想弯道超车超重星舰？对不起，还真学不来

　　原创 铁腿阿童木 理念世界的影子
　　进入9月份，SpaceX公司主导的＂超重—星舰＂再次吸引的人们的眼球。首先，马斯克宣布＂超重—星舰＂组合的＂超重＂（Super Heavy）部分开始建造，并有望在两个月内进行低空测试。作为可重复使用的芯一级，其方案也几经变化，这次高调宣布开建，证明SpaceX这款重型运载火箭开始提速了。其次，星舰的原型机SN8已经生产完成，这是在SN5、SN6成功完成跳跃测试后，即将开始一个新的里程碑测试——挑战18kM的飞行测试。如果飞行能够顺利完成，那么前泽友作拿着他那张2018年的旧船票，就有望如期登上星舰这艘客船。
　　＂超重—星舰＂的概念最早是马斯克在2012年的一次演讲中提出，那时的名字还叫火星殖民运输系统MCT（Mars Colonial Transporter），当然那个时候Falcon9火箭连重复使用都没做到，人们很难对这个新鲜事物提起兴趣。到了2016年，在第68届国际宇航联大会（IAC）上，马斯克又将其更名为星际运输系统ITS（Interplanetary Transport System）。而到了2017年，也许是因为业内嘲讽的声音，马斯克略带情绪的又把名字改成了超重猎鹰火箭BFR（Big Falcon Rocket）。一年后，日本企业家前泽友作购买了首次绕月旅行的门票，BFR换成了现在这个雅致的名字超重—星舰（可简称＂重舰＂）。
　　重舰的方案几经变化，这样也符合SpaceX方案快速迭代的特点，同时也是Falcon系列运载火箭成功的经验。人们往往更关注于方案和参数，因此相关的介绍比较多，这里就不多做介绍了，而聚焦于其模式的创新。
　　重舰的任务执行模式不同于传统运载火箭以单一任务为目标，而是可以通过不同次数的在轨加注，实现运载能力的梯次变化，从而具备执行不同轨道任务的能力（下图是2017年SpaceX公布的时称ITS的加注次数与能力的示意图）。
　　图 在轨加注与运载水平提升
　　通过这种模式的创新，星舰把任务起始点，从地面放到了近地轨道。广泛采用在轨加注这一新技术，不同的任务对应不同的加注次数，星舰解决了不同任务需要研制专门运载火箭的问题。
　　新的一舰走天下，香吗？
　　香是香，可是马斯克要想圆上自己吹过的牛，还有很长的路要走。有些人存在这样的想法，马斯克就是赚噱头，先让他折腾，如果折腾不成就当个笑话，如果折腾成了，我们再＂弯道超车＂也不迟啊。然而并非所有的事情都可以＂弯道超车＂，SpaceX之所以敢这么干，必有它的独到之处，它的三大法宝：超轻的结构质量，极低的发射价格，和快速迭代技术。
　　首先是超轻的结构质量。从齐奥尔科夫斯基公式  ，在不考虑速度损失的情况下，火箭能够提供的速度增量与结构重量相关，M_I是火箭的总重，M_F火箭关机时刻的重量，如果我们把M_F/M_I定义为结构系数的话，这个值越小，运载火箭的效率越高，即相同起飞规模的情况下，运载能力越大。为了提高运载效率，人们又采用了多级火箭的概念，将消耗完推进剂的死重抛掉，从而轻装上阵，继续执行任务。这也是上世纪美苏登月竞赛，土星五号采用三级构型，N-1火箭采用五级构型的原因。而重舰就没有这个概念，超重火箭负责将星舰飞船送到近地轨道，剩下去哪儿执行任务都是星舰的事情了。
　　一级星舰走天下，仅仅靠在轨加注是不够的，还依赖超轻结构质量。以前泽友作这个载人环月项目为例，假设星舰加有效载荷的总重120t，为了简单，就从近地轨道出发进入环月轨道，再从环月轨道出发返回近地轨道。
　　从停泊轨道到最终进入环月轨道，两次变轨需用的总速度增量为3938.8m/s。返回时，从环月轨道加速逃逸进入转移轨道，最终近地制动被地球捕获进入近地停泊轨道。一来一回两次所需速度增量大致相同，总速度增量为2x3938.8=7877.6m/s。
　　根据齐式公式计算，按380s 的发动机比冲，两次变轨消耗的推进剂总质量为875吨。
　　以星舰1200吨的加注能力，容纳875吨推进剂不是问题。但超重(SuperHeavy)3400吨的加注量，按传统火箭土星五号0.04的运载系数，一次只能将约150吨组合体(星舰+推进剂)送至近地轨道。而星舰标称运力为150吨，据此保守估计超重的运载系数超出土星五号50%。即使这样，带875吨的货也要跑5、6趟长途，为节省成本，星舰和超重都必须在结构系数上大做文章。
　　可超重和星舰偏偏选了比强度不如铝合金的不锈钢，当然马斯克自己公布了很多原因，包括工艺、防热和成本。美国航天应用不锈钢材料已经有半个多世纪的经验，如美国半人马通用上面级以及正在研制的先进低温改进型上面级（ACES）。马斯克对目前不锈钢材料仍不满足，仍在追求更高的性能（关于国内外不锈钢材料现状，下次单独分析）。弯道超车？可是人家还在加速啊。
　　其次是极低的发射价格。即便是解决了超轻的结构质量问题，采用在轨加注的模式也存在着发射成本的问题。由于发射上去给轨道停泊的星舰1加注的星舰2还需要重复使用，马斯克说载人登月的任务模式需要加注2次。那么发射三次完成一次载人登月，就一定比＂阿波罗＂计划中土星五号发射一次合适吗？
　　当年＂阿波罗＂计划也考虑过两发火箭的任务模式，最终因为发射场工位、费用以及可靠性等因素，选择了一次登月的模式。而它面临的问题，重舰依然会遇到。但马斯克吹的这个牛为什么大家觉得不是那么离谱呢？因为SpaceX的Falcon系列运载火箭的研制经验，从2015年12月，Falcon 9火箭第一次成功实现垂直起降的陆地着陆，全面验证了垂直回收的关键技术；到2016年4月，第一次成功实现了海上平台的垂直着陆，垂直回收技术走向成熟；再到2017年3月，第一次成功实现回收模块的再次发射，Falcon 9一级的可重复使用实现；直到2020年8月18日，SpaceX使用一枚六手Falcon 9火箭完成发射任务，并成功实现回收，未来向重复使用10次发起冲击。
　　由于 SpaceX箭体模块能够重复使用6次已经成为现实，再加上液氧甲烷的价格也相对低廉，人们对重舰的这种模式也就没有那么多挑剔的目标。弯道超车？先把重复使用搞定吧，或者研究更为廉价的发射模式，反正从2015年到现在已经5年了，世界上还没有其他国家或公司实现芯级箭体模块的重复使用呢。
　　还有就是快速迭代技术。不同于传统系统工程强调前期充分全面的论证与设计，逐层对需求和设计进行细化，以降低后续技术风险和反复成本的理念。SpaceX在研制Falcon 9火箭、重舰过程中，都采用了基于方案快速迭代、原型机快速开发、关键技术高效验证的工程设计与试验验证理念，通过多次＂设计、开发、测试＂多周期迭代之后试验数据与经验的快速迭代与反馈，使得创新技术能够更加稳妥可靠的在型号飞行任务中使用，从而形成良性循环，实现整体技术水平最优、成本最低。
　　图 飞行器概念方案变化历程
　　SpaceX对自己的系统工程思维解读也提到，迭代的核心目的是为了获取经验，根据人类认知的规律，需求纵深的挖掘应该在迭代的过程中进行，也就是＂由需求层次驱动迭代＂。简单的说，就是刚开始更关注最上层、最关键需求，然后再关注下层的、次要的需求；关键需求实现后，再实现下层需求。避免出现只关注细节、不关注方向的情况，也就是我们常说的＂方向比细节更重要＂。
　　从2018年卖给前泽友作＂船票＂后，2019年7月，SpaceX就在德克萨斯州新建的博卡其卡试验基地开展了＂跳跃者＂号（Starhopper）的首次不系绳跳跃，飞行高度约20米，同时意味着全球首款全流量分级燃烧循环发动机猛禽的首次试飞。到了9月，SpaceX的目光从跳跃者转到了Mark（MK）系列，不但在博卡其卡制造MK1，同时还在佛罗里达州的肯尼迪航天中心制造MK2，二者齐头并进。然而2个月后SpaceX首次进行MK1的燃料舱加压测试时，MK1原型机在低温增压测试时破裂，前箱前底被炸飞。此次试验后MK1被认定为不适合飞行，由于MK2的工艺与MK1几乎相同，两者直接退役。SpaceX公司开始聚焦博卡奇卡基地，开展SN系列的生产和试验。然而出师不利，2020年2月28日，原型星舰SN1在开展加注液氮进行低温高压压力测试时发生爆炸。在SN2获得成功后，2020年4月3日，SN3在加注液氮进行低温压力测试时，由于排气阀在超低温加压时泄漏，贮箱压力不足导致舱体失稳崩溃，这是损毁的第三艘星舰原型机。2020年5月29日，SN4在进行第5次静态点火测试后约2min时发生爆炸。2020年6月15日，SpaceX公司对SN7进行压力测试，在对贮箱加压持续8个多小时后，贮箱出现了泄漏降压，最后压力0.76MPa，测试终止。一连串的挫折并没有阻挠马斯克前进的脚步，直到SN5和SN6跳跃测试的成功。
　　快速迭代的背后不仅仅是创新的思维，更是生产能力的比拼。如果SpaceX一个月就能制造一个原型机，当然可以马上进行试验，并且还能快速迭代进行改进，但如果生产能力只能保证一年才能出一个原型机，谁舍得用这个＂宝贝＂去做试验啊？万一做坏了可怎么办？下一个还要等一年。更不用提快速迭代改进了，改了我也生产不出来；或者就一次改好，要想再改就再等一年吧。弯道超车？还是先学怎么快速造车吧。
　　其实所谓＂三大法宝＂仁者见仁，智者见智，你说＂三大＂，他看就＂五大＂，但要想成功只靠＂法宝＂是不够的，这背后更重要的是实力。实力这个东西是扎扎实实的，来不得投机取巧；实力这个东西是深入人心的，夸大和诋毁都无济于事；实力这个东西是耗时费力的，该付出的辛苦都得经历。
　　马斯克除了梦想，更注重实力。Falcon重型已然做到了世界第一，但他还向着星舰的目标迈进，因为他知道只有9米直径的箭体才能迈进重型的门槛，他要拥有这个实力。他已经有了成熟的液氧煤油＂梅林＂发动机，却依然要研制全新的液氧甲烷＂猛禽＂发动机，因为他知道火星上有他要的推进剂，他要拥有这个实力。美国已经有了SLS太空发射系统，但他还要坚持研发自己的火箭，因为他知道未来大规模进入空间的意义，他要拥有这个实力。
　　想弯道超车＂超重-星舰＂？对不起，还真学不来，因为得先有那个实力。