文章來源：太空與網絡
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近日，美國SpaceX公司首席執行官馬斯克高調宣稱，“星艦”采取不回收模式，近地軌道運力有望達到300噸。那么“星艦”這個驚人的指標靠譜嗎？當前限制火箭運力的因素有哪些？未來火箭的運力可以有多大？
300噸并非天方夜譚
按照SpaceX公司的宣傳，“星艦”是為實現“殖民火星”“使人類成為多星球物種”等宏偉遠景而研制的重型航天運載工具，直徑9米，高約119米，起飛總重約5000噸，今年4月20日進行了首飛試驗，遺憾的是未能成功。
“星艦”點火起飛瞬間
當前，“星艦”兩級共使用39臺液氧甲烷發動機，起飛總推力約7600噸，不回收模式下近地軌道運力有望達到250噸，兩級回收重復使用模式下為150噸。馬斯克之所以自信滿滿地宣稱“星艦”近地軌道運力可達300噸，將指標一口氣提高20%，奧秘就在于發動機等火箭全系統改進升級。
對于SpaceX公司來說，將火箭運力提升20%以上，已有先例，從當前風頭正勁的獵鷹9火箭發展歷程中就可一窺究竟。獵鷹9火箭V1.0版本2010年首飛成功，近地軌道運力10.5噸，后來陸續推出了近地軌道運力13.1噸的V1.1版本和近地軌道運力17.95噸的V1.2版本，目前頻繁發射的Block5版本的近地軌道運力為22.8噸，而且仍在持續改進“挖潛”中。不難看出，其中每個版本相比上一個版本的運力提升均超過20%。
可以說，快速迭代、持續完善技術與產品是SpaceX公司的“套路”，頻繁發射的獵鷹9火箭尚且如此，更不必說仍處于研制階段“星艦”了。事實上，“星艦”始于2016年國際宇航大會上亮相的大獵鷹火箭，至今已經過7年10輪以上的方案迭代，其核心組成部分也在不斷改進升級。
以猛禽發動機為例，自2012年啟動研制至今，已發展至第三代，并于今年5月13日進行靜態點火測試，推力高達269噸，而“星艦”首飛使用的第二代猛禽發動機推力230噸。顯然，第三代猛禽發動機將有力支撐“星艦”運力提升。
馬斯克透露，基于第三代猛禽發動機，“星艦”第二級會加長10米，配備的真空版猛禽發動機由3臺增至6臺。屆時，加長版“星艦”的總高度將從目前119米增至129米，預計起飛總重超過6000噸。
計算可知，加長版“星艦”如果在起飛總重6000噸的情況下實現近地軌道運力300噸，運載效率高達5%。相比之下，美俄歐日多款主力火箭的運載效率在3.5%左右，獵鷹9火箭的運載效率為4.15%。
“星艦”的運載效率指標如此之高，最主要因素有兩點。一是采用了高性能液氧甲烷全流量補燃循環發動機，兼顧了比沖、重復使用、操作維護等多方面性能，真空比沖高達380秒，而且第二代猛禽發動機質量僅有1.6噸，推質比150。二是“星艦”通過共底貯箱等手段實現了輕質化設計，超重助推級結構系數約7%，而當前主流火箭子級結構系數普遍在10%左右。
戰勝“兩大攔路虎”
航天界將近地軌道運力20噸級的火箭稱為大型火箭，將運力超過100噸的火箭稱為重型火箭，要想實現運力大幅提升，均需突破大量關鍵技術。
據公開資料顯示，我國長征五號火箭突破了以大型液體火箭總體優化設計、大直徑箭體結構、120噸級高壓補燃液氧煤油發動機等12項重大關鍵技術為代表的247余項關鍵技術。
分析火箭運力跨越提升的難點，最主要的還是大推力高性能發動機、大直徑箭體結構這兩項，可謂是火箭運力提升的“兩大攔路虎”。
發動機是運載火箭的“心臟”，重要性不言而喻。一般在同等設計水平下，火箭運力越大，起飛總重越大，對發動機提供的起飛推力需求就越大。當前火箭子級想要實現大推力，主要有兩種途徑：
一是單臺發動機推力大，發動機臺數可以少一些，如土星5號火箭、能源號火箭及SLS火箭等。其中，美國登月火箭土星5號為了實現大運力，一子級采用5臺推力690噸的F1液氧煤油發動機。最初幾次發動機地面試驗中，F1發動機因燃燒不穩定而頻發爆炸，美國宇航局及洛克達因公司費了九牛二虎之力，通過改進噴注盤構型，解決了燃燒不穩定問題。
二是通過增加發動機臺數來實現整體推力增大。這雖然可以降低單臺發動機的研制難度，但多臺發動機可靠并聯使用又成為關鍵難點。蘇聯登月火箭N1的4次飛行試驗均告失敗，表明多臺發動機集成以及由此衍生的振動、燃料輸送、控制等問題不容忽視。好在技術總是不斷前進發展的，獵鷹系列火箭成功實現了多臺發動機并聯的工程應用。
箭體直徑是火箭的關鍵參數，決定了火箭長細比。從降低飛行載荷和火箭控制系統難度出發，火箭長細比應該盡量小，也就是大直徑箭體的表現更好。此外，大直徑箭體可以裝載更多推進劑，為火箭運力擴展提供了更大的空間。然而，箭體直徑增大將帶來尺寸效應（又稱體積效應，指金屬特性受幾何尺寸大小的影響），對于壓力更加敏感。
與此同時，火箭輕質化需求越發迫切。這對于厚度只有幾毫米的火箭貯箱、殼段等結構件的設計、材料、加工工藝都提出了極高的要求。我國長征五號火箭俗稱“胖五”，正是因為其突破了5米直徑箭體結構設計、制造與試驗技術，實現了我國火箭箭體直徑的跨越式發展。對于重型火箭而言，直徑往往從10米級起步，其制造設備與工藝、結構運輸與試驗都是更大的難題。
大航天時代“無邊界”
航天時代始于1957年10月，蘇聯發射了第一顆人造地球衛星。12年后，土星5火箭成功發射阿波羅11號飛船，人類足跡首次踏上外星球。然而，此后的50多年間，人類沒能再將足跡拓展到更遠。由于沒有任務需求牽引，土星5號重型火箭僅執行了13次發射任務就進入博物館，蘇聯能源號重型火箭同樣因形勢和任務變化而“折戟沉沙”。
蘇聯能源號重型火箭“壯志未酬”
21世紀初，隨著一系列宏偉航天計劃和工程需求的提出，重型火箭再次進入公眾視野。美國宇航局先后開展了戰神5號重型火箭和SLS重型火箭的研制，雖然前者遺憾“夭折”，后者的技術水平相比土星5號火箭并無顯著優勢，但新的任務需求為重型火箭的發展提供了新機遇。
之后，“星艦”不僅接過了進入工程階段的最大火箭“接力棒”，還為后來者提供了更多研發設計的前車之鑒。未來，新型材料、新概念動力、創新結構設計等都有望助力人類將更大更重的有效載荷投送到目標軌道。
最大的利好消息是，當前人類已經邁進了以巨型星座建設、大規模深空探測、1小時全球運輸為代表的大航天時代，開發與利用空間任務的規模不斷擴大，為重型火箭的應用提供了廣闊空間。無論是數以萬計的衛星部署計劃，還是更周密、更注重實效的月球、火星等深空任務，或者是1小時全球商業運輸任務等新概念物流暢想，都有望促使重型火箭加速發展。
不難想象，在大航天時代的多樣化需求牽引下，火箭起飛規模將越來越龐大，火箭運力將提升到前人感覺不可思議的水平，也許將是“無邊界”的。站在當下，我們無法精確地預言未來火箭究竟會有多大的運力，就如同幾百年前乘坐小木船漂洋過海的先人們不可能想到今天行駛在汪洋大海中的巍巍巨輪，不過重型火箭未來一定可以促進近地空間開發更完善，幫助人類飛向更遠。
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本文轉載自“中國航天報”，作者：吳勝寶，原標題《近地軌道投送300噸？火箭運力能有多大》，本文原載于《中國航天報·飛天科普周刊》6月3日一版。
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