文/吕默默

近期，发生了一件在整个人类航天史上都足以称奇的事件：一枚试验中的火箭携带着宇宙飞船，在第一次发射过程中发生了故障，刚一点火就有几台发动机没点着，不过还是颤颤巍巍升空了，在飞行了几分钟后，最终失控爆炸，一头栽进大海之中。但无论是火箭点火不顺利时还是起飞姿势不稳定时，都能听到现场响起工作人员的欢呼声，并且这欢呼声一直持续到火箭失控栽入大海之后，甚至有人开始鼓掌，还开了香槟庆祝。

在航天领域，从来都是庆祝发射成功的，从没有见过一枚火箭发射失败，工作人员反而兴高采烈地举杯庆祝。就连制造这枚火箭的Space X公司的老板埃隆·马斯克，也在火箭发射失败后表示了祝贺。这样的结果一时让人大跌眼镜，不明所以。

但如果你知道这枚叫作“星舰”的火箭对整个航天领域的意义，大概也会为这次发射失败鼓掌了。这是人类航天历史上载重量最大的火箭与飞船合体的首次发射，如果最终试验成功，也许会将人类太空旅游的费用减少到现在的1/1 000 1/200，从而彻底把人类拉进廉价航天阶段。

迄今为止最大载重量的火箭，加上低廉的运输成本，让大家对这次的发射测试非常关注。所以，研究人员定了一些“小目标”，比如只要火箭顺利点火，没有炸掉发射台，就是成功；能顺利起飞，并且持续飞行，就是大成功；第一级火箭顺利分离，飞船顺利点火，就是超级成功；飞船顺利进入轨道，则是史无前例的成功。

如此也就不难理解，为什么发射失败了，工作人员仍然开香槟庆祝。

不再昂贵的飞天梦

对现在的人类来说，飞向太空是个不大不小的梦想。不大是因为，只要你往上空飞行100千米，过了卡门线就算进入太空，而100千米不算多长的距离，汽车在高速路上行驶1个多小时就能抵达；不小是因为，在陆地上开车100千米很简单，烧不掉10升汽油，用不了2个小时，但想要摆脱地心引力，垂直上升100千米，就是非常难的事情了。

如果你在路边随意找100个路人，问他们如不考虑费用，想不想去太空旅行一趟，可能会有超过九成的人说愿意。既然这么多人想去太空，为什么太空旅行产业没发展起来呢？首先是因为火箭发射成功率虽然高，但是一旦发生危险，就是一个箭毁人亡的结果;其次则是贵，如果你想乘坐火箭去往太空，买船票需要2 000万 4 000万美元，也就是1.4亿 2.8亿元人民币。

卡门线示意图

如果Space X公司的星舰测试成功，最终可以载人或者运送货物进入太空，每千克的运送成本能降低到100美元，而传统火箭运送1千克的货物进入太空，则要花费20 000美元。如此算来，如果一个人的体重是70千克，不算太空服，只需要花7 000美元（约合5万元人民币），他就能被送入太空了，加上生命维持系统和系统性的训练，可能只需要不到50万元人民币就能去太空旅游一次了。在星舰发射成功并商业化的未来，去太空旅行的费用只是现在费用的1/1 000 1/200。

这还是运人去太空，需要生命维持系统，需要携带食物和水，飞船内的温度也必须严格控制，如果只运送一些货物，运输成本还可以降低。

航天次时代的开创者——星舰

要说到人类的飞天梦，可能要追溯到人类在非洲的祖先原始人类。在数百万年以前，原始人类在结束一天的采集狩猎、即将睡去时，一个不经意的抬头，看到满天的繁星，就可能对那里产生了浓厚的兴趣。所以说，对天空或者说太空的向往，可能早就刻在我们的基因里了。

人类一直在苦苦追寻着飞入太空的方法。直到19世纪末，一位叫齐奥尔科夫斯基的俄国人才提出了宇宙航行和火箭推力的各种理论。虽然这位在9岁就因病失去听力的科学家最终没能实现自己的设计，但是他的理论是对的：使用液氧和液氢做燃料的多级火箭可以到达太空。

从火箭学家罗伯特·戈达德建造的第一枚液体火箭开始，将近100年来，液体火箭仍然是火箭发射的主力，甚至连结构都几乎没有大的改变。而且，火箭自问世以来一直面临着一个巨大的矛盾：火箭必须携带大量的燃料，燃料燃烧后产生的推力最终把火箭推入太空，运送的货物越多，火箭就越重，就需要越多的燃料。碍于这个矛盾，火箭不太可能有太大的载重量，但我们建造空间站、月球基地和火星基地，对机械、仪器的运送量是巨大的，对食物和水的需求量更是如此。如何让火箭运送更大、更重的货物，如何让运费降低，就是火箭发射的主要命题了。

齐奥尔科夫斯基

星舰的两个重要优势几乎就是冲着这个主要命题来的，一个是特别设计的发动机，另一个则是火箭的重复回收利用。

火箭发动机的进步

星舰主要分成两部分：下边的火箭助推器部分叫作“super heavy”，翻译成中文就叫“超重”；上边可以装货物、飞船的部分叫作“star ship”，中文叫作“星舰”。为了方便记忆，人们把超重和星舰合在一起，统称为“星舰”。

戈达德和他的液体火箭

星舰的两部分结构

星舰在超重部分安装了3 3 台发动机

当火箭点火时，靠的是一级火箭或者助推器中安装的发动机燃烧燃料，喷出大量的火焰和气体，利用作用力与反作用力的原理升空。所以，发动机是否靠谱就成为火箭升空的最重要因素了。随着材料学和工程学的进步，星舰的发动机进行了多次重新设计和迭代，目前的发动机性能已经超过之前所有的火箭发动机。

星舰在超重部分安装了33台猛禽二代发动机，在星舰部分安装了6台，一共是39台发动机。每台发动机的推力大约有230吨，不算星舰部分的发动机，单是超重部分合起来就有7 590吨推力。这个推力够大吗？举个例子，在星舰建造之前，人类性能最高的火箭还是阿波罗登月计划使用的土星五号火箭，土星五号的推力足有3 400吨。经过简单的计算就能知道，星舰的推力是土星五号的两倍还多。

拥有这么大的推力，也就意味着可以将更重的货物或者宇宙飞船送进太空。如果不考虑返程，星舰一次能将大约300吨的飞船或者货物送进太空。而土星五号的运载能力是140吨，目前最强的SLS BLOCK1B火箭仅能将95吨的货物或飞船送进太空。

300吨重的飞船或货物是什么概念呢？一头雄性非洲象的体重是6吨左右，星舰则一次可以将50头大象送进太空。这样恐怖的推力是不是非常惊人了？

箭身材料与燃料的进步

要是论身材，星舰比自己的前辈们还要高那么一点儿。但要，论箭身的材料制造费用，星舰是相当便宜的。

我们应该都用过或者见过304内胆的保温杯，这样的杯子坚固耐用，价格也不高。假如使用这样的材料去做火箭箭身，成本是十分低廉的。304不锈钢，1千克成本才3美元，而建造现代主力火箭的碳纤维复合材料就不是那么便宜了。1千克碳纤维复合材料的成本是100美元，是304不锈钢的30多倍。而且，304不锈钢生产起来也简单得多。

发射架上的星舰

星舰火星基地概念图

除了箭身材料有了进步，星舰燃料的选择也有特别之处，它选择了液氧甲烷。

现在，火箭的燃料主要有4种，分别是固体燃料、四氧化二氮/联氨（胺）、液氧煤油和液氧液氮。其中，固体燃料发动机的制造是最简单的，虽然推力并不大，但是固体燃料相对容易保存，所以常用来做火箭的“兄弟”——导弹的燃料。而四氧化二氮/联氨（胺）点燃更方便，接触即燃，可常温贮存。但是由于这种燃料有剧毒且极其昂贵，所以使用越来越少了。液氧煤油是现在的第一性价比，但煤油的质量要求极高，因为它的燃烧容易积碳结焦，不利于发动机的回收利用。液氧液氢燃料也是当今火箭的主要燃料，液氧液氢燃烧生成的是水，非常环保，但缺点是这样的发动机研发起来难度太大，燃料储存难度也很大，因为液氢超级占地方，与液氧的温度差距大，还要做隔热。

星舰使用的燃料则是液氧甲烷。一方面，液氧甲烷不会像液氧煤油那样燃烧起来有积碳结焦，发动机容易清洁维护，便于重复回收利用；另一方面，液氧和甲烷的储存温度/沸点非常接近，储存难度远低于液氧和液氢，后者在火箭中的贮存是个极其棘手的问题。

火箭回收画面

同时，液氧甲烷发动机的建造难度相对较低，跟液氧煤油发动机结构相当，几乎可以沿用相关结构。而且，液氧甲烷是所有火箭燃料中成本最低的。

如果我们要探索火星，在抵达火星之后肯定要返回地球。在火星上制造液氢的代价是相当大的，但使用甲烷来做燃料，相对而言就简单很多，可以将火星上的二氧化碳与水结合形成甲烷。而且在太阳系各大行星上，找甲烷要比找液氢容易许多，在木星、土星、天王星和海王星上更是如此。

重复使用能大幅降低成本

人类的一个梦想就是将大量的人力和机械送上太空修建空间站，送上火星修建基地，最终移民火星。这就得造载重量更大的火箭，这就会造成超高的成本。比如，目前110米高的SLS火箭建造、发射一次就需要22亿美元。

其实，星舰的高度也有120米，按理说，成本也不会太便宜，但它的外壳和发动机能重复使用50次，平摊到每一次发射中就便宜很多了。所以，星舰价格便宜的重要原因之一就是可以重复使用，这是现在各国绝大多数火箭做不到的。

星舰现在已经可以批量化生产，甚至工厂每天都能造一台猛禽发动机。随着设计的进步，一台猛禽发动机的价格仅为200万美元，产生1千牛的推力也只需要花1 000美元，而航天飞机和SLS火箭用的RS-25发动机产生1千牛的推力需要花掉2.5万美元，贵了25倍。如今，更为先进的猛禽二代发动机又做了精简设计，质量减少了400千克，价格更是低到100万美元，推力达到了230吨，加上可以复用50次，每千牛推力成本只有8美元。

综上所述，推力大、易生产，关键还便宜，就是星舰的主要优点。所以，哪怕只是没炸掉发射台，哪怕只飞行几分钟就爆炸了，都会让人非常兴奋，因为这是全民航天的第一步，虽然只是一小步，但是有可能是人类航天的一大步。

星舰的未来职业规划

有了廉价的火箭，科学家就能做以前只能想但绝不可能实现的科学设计，例如天基太阳能。

在地面，太阳能发电受到阴天、下雨的影响比较严重，但天基太阳能不一样，在卫星轨道上根本不会受到天气的影响，加上隔空输电技术的发展，可以将大量的电能传回地球表面，可以做到比地球上的任何发电装置都环保。之前困扰科学家的是，发射这样多的太阳能板和隔空输电设施需要大量的火箭，成本要比产出大得多。但是有了星舰，这样的梦想不再遥远。

天基太阳能

同时，建造月球基地、火星基地，甚至发射大量装置去改造火星的设想，也都不再遥不可及。

所以，不仅是星舰在发动机、可回收技术上下了功夫，中国航天也在迎头赶上，可回收火箭技术已经有了一些成果。相信在不远的未来，属于中国自己的白菜价火箭也将问世，带着我们进入航天次时代。