“重型猎鹰”火箭难举美国航天梦

这几天美国媒体的视线聚集在肯尼迪航天中心的39A发射工位上，矗立在这里的SpaceX的“重型猎鹰”超级重型运载火箭把首飞的零时定在了美国东部时间2月6号1:30PM。肯尼迪中心的39A发射工位是个有着许多故事的地方，阿波罗计划载人登月的所有土星五号全部在这里发射升空，这里曾是美国梦升起的地方。SpaceX选择这里作为他的“重型猎鹰”的处女航意味深远。

“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。

“前车之覆，后车之鉴。”苏联N1血的教训SpaceX不会不知道，只是实在也没有什么其它办法，“没有金刚钻，硬揽瓷器活。”SpaceX造不出大推力火箭引擎，手里只有推力100吨都不足的“梅林-1D”引擎。为提高总推力只能捆绑27枚“梅林-1D”引擎来凑数。

梱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，同样道理梱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？

梱绑大量引擎会使火箭效率降低。因为每只引擎都有许多的另部件，捆绑许多的引擎必然是大量另部件的重复堆砌，火箭自重必然增加从而导致推重比下降，降低了火箭的工作效率。

另外，并联工作的引擎数量越多，引擎发生故障的概率就越大，运载火箭飞行中，一旦出现单台或者多台引擎故障，就会面临推力不足或推力不平衡等问题，有可能导致任务失败。吸取苏联N1火箭的教训，航天界有一个不成文的规则：火箭第一级加助推级的引擎总数不能太多，最好不超过10台。以中国长征系列火箭为例，长征2E/F、长征3B都是8台发动机，而长征5号则是10台，逼近安全上限了。事实上，目前世界各国研制的各型火箭大致都遵守这个潜规则，只有SpaceX的重型猎鹰火箭反其道而行之。

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煙消云散后，美国航天界是刀槍入库、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。

2011年，这位SpaceX首席执行官马斯克首次在华盛顿特区的国家新闻俱乐部郑重宣布：他们的重型猎鹰能提供更多有效载荷和更高逃逸速度，这是一枚土星V型退役以来世界上从未有过的超级重型火箭。有道是"世无英雄,遂使竖子成名。”

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。

重型猎鹰制造计划一波三折、几经磨难，今天终于走上了发射台整装待发，应该说也还是非常不容易。但是仔细分析一下这枚所谓的超重型火箭的各项性能指标，不得不让人扼腕叹息。

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。

正如马斯克自己所说：“火箭引擎是目前SpaceX所面临的最大短板。”运载火箭与飞机汽车一样，引擎是它的核心技术。为了把更重的载荷送到更高更远的地方，火箭不仅需要最好的引擎，而且一枚多级火箭需要不同类型的引擎。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。

表三数据显示，SpaceX的梅林-1D引擎推力不足，比冲低下，在液氧煤油引擎排名单中是填底的。究其原因，主要是没有核心技术，缺乏技术积累。梅林-1D釆用燃气发生器而不是中国、俄罗斯的高压补燃循环引擎，燃烧室压力太低，必然导致推力不足和效率低下。基于梅林-1D引擎的数据，重型猎鹰火箭公布的载荷能力是值得怀疑的，唯一的解释可能是把将来会使用推进剂交叉输送技术（Cross-Feeding）的因素作了预估。从目前可靠的综合性能分析，中国的长征五号要优于重型猎鹰。

尺有所短、寸有所长，当然SpaceX的火箭技术也有其独特的优势。主要优点可归纳为以下几点：

1）火箭在结构上有创新，

又大量使用新型轻质材料，大大減少了火箭的自重。所以尽管引擎不太给力，重型猎鹰的最终送入轨道的载荷仍有不俗的表现。

2）SpaceX只有一种型号的引擎，研制开发的资源可以集中，也便于大规模量产提高生产效率，后期的使用维护成本也可大幅降低。SpaceX一年可以生产400台梅林引擎。在这一点上，应该为其点赞。

3）SpaceX具有火箭第一级的发射回收技术，再加上引擎大规模量产，大大降低了运箭火箭的生产和发射成本。

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。当初土星五号化费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，隨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。

本文首发于观察者网 2018年2月6日