馬斯克的執念：BFR和得州荒灘上的試驗機

文/田豐

▲2018年版BFR

太空探索技術公司（SpaceX）的“大獵鷹”火箭（Big Falcon Rocket，以下簡稱BFR）是一款非常奇怪的運載火箭，自2016年國際宇航大會上以壓軸演講形式首次公開至今，這款承載著公司創始人艾隆·馬斯克“火星殖民”夢想的重型運載火箭基本每隔幾個月就會進行一次公開的項目進度和設計更新，但是航天業界卻鮮有人認真地看待它。BFR既沒有正式的政府和軍方資助，也沒有衛星運營商的商業訂單，如果排除日本億萬富豪前澤友作發起的載人繞月項目，BFR就是一款由SpaceX公司“自掏腰包”且只存在于紙面上的“夢想”火箭。除了BFR配套的猛禽（Raptor）發動機斷續試車的消息外，沒有任何實物能證明這款設計指標激進的運載火箭正在真正地進行研發和制造。不過從2019年初開始，這個狀況有了改變。

露天焊鋼板，荒灘造火箭

2014年8月，SpaceX公司曾在得克薩斯州的博卡奇卡鎮（Boca Chica Village）海邊購得一塊場地，欲建成公司自有發射場。但隨著業務進展，公司已經放棄修建自建發射場，緩慢的基建進度使媒體幾乎遺忘了這個場地的存在。然而2018年底，馬斯克宣稱將推翻已有的BFR設計，將正在研發的BFR貯箱材料將由原設計的碳纖維復合材料更換成金屬（Metal），同時還將大幅加速項目進度，并且馬上就會有BFR火箭的二級——“星船”（StarShip）的亞軌道跳躍（懸停）測試機（Suborbital Hop Demo）實物照片公開。

翻天覆地的設計變更，不切實際的時間進度，使得業界對馬斯克這番對BFR表態的真實性心存疑慮。但僅僅過了兩周后，SpaceX公司在博卡奇卡鎮的場地上，一個形似水塔的巨大鋼制罐型容器在露天開始了拼裝焊接。更令人驚奇的是，施工活動周末不休，日夜趕工，而場地周邊只是荒草野灘，沒有封閉式廠房設施。但這個“水塔”其實就是馬斯克之前所說的星船跳躍（懸停）測試機，其貯箱直接由市售不銹鋼板在露天制造，不但施工環境簡陋，焊縫和成品也粗糙不堪，與人們印象中堪稱“大國重器”的重型運載火箭制造場景大相徑庭。星船測試機與最終用于軌道發射的BFR同樣為9米直徑，一二級貯箱均采用301不銹鋼板制成，但測試機高度會比正式星船的55米稍矮，約為40米。

▲星船測試機實物圖

▲“蚱蜢”

▲X-37B，圖中可見覆蓋的TUFROC防熱瓦

▲大小對比圖

星船測試機的作用其實應與當年“獵鷹9”的測試機“蚱蜢”（Grasshopper）如出一轍，即用于垂直起飛垂直降落（VTVL）測試。“獵鷹9”回收的成功并非一蹴而就，“蚱蜢”2012年9月首飛，在其后一年多的時間內共進行了8次懸停測試，為“獵鷹9”回收方案的成型和成熟奠定了堅實的基礎。“蚱蜢”僅僅安裝了一臺梅林1D發動機，且箭體頂部未設置格柵舵，完全依靠發動機的擺動機構和變推力能力來維持平衡；星船測試機與之類似，設計安裝有3臺代號“猛禽”的液氧甲烷發動機，未設計有格柵舵。依據SpaceX公司向美國聯邦航空管理局（FAA）遞交的測試方案，星船測試機的測試高度不超過5公里，時長不超過360秒。

如無意外，星船測試機的測試首先會是原地點火，維持推重比平衡前提下進行推力穩定測試，然后懸停在距地面數米高，懸停過程會測試猛禽發動機的實際振動特性、燃燒穩定性、變推力、擺動機構、GNC系統和控制算法等。然后逐步調整跳躍高度，漸次提高懸停高度和上升下降速率，還會擇機測試平移，為最終用于軌道發射的BFR積累經驗和數據。

BFR自曝光后三年來，運力指標和設計方案一改再改，定型似乎遙遙無期。但作為BFR提出以來的首個可飛行實物，星船測試機的誕生是一個重要里程碑，一方面代表SpaceX公司正在設法加速接近其最終設計，另一方面也可以從中管窺正式BFR火箭的全新設計和技術特性。

▲X-33試驗飛行器

▲全流量分級燃燒循環圖

碳纖維還是不銹鋼？這是個問題

星船測試機最大的變化是貯箱材料從碳纖維復合材料更換為不銹鋼，BFR本身亦然，其實不銹鋼貯箱并非什么“偉大創新”，為聯合發射聯盟（ULA）的宇宙神5火箭締造不敗神話的半人馬上面級（Centaur）使用的就是不銹鋼材質。雖然采用了密度3倍于鋁合金的301不銹鋼，但通過薄殼氣球和共底設計維持了高干質比，其氫箱頂部最薄處僅有0.25毫米。最難能可貴的是作為一款從1962年服役至今的高性能低溫上面級，“半人馬”在成熟后一直維持著極高的可靠性。但SpaceX公司聲稱BFR的不銹鋼結構與之不同，“半人馬”屬于氣球貯箱，需要時刻保持內壓，否則會發生結構破壞，但SpaceX公司所設計的不銹鋼貯箱在無內壓條件下仍舊可以保持外形。

為了追求極致的輕量化設計，BFR從2016年曝光伊始就宣稱將采用大直徑碳纖維復合材料共底貯箱，并與著名的碳纖維制造商東麗（Toray）簽訂了供貨意向。該設計直至2018年秋發布會都未曾改變。SpaceX公司在2016年還試制了12米直徑的碳纖維貯箱試驗件，并進行了破壞性耐壓試驗。再加上火箭實驗室公司同樣采用碳纖維貯箱的電子號運載火箭已經成功進行了3次發射，雖然兩者體量和技術要求相差甚大，但仍為碳纖維貯箱的應用提供了支撐。還有，碳纖維纏繞壓力容器（COPV）已經廣泛運用在了現役獵鷹火箭的貯箱增壓設計上，所以對于BFR所采用的碳纖維材質，雖然業界偶有質疑之聲，但并非主流。此次突然宣布更換貯箱材料，想必是研發中遇到了不可逾越的障礙，而這個障礙，就要從碳纖維本身說起了。

碳纖維本身高強度、低密度的優異特性吸引了汽車、航空、航天等行業競相使用，但并非完美無缺，而且應用在貯箱時還曾有過“黑歷史”。比如美國的X-33試驗飛行器，它是無人駕駛單級入軌可重復使用航天器“冒險星”（VentureStar）的縮比原型機。由于“X-33”的后繼機“冒險星”最終面向的是單級入軌，結合齊式公式，“X-33”采用了碳纖維復合材料貯箱以追求極致干質比，又采用了液氫液氧推進劑組合追求極致比沖。但問題就出在這個追求雙極致的過程中，1999年一次復材液氫貯箱泄露事故導致項目進度停滯，問題遲遲得不到解決，最終洛·馬公司的臭鼬工廠決定放棄復材貯箱，回退到傳統金屬貯箱，但仍然沒有逃脫項目下馬的命運，“X-33”于2001年徹底夭折。無獨有偶，SpaceX公司自己也曾經因為碳纖維和低溫液氧相容性問題遭受過“阿莫斯-6”爆炸事故的慘痛教訓。

▲火箭實驗室公司的碳纖維貯箱

▲不銹鋼貯箱瓜瓣正在焊接

反觀不銹鋼，首先半人馬座上面級的液氫貯存溫度低至零下253攝氏度，同時具備在軌長時間滑行和多次點火能力，滑行中貯箱壁外是無遮無擋的劇烈陽光，貯箱壁內則是距離絕對零度僅有23攝氏度的低溫液氫，稱之為冰火兩重天毫不為過，而這種結構仍然工作如常，足見其可靠性。其次是成本壓力，馬斯克稱其采用的碳纖維報價每千克135美元，同時考慮到35%的廢料率，實際成本接近每千克200美元，而不銹鋼每千克售價僅3美元。最后是不銹鋼的焊接和加工工藝高度成熟，而碳纖維則需用復雜的高強度樹脂浸漬來實現，因此不銹鋼的成本優勢相當可觀。但是不銹鋼也非完美，其高密度的缺點需要大量額外的減重設計來彌補，不可避免地導致運力進一步縮水。但除了這三條理由外，還有一個SpaceX公司不得不采用不銹鋼的原因——全新的主動防熱設計。

不銹鋼三明治和再生冷卻熱盾

BFR作為一款兩級可完全重復使用的運載火箭，其二級也就是星船需要再入大氣層返回地面，類比升力體+三角翼結構的航天飛機再入大氣層的情況，其機身迎風面溫度最高達1200攝氏度左右。傳統防熱系統主要采用燒蝕材料或者非燒蝕防熱瓦，若星船巨大的迎風面類似于采用非燒蝕防熱瓦的航天飛機，需要布置大面積防熱結構，隨之而來的加工、膠粘、維護工作耗時長、成本高，與預想中的廉價重復使用思路格格不入。所以SpaceX公司提出了全新的“再生冷卻熱防護系統”的概念。該系統原理類似于液體火箭發動機噴管的再生冷卻，是在貯箱迎風面采用雙層不銹鋼，中間設置有細密的流道，再入過程中貯箱內的低溫推進劑流過流道，帶走貯箱外表面熱量以保護星船，同時還起到了加固迎風面結構的作用，以抵抗再入過程中巨大的氣動阻力。不僅如此，SpaceX公司還引入了液體火箭發動機推力室的“發汗冷卻”思路，在迎風面貯箱外壁設置了細密的蒸發孔，從而輔助冷卻星船。根據這兩種冷卻方案的條件，星船原定使用的碳纖維只能無奈出局，不銹鋼進入了公司研發團隊的視野。

馬斯克在表述理由時首先說到不銹鋼的熔點遠高于鋁，雖然碳纖維也不會融化，但樹脂在特定溫度下會遭到破壞。典型的鋁合金或碳纖維，在穩定的工作條件下，其能承受的溫度在149攝氏度左右，一旦超過200攝氏度時，便有相當風險。而不銹鋼的工作溫度可以高達800攝氏度以上，此時強度仍沒有明顯弱化。而在貯存低溫推進劑時，通常的碳鋼在零下165攝氏度的低溫下會變脆，但鉻鎳含量較高的不銹鋼卻不會這樣，馬斯克表示此時強度反而有所增加，延展性仍然很高。因此不銹鋼為防熱系統提供了很高的設計裕量，由于工藝成熟，應用再生和發汗冷卻方案也更容易，因此決定換用不銹鋼。不僅如此，馬斯克還表示可能不會對箭體外表面進行涂裝，而是進行鏡面拋光，以達到最大的反射率，將再入過程中的輻射熱盡可能反射出去，這也是碳纖維難以做到的。

除此之外，在星船著陸腿和氣動翼面的某些部分，限于條件無法采用再生冷卻。所以BFR很可能在這些部分采用一種新型防熱材料。眾所周知，SpaceX公司現有的PICA-X防熱材料來自于美國宇航局的埃姆斯（Ames）研究中心，意為酚醛浸漬碳燒蝕體，是一種低燒蝕輕質防熱材料，每次再入后會產生一定減薄，可復用性并不十分理想。所以SpaceX公司與埃姆斯研究中心“再續前緣”，有意在BFR上采用新型TUFROC防熱材料，該材料曾用于美國空軍試驗航天器X-37B的翼面前緣。TUFROC是增韌型單片纖維增強抗氧化復合材料的簡稱，這種材料可在1650攝氏度高溫下保持結構穩定，密度低至0.35克/厘米3，且隔熱防熱一體化。它結合了碳帽、硅膠基和固化玻璃涂層，以防止氧化。近年來，波音公司通過“X-37B”在軌道速度再入后成功證明了TUFROC的重復使用性能，證實了這種材料能夠在經歷極少甚至沒有燒蝕的情況下幸存下來。SpaceX公司有意采用TUFROC其實還可能另一方面原因，就是TUFROC可直接貼敷在不銹鋼上，工藝上較碳纖維結構有所簡化。

▲星船測試機正在組裝中

神秘的“猛禽”，超高的室壓

和幾乎推倒重來的星船一樣，BFR的“御用”發動機“猛禽”也沒有停止更新的腳步，SpaceX公司表示猛禽發動機的設計也有修改，推力可能會有所上升，并有望于今年春季進行首次點火試車。改進后的“猛禽”維持了已有的“全流量分級燃燒循環”設計，實現了原有規劃中的推力室氣-氣燃燒，同時還將室壓推高到前所未有的30兆帕。有望成為第一款投入實用化的全流量分級燃燒循環發動機，一掃公司以往以“梅林”這款推力不足百噸的燃氣發生器循環發動機包打天下的形象。而新一代高室壓、全新循環方式、全新推進劑組合、高比沖、深度節流的“猛禽”如果最終成功，SpaceX公司將有望推翻“拼湊廉價發動機”的固有形象。

▲猛禽發動機試車圖

▲星船測試機安裝的3臺猛禽發動機模型

“猛禽”具有一個富氧一個富燃兩個預燃室，兩個預燃室燃燒生成的燃氣在推力室匯聚，進行相對穩定的氣-氣燃燒，其中富氧預燃室需要耐高溫高壓的特殊材料和涂層。SpaceX公司宣稱公司已經研發了一種代號SX500的高溫合金，可以在82.7兆帕的高壓力和富氧燃氣的沖刷下長時間正常工作，而且稱該型合金已經投入量產，可以批量用于后續迭代試驗。“猛禽”所瞄準的30兆帕推力室室壓在現役液發中罕逢敵手，SpaceX公司自家的梅林1D發動機還不到10兆帕，“藍色起源”同樣采用液氧甲烷推進劑組合的BE-4發動機才13.44兆帕，洛克達因的得意之作RS-25發動機為20.64兆帕，俄制RD-180也不過26.7兆帕，即使同樣采用全流量分級燃燒的RD-270也不過是26兆帕級別。總的說來，推力室高室壓是一把雙刃劍，負面效應上不僅會導致發動機結構增重，萬一出現發動機爆炸，類似獵鷹9火箭“八角網”結構的凱夫拉隔板很可能難以約束推力室高壓所噴射出來的飛射物，從而導致連鎖反應。

▲疑似采用雙鐘形噴管的發動機模型

從“猛禽”2016年9月第一次點火至今已經過去了3年，距離2011年作為“獵鷹9”上面級發動機進行小范圍研發開始已經7年，至今仍難說定型穩定，過程之坎坷，難度之高可見一斑。

寫下這些文字的時候，星船測試機還在得州的荒灘邊夜以繼日地組裝著，粗糙的外觀和簡陋的施工條件引來了無數熱議。這些戲謔和調侃言論大多抱著玩笑的心態和一絲希冀，希望它真的能成為人類第一款完全可重復使用的低成本運載火箭，也是邁向星辰大海的又一步。畢竟馬斯克的火星夢已經做了17年，終于到了圓夢的時刻了。BFR不僅是一款設計指標奇高的重型運載火箭，更是SpaceX公司一次孤注一擲的豪賭。

總而言之，這個帶著支腿的不銹鋼罐子，哪怕其何其簡陋，也畢竟是人類向航班化低成本航天發射的一次嘗試。究竟是會像某些資本加持的創新一樣喧囂過后一地雞毛最終淪為笑談，還是破繭成蝶終能一飛沖天翱翔寰宇，還請各位讀者耐心等待。