新設(shè)計的星艦和未來月球基地的概念圖 | SpaceX
9月28日，對SpaceX公司和埃隆·馬斯克（Elon Musk）來說，都是具有歷史性意義的一天。
11年前的這一天，SpaceX的獵鷹1號第4次發(fā)射終于首次成功入軌，不僅標(biāo)志著私營商業(yè)公司越過了航天發(fā)射的門檻，也讓瀕臨破產(chǎn)的SpaceX起死回生；11年后的這一天，馬斯克在美國得克薩斯州小村博卡奇卡召開發(fā)布會，背后的星艦原型機(jī)讓他的太空殖民計劃無比接近現(xiàn)實。
按照馬斯克的時間表，星艦將比NASA官方研制的SLS火箭更早入軌，月球、火星和更遙遠(yuǎn)天體的探索，星艦將后發(fā)而先至。
組裝完成的星艦Mk1（左）和11年前SpaceX首次入軌的同款獵鷹1號火箭（右）。注意，這可是實拍的照片 | Space
星艦的由來
馬斯克一直有著火星殖民的夢想，他創(chuàng)立SpaceX公司志在圓夢。雖然公司發(fā)展相當(dāng)成功，在國際商業(yè)航天發(fā)射市場上占據(jù)了大半江山，但他從未忘記火星才是終極目標(biāo)。
2016年墨西哥瓜達(dá)拉哈拉舉辦的國際宇航大會上，他公布了行星際運輸系統(tǒng)（ITS）的概念——這將是一種起飛重量高達(dá)一萬噸級的超級火箭，如果成功的話，將使火星甚至更遠(yuǎn)的行星際殖民成為可能！
2016年的ITS，只是一個初步想法。到了2017年的國際宇航大會上，火箭改名為大獵鷹（BFR）火箭，高度直徑體積和重量都大幅度降低，方案更為現(xiàn)實化。
從2016的ITS到2017的BFR，設(shè)計方案變得更加現(xiàn)實了 | Everyday Astronaut
2018年9月，馬斯克舉辦發(fā)布會，宣布日本富商前澤友作將付款乘坐BFR進(jìn)行環(huán)月飛行。此時的BFR火箭又有了巨大的變化，馬斯克當(dāng)時表示這是最終設(shè)計方案。不過，馬斯克的預(yù)言和時間表一向不算數(shù)。
不久后，飛船設(shè)計又一次經(jīng)歷了不小的改進(jìn)——原本打算用碳纖維復(fù)合材料來制造的垂直起降測試飛行器星蟲（Starhopper），改用301不銹鋼來制造，而軌道發(fā)射系統(tǒng)也正式改名為星艦（Starship）。
2019年7月26日，星蟲試驗飛行器進(jìn)行了150米高度垂直起落試飛，這也是星蟲的最后一次試飛。馬斯克當(dāng)時表示不久后將召開發(fā)布會，公布星艦的最新動向。
垂直起降測試飛行器星蟲，完成了150米高度的飛行試驗 | Space
這便是9月28日，博卡奇卡發(fā)布會的由來。
星艦的最新動向
在這場發(fā)布會上，馬斯克透露了星艦運輸系統(tǒng)的最新設(shè)計方案。
星艦運輸系統(tǒng)將分為兩個部分：起飛級超重（SuperHeavy）和上面級星艦（Starship）。星艦Mk1已在博卡奇卡建成，Mk2則在美國佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角附近的另一處工地建造，它們都是第一階段的試驗飛行器。這些早期的原型星艦將用于中高空亞軌道飛行，隨后SpaceX還將建造Mk3、Mk4和Mk5，其中一些將用于發(fā)射入軌！
根據(jù)發(fā)布會上的最新消息，上面級星艦長度約50米，直徑9米。它只有兩個大型控制翼面和兩個較小的控制前翼，外形上進(jìn)一步向傳統(tǒng)空天飛行器靠攏，再入大氣層的方式也更接近航天飛機(jī)，而不是早期的ITS/BFR系統(tǒng)。
星艦上面級的最新設(shè)計方案 | SpaceX
上面級星艦可以攜帶1200噸的液氧甲烷推進(jìn)劑，雖然馬斯克的幻燈片上還寫著干重85噸，不過他很快口頭糾正了這個錯誤，表示85噸空重只是他的期望值?，F(xiàn)在的星艦原型，空重接近200噸，未來將減重到120噸。
馬斯克提到了星艦的性能指標(biāo)：星艦系統(tǒng)的超重助推器有6條著陸腿，加上著陸腿內(nèi)的猛禽發(fā)動機(jī)，超重助推器將裝有最多37臺猛禽發(fā)動機(jī)，起飛推力約7500噸！整個星艦系統(tǒng)起飛重量約5000噸，這將是人類有史以來最大的航天運載器。
超重助推器的最新設(shè)計方案，請注意尾部的37臺猛禽發(fā)動機(jī) | SpaceX
二級完全重復(fù)使用的星艦，將具備將150噸重的載荷送入地球軌道的能力，而下行貨運能力為50噸。這意味著，之前有人開玩笑說，星艦?zāi)馨压臻g望遠(yuǎn)鏡抓回地球來，可能真不是開玩笑的！
他還進(jìn)一步指出，最早的星艦運力只有約100噸，隨后會努力提高到150噸。毋庸置疑，星艦系統(tǒng)在未來要實現(xiàn)這樣的性能躍升，不僅需要SpaceX的工程師付出艱苦卓絕的努力，從時間上看也還是很遙遠(yuǎn)的事情。
在星艦進(jìn)一步減重之前，馬斯克提過的30噸GTO軌道運力指標(biāo)，現(xiàn)在的星艦仍力不從心。好在現(xiàn)在也沒什么30噸的大型靜地軌道衛(wèi)星要發(fā)射，早期的星艦用于發(fā)射6、7噸重的靜地軌道衛(wèi)星完全不成問題。
至于更遙遠(yuǎn)的月球和火星發(fā)射，就要使用太空加注燃料的技術(shù)了。馬斯克表示，星艦對接要比現(xiàn)在龍飛船對接國際空間站更簡單，不過超大規(guī)模的超低溫推進(jìn)劑在軌轉(zhuǎn)移，難度可不小，還是不得不為老馬捏一把汗。
前往月球和火星的話，星艦需要在軌道上加注燃料 | SpaceX
不銹鋼箭
馬斯克還再次解釋了舉世矚目的不銹鋼結(jié)構(gòu)問題。
星蟲、試驗版星艦和軌道發(fā)射的星艦，都使用301不銹鋼制造。按照常識，鋼要比鋁合金重得多，更不要說跟碳纖維材料相比了。不過，按照馬斯克的說法，使用密度更大的不銹鋼來制造星艦，反倒能夠減輕結(jié)構(gòu)重量。
星艦Mk1通體用不銹鋼打造，在陽光下顯得亮晶晶的 | Austin Barnard
馬斯克在發(fā)布會上解釋了原因。
首先，低溫下不銹鋼的強度會提高到原來的幾乎兩倍，緩解了不銹鋼密度大的問題。
其次，星艦的熱防護(hù)方式回歸到了航天飛機(jī)式的防熱瓦設(shè)計，只不過采用的是新一代的TOFROC防熱材料。不銹鋼熔點約1500度，要比鋁合金約400度高得多。這樣一來，星艦的背風(fēng)面甚至無需專門的防熱處理，而在迎風(fēng)面，由于不銹鋼熔點高，也可以使用更薄的防熱瓦。相比之下，整個星艦的結(jié)構(gòu)反倒比使用鋁合金更為輕便。
此外，不銹鋼材料每噸才2500美元，而碳纖維每噸高達(dá)13萬美元，約50倍的采購成本差距意味著，使用不銹鋼造星艦，可以大大節(jié)省制造成本。
最后，不銹鋼材料易于焊接加工，而獵鷹9號使用的鋁鋰合金或是更先進(jìn)的碳纖維就太嬌貴了。它們強度的確很高，可萬一壞在了火星上，你要怎么修它呢？火星開拓階段使用這些嬌貴的材料，實在不太現(xiàn)實。
星艦上面級的熱防護(hù)，回歸到了航天飛機(jī)式的防熱瓦設(shè)計 | SpaceX
馬斯克的瘋狂節(jié)點
星艦系統(tǒng)作為SpaceX公司研制的、人類歷史上最強大的航天運載器系統(tǒng)，其先進(jìn)性、規(guī)模和復(fù)雜程度都是空前的。按照常理，這樣的大項目不僅花錢多，更是要認(rèn)真研討、扎實預(yù)研和長期研制，才能保證項目的圓滿成功，但這一傳統(tǒng)思路受到了馬斯克的挑戰(zhàn)。
馬斯克的星艦研制大計，如果從2016年的ITS算起，那設(shè)計真可謂朝令夕改，讓人看得眼花繚亂了——光是名字就換了好幾次，規(guī)模和方案也都屢屢推倒重來。如果說傳統(tǒng)火箭開發(fā)是瀑布開發(fā)模式，那么星艦的研制已經(jīng)使用快速迭代開發(fā)模式了。星艦研制起步階段，并沒有高瞻遠(yuǎn)矚一覽無余的頂層設(shè)計，而是輕松上陣先實現(xiàn)部分功能，快速迭代試錯逐步完善星艦的設(shè)計方案和工程實現(xiàn)。
舉例來說。直到2018年10月，也就是為前澤友作環(huán)月飛行的發(fā)布會開完、馬斯克金口玉言設(shè)計凍結(jié)之后，星艦系統(tǒng)才確定改用不銹鋼材料。臨陣推翻設(shè)計改用全新材料，這在傳統(tǒng)火箭研制中是從未有過的瘋狂舉動。
星艦系統(tǒng)的大小對比圖，從左往右分別是：人、星蟲試驗機(jī)、千年隼號飛船（咦？?。?、星艦Mk1和星艦發(fā)射系統(tǒng) | SpaceX
馬斯克毫不諱言星艦快速迭代的研制模式，以及他對研制進(jìn)度的追求。在博卡奇卡發(fā)布會上，他明確表示：“如果時間表太長遠(yuǎn)，那一定錯了；如果（時間表）很緊，那就對了?！睋Q句話說，他認(rèn)為妄談長遠(yuǎn)大計只是閉門造車。星艦的研制也有效貫徹了這一方針，其研制進(jìn)度時間表讓人瞋目結(jié)舌！
星艦Mk1和Mk2使用鋼板拼接而成，將在未來1到2個月內(nèi)進(jìn)行20公里高度的試飛。星艦Mk3將在1個月后開始制造，使用卷制鋼環(huán)作為箭體，這樣無需將鋼板焊接為鋼環(huán)，制造箭體時只需要在一圈圈鋼環(huán)之間進(jìn)行單縫焊接，不僅箭體將更薄更輕，而且將極大地提高制造速度。馬斯克表示，Mk3號星艦將在3個月內(nèi)造出來，Mk4和Mk5需要4個月。他希望在半年內(nèi)能夠使用Mk4或Mk5號星艦實現(xiàn)發(fā)射入軌！
你沒看錯，在馬斯克的時間線里，半年內(nèi)星艦就將進(jìn)行首次軌道飛行！
2019年版星艦飛船的發(fā)射模擬動畫 | SpaceX
馬斯克時間表一貫不靠譜，比如星蟲首飛和150米高度懸停飛行，都推遲了一兩個月才得以進(jìn)行。但是，對于馬斯克的這個瘋狂計劃，即使馬斯克時間×2，也是極為了不起的成就。
如果這種起飛重量5000噸、起飛推力是土星五號火箭兩倍多的星艦系統(tǒng)，真的能夠在2020年發(fā)射入軌，它將成為土星五號火箭1973年退役后，美國第二種百噸級運力的空間運輸系統(tǒng)。
對比下，已經(jīng)花了180億美元，2020財年預(yù)算還要再花25.86億美元的SLS火箭，即使波音號稱加班加點趕進(jìn)度，2020年底能不能發(fā)射仍然是未知數(shù)，幾乎所有傳聞都指向SLS火箭2021年才能首飛。
如果星艦在2020年首飛成功的話，波音不知道還有什么臉面繼續(xù)研制SLS火箭。
大航天時代
這次發(fā)布會的前一天，即9月27日，NASA局長吉姆?布里登斯廷（Jim Bridenstine）推特發(fā)文含蓄表示了不滿。他認(rèn)為，SpaceX高調(diào)研制星艦有些不務(wù)正業(yè)。SpaceX拿到了NASA的合同研制載人龍飛船，結(jié)果進(jìn)度推遲好幾年了，他敦促SpaceX公司拿了納稅人的錢，要好好干活，趕緊交工。
NASA局長對SpaceX高調(diào)研制星艦的表態(tài) | 推特截圖
布里登斯廷的表態(tài)，得到了大家的踴躍吐槽。哈佛大學(xué)教授麥克道爾的吐槽就很有代表性。他指出，擔(dān)憂SpaceX最好的工程師去搞星艦而不是載人龍，是可以理解的。換句話說，研制載人龍飛船缺乏挑戰(zhàn)性和工作激情，給你干活慢是因為你太low。
作為第三方的麥克道爾可以百無禁忌，作為當(dāng)事人的馬斯克在發(fā)布會上還是做了解釋。他表示SpaceX公司大部分資源投入在獵鷹火箭和龍飛船上，星艦只投入了大約5%，并沒有因私忘公。
網(wǎng)友吐槽，局長大人是不是忘了NASA自家研制的SLS大火箭了？
事實上，作為航天愛好者，我覺得哪怕SpaceX公司為星艦投入更多資源，也是理所應(yīng)當(dāng)?shù)摹k1和Mk2號只是第一批原型，后續(xù)隨著箭體制造工藝的改進(jìn)，從Mk3開始，星艦的制造速度會顯著加快。這時候，猛禽發(fā)動機(jī)的產(chǎn)能就成了關(guān)鍵制約性因素，不投入資源解決能行么？
Mk1和Mk2都只有3臺猛禽發(fā)動機(jī)，Mk3開始將增加到6臺發(fā)動機(jī)。而現(xiàn)在猛禽發(fā)動機(jī)產(chǎn)能是8到10天一臺，光是準(zhǔn)備Mk3和Mk4的12臺發(fā)動機(jī)就需要三四個月。至于第一級的超重助推器，少則24臺發(fā)動機(jī)，也可能是31臺發(fā)動機(jī)，最多可以裝37臺發(fā)動機(jī)。光是一枚第一級的發(fā)動機(jī)，就需要造多久？
好消息是，馬斯克表示，明年第一季度猛禽發(fā)動機(jī)有望實現(xiàn)日產(chǎn)一臺的產(chǎn)能，發(fā)動機(jī)產(chǎn)能瓶頸的解決，將為星艦的生產(chǎn)鋪平道路。
按照現(xiàn)在的設(shè)計，星艦底部將安裝6臺猛禽火箭發(fā)動機(jī) | SpaceX
馬斯克表示，由于無需制造新的超重一級和星艦二級，理論上超重助推器每天可以發(fā)射20次，星艦也可以飛4次，也就是說每天能進(jìn)行至少3次發(fā)射。
完全可重復(fù)使用的星艦，帶來的發(fā)射運力是前所未有的。每天3次發(fā)射意味著每年1000次發(fā)射，即每年能向地球軌道上運送15萬噸物資。考慮到現(xiàn)在全世界每年入軌質(zhì)量不過是2、300噸，星艦理論上帶來的發(fā)射能力太驚人了。
屆時布里登斯廷局長也不用煩心美國人上太空的問題了，甚至月球門戶站也可以用星艦整體運過去，月球著陸器和月球基地同樣簡單廉價水到渠成。
星艦和未來人類火星殖民地的概念圖 | SpaceX
當(dāng)然，馬斯克鼓吹的這串?dāng)?shù)據(jù)只是最理想的理論推算，現(xiàn)實世界暫時找不到那么多需要發(fā)射入軌的載荷物資，但星艦無比強大的發(fā)射能力帶來了無限的暢想空間。
如果星艦?zāi)茉谖磥頂?shù)年內(nèi)成為現(xiàn)實，并初步驗證它的復(fù)用能力，無論是進(jìn)行近地軌道工業(yè)化，還是建立月球前進(jìn)基地，開始建設(shè)火星殖民地，乃至于更遙遠(yuǎn)的深空探索，都不再是遙不可及的夢想。
星艦的最終目標(biāo)，是要載100人展開長期的星際航行 | SpaceX
馬斯克還在發(fā)布會上展示了月球基地，火星殖民地以及星艦飛近土星光環(huán)的畫面，期待這些場景能在我們有生之年里成為現(xiàn)實！
作者：Lsquirrel
編輯：Steed
果殼
果殼整天都在科普些啥??！
嚇得我二維碼都歪了！
為啥這樣的二維碼也能掃？
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