有商业意义。而梅林系列的下一个版本 1D 型于 2012 年结束开发，2013 年首飞，线 秒。推力、寿命、可靠性都得到了提升；另外，生产所带来的成本逐步降低。装备了梅林 1D 的“蚱蜢”火箭，经过几次垂直发射再垂直降落返回发射台的测试，验证了SpaceX 回收火箭的技术路线。

  首飞于 2010 年、装备了 9 台梅林发动机的猎鹰 9 号火箭，在 2015 年成功实现了一级火箭回收，本来就不高的发射成本，再次大幅度降低。SpaceX 的猎鹰系列火箭成本低运力充足，快速抢占了世界商业发射市场，如今已经是全世界发射量最大的火箭了。而且，也是因猎鹰系列火箭的低成本，使得很多航天应用产生了经济效益。比如，一些勇于探索商业模式的公司研制的微型卫星，如果通过传统火箭制造商来发射，收支会相抵，就没有一点商业经济价值了。而近几年，这些制作微型卫星的勇于探索商业模式的公司，正如雨后春笋般涌现。

  有了低成本火箭，由微型卫星组成的“星座”也成为可能，比如，SpaceX就提出并执行了一项宏伟的计划—— “星链”（Starlink）。它计划向近地轨道中发射 12000 颗卫星，而现在地球轨道上一共也只有 6000 多颗卫星，其中只有一半还在运行。组建星链的这些重量只有 200 多千克的小卫星，相互之间能够最终靠激光传输数据。这么密集的卫星覆盖整个地球，只要能看到天空的地方，有一个书包大小的接收器，就能接入互联网了。这对于没有网络基础设施覆盖的贫穷的地方来说是个福音，因为相比于铺设网络线缆，星链的接收器成本简直太低了。

  猎鹰 9 号火箭除了能发射卫星以外，还拿到了载人飞行的资格认证。在美国航天飞机退役以后，俄罗斯的联盟号垄断了向国际空间站输送宇航员的生意。如今，NASA 在购买联盟号机票上已经花费超过 33 亿美元，而且票价还慢慢的升高，2018 年平均为 8100 万美元一张。但机票对NASA 来说又是刚需，这就给了俄罗斯人坐地起价的底气。哪里有需求，哪里就有供给，坐拥超低成本火箭的马斯克，这就揽收了NASA 的“快递”。

  首飞于 2010 年的一代龙飞船，发射成本是“进取号”无人驾驶货运飞船（俄罗斯联盟号载人飞船的衍生产品）的 2 倍，载货能力也是 2 倍。但是，相比于超级昂贵的航天飞机，尽管此龙飞船的载货重量只有航天飞机的 1/3，而发射成本不到 1/10。一代龙飞船在 18 次货运任务中仅有一次失败。在 2019 年 3 月 2 日，载人版的二代龙飞船也顺利发射升空了。二代龙飞船相比于一代进步很多。除了飞控电脑、航电系统上的升级之外，一代还需要被国际空间站上的加拿大机械臂抓着对接，而二代则可以自主对接。

  载人龙飞船每次发射，可以将最多 7 名宇航员送入国际空间站，远超联盟号的载客人数（3 名），这在某些特定的程度上提高了国际空间站的工作效率。老骥伏枥的联盟号飞船，还应用着大量传统、可靠（也可以说是老旧）的技术，宇航员需要长时间的训练才能掌握这些技术，这才成了当宇航员的一个门槛。载人版的二代龙飞船有着毋庸置疑的后发优势，宇航员通过触屏就能操作，而联盟号的宇航员则要用一根金属小棍来戳操纵面板。另外，相比于联盟号，龙飞船的自动化程度也不可同日而语。

  龙飞船底部安装了 8 台 3D 打印的Super Draco 发动机，不同于绝大部分载人火箭，它没有逃逸塔，也没有额外加装昂贵的整流罩，不光省了重量，还省了一大笔钱。龙飞船本身是可回收的，设计寿命为发射 10 次，其发射的猎鹰 9 号火箭也是可回收的，又省了不少。这些加起来，可想而知为什么SpaceX 的成本这么低。相比于联盟号一张票 8100 万美元，在SpaceX 和NASA 的合同里一张票只要 2000 万美元。

  在2018年2月6日，猎鹰火箭最强型号——重达1420吨的“猎鹰重型”（Falcon Heavy）发射升空。它的概念就是在一枚猎鹰 9 号火箭两侧再配置 2 枚猎鹰 9 号火箭作为助推器，外表就像把 3 枚猎鹰 9 号捆绑在一起。从底部看，27 台梅林发动机密密麻麻地挤在一起。

  还记得一级火箭上装了 30 台发动机的苏联登月火箭N-1 吗?这一个数字也不少了，但梅林在这些年的实践中，已经是一个成熟稳定的型号了，而且 21 世纪的人类科技也早已不是五六十年前的水平了。 在猎鹰重型的首次发射中，马斯克选择将自己开过的电动汽车发射升空，目标是进入火星轨道。在成功发射以后，两枚助推器一齐返回地球，降落在肯尼迪宇航中心的降落区。可惜的是，芯级火箭在降落到大西洋无人驳船“当然我依然爱你号”的过程中，由于剩余燃料不足，最终回收失败——本该有三台发动机点火反推，实际却只有一台正常工作。在猎鹰重型第二次回收的过程中，芯级火箭成功降落在了驳船上，但不幸因为海上风浪太大，最终坠海。

  SpaceX 发展到这一步，马斯克的梦想也没有止步于“去火星种植物”。人类登陆火星甚至移民火星，如今看上去已不再那么遥不可及了。为实现这一宏伟的目标，我们又需要更加巨大和高效的火箭。

  2005 年，SpaceX 就有了开发超级重型火箭的设想。2018 年，这个概念成为更加具体的“星舰”（Starship）飞船。作为二级飞船，其助推器是“超级重型”火箭，起飞重量已达到 5000 吨之巨。星舰所配置的发动机“猛禽”，不仅没选传统的煤油—液氧或液氢—液氧，而是选择了“液氧—液态甲烷”这个罕见的燃料组合。为什么用这种燃料组合呢？原因有四点。

  第一，液氧—液态甲烷组合的比冲虽然低于优秀的“氢氧组合”，但是依然比液氧—煤油高一些，因此这个燃料氧化剂组合还是相当实用的。

  第二，液态甲烷能避免液氢因为分子小和超低沸点带来的管线阀门工程困难。液氢虽然很轻，但是体积很大，超大体积的燃料罐也对火箭整体不利。液态甲烷与液氧的沸点接近，密度也差不多，这使得燃料罐的研制成本都更低。

  第四，也是更重要的一点，甲烷便于补充。既然飞船名字叫“星舰”，又是为了星际旅行，那如果出了门没地方“加油”，回不来，那可怎么办？幸亏甲烷这东西在外星还是挺常见的，尤其是火星上。所以，如果“甲烷火箭”到了火星，还能想办法加注火星本地产的甲烷再飞回来，而由石油加工而成的煤油就没地方加了。

  然而，猛禽发动机最大的技术亮点并不是燃料组合，而是它的发动机工作循环。上一章我们已提到，应用分级燃烧循环的发动机，可以将所有燃料和氧化剂都转化为推力，但其预燃烧室和涡轮泵功率依然会受到各种限制。

  比如，怎么样才可以提高涡轮泵功率的同时，还能保持涡轮工作的温度呢？既然温度不能提高，那就提高流量。那涡轮流量提升的极限又在哪儿呢？最高只能是全部燃料和氧化剂都经过预燃烧室和涡轮，换句话说——全流量燃烧。

  2016年9月25日，猛禽火箭发动机在德克萨斯州McGregor测试场首次测试点火

  原先的分级燃烧循环只有一个预燃室、一个涡轮，而猛禽发动机的循环有两个预燃烧室和两个涡轮，一侧是贫油燃烧，再推一个涡轮带动燃料泵；另一侧则是富油燃烧推动另一个涡轮带动液氧泵。最终，这两个涡轮的排气再在主燃烧室会合，参与最后的燃烧，并从喷管喷出形成推力，这样燃烧室压力就可达到惊人的 300 倍大气压。

  这就是全流量分级燃烧循环（Full flow staged combustion，FFSC）技术，能够说是液体火箭的最终形态、液体火箭发动机技术里的王者了。既然它的原理这么简单，那为什么没有被装在整个世界所有的火箭上呢？答案依然是结构较为复杂和燃烧稳定性的问题。

  有了全流量燃烧，就能让燃气温度保持很低，改善涡轮工作环境，同时还能保证涡轮泵功率。然而，由于预燃烧室过于富油（或贫油），而且温度低，两侧预燃烧室的燃烧稳定性都很差，火焰很难长时间稳定燃烧，也难以让发动机在额定工况下长期稳定地工作。燃烧不稳定性正是火箭发动机的大敌。以马斯克的执行力和SpaceX 的工程速度，还是搞了这么久，甚至大改过几次参数，可见这种发动机有多么难以降伏。由于SpaceX 是私企，因此马斯克没过多透露过猛禽项目中的困难，但能想象工程师们遇到了多少设计和制造困难（据我个人猜测，难点主要在于它特殊的预燃烧室和涡轮泵）。

  如今，猛禽发动机已经经过了多次测试，成果喜人。而装备了猛禽发动机的星舰原型机同样经历了多轮测试，结果也符合预期。人类登陆甚至移民火星仿佛已不再遥不可及。NASA 方面曾表示，第一个在火星上行走的人很可能是一名女性宇航员。NASA也已设定了到 2033 年在火星上建立移民点的目标。