四射四炸后，“星艦”為何仍中標(biāo)登月艙

文/ 田豐

▲ 中標(biāo)后太空探索技術(shù)公司公布的登月艙渲染圖

2021年4月17日，美國(guó)宇航局正式宣布美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）被選為美國(guó)“阿爾忒彌斯”登月計(jì)劃中“載人登陸系統(tǒng)”，也就是載人登月艙的唯一承包商。在此過(guò)程中，太空探索技術(shù)公司基于其正在研發(fā)的、完全可重復(fù)使用的火箭“星艦”，打造了一款專(zhuān)用于月球登陸的“星艦”改版“登月艙”。該方案最終出乎業(yè)界意料擊敗了由“藍(lán)色起源”+“洛克希德·馬丁”+“諾格創(chuàng)新系統(tǒng)公司”+“德雷珀”組成的全明星“國(guó)家隊(duì)”，以及Dynetics公司牽頭25家分包商組成的“小企業(yè)隊(duì)”，最終雀屏中選。這是一份價(jià)值28.9億美元的固定額度合同，按里程碑進(jìn)行階段性付款。此次合同范圍包括整個(gè)登月艙的第三階段研發(fā)資助，以及后續(xù)的一次無(wú)人和載人落月演示任務(wù)。

在任務(wù)架構(gòu)上，目前基于2024年執(zhí)行的阿爾忒彌斯-3任務(wù)規(guī)劃，美國(guó)宇航局的“太空發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）將發(fā)射獵戶(hù)座飛船前往月球，飛船搭載4名航天員。進(jìn)入環(huán)月軌道后，獵戶(hù)座飛船將與“星艦”在軌對(duì)接，其中2名航天員將轉(zhuǎn)移到“星艦”上，隨后“星艦”分離著陸月球表面。經(jīng)過(guò)大約一周的月面探索后，他們將登上“星艦”，返回環(huán)月軌道并與獵戶(hù)座飛船對(duì)接，最終全部航天員乘坐獵戶(hù)座飛船返回地球。

商業(yè)航天采購(gòu)模式的終極表演

此次招標(biāo)之所以備受矚目，不僅因?yàn)樵ǖ暮贤~度誘人，美國(guó)宇航局僅在投標(biāo)第二階段便豪擲9.7億美金支持研發(fā)，加之投標(biāo)方眾星云集，堪稱(chēng)美國(guó)航天界的“神仙打架”，既有“洛·馬”和“諾格創(chuàng)新系統(tǒng)公司”這種傳統(tǒng)軍工巨頭，也有太空探索技術(shù)公司和“藍(lán)色起源”這種業(yè)界新貴。更重要的是，這是近十年來(lái)美國(guó)商業(yè)航天采購(gòu)模式從近地軌道任務(wù)向旗艦級(jí)深空載人任務(wù)延伸的一次突破。

在傳統(tǒng)觀念中，載人登月項(xiàng)目應(yīng)該由美國(guó)宇航局統(tǒng)一管理和實(shí)施，而事實(shí)也的確如此。阿爾忒彌斯計(jì)劃四大重要組成部分中的兩個(gè)——獵戶(hù)座飛船和太空發(fā)射系統(tǒng)，即俗稱(chēng)的“一船一箭”均采用了類(lèi)似阿波羅時(shí)期的傳統(tǒng)采購(gòu)模式，美國(guó)宇航局一攬子負(fù)責(zé)任務(wù)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、經(jīng)費(fèi)并擁有航天器所有權(quán)，而“波音”和“洛·馬”等航天企業(yè)僅作為總承包商負(fù)責(zé)制造。但這種模式近年來(lái)弊端盡顯，“一船一箭”的經(jīng)費(fèi)超支和進(jìn)度拖延已讓美國(guó)宇航局騎虎難下，累計(jì)耗資已近350億美元。而另一方面，近年來(lái)美國(guó)宇航局主張的一系列商業(yè)航天采購(gòu)項(xiàng)目卻碩果累累，項(xiàng)目的進(jìn)度和經(jīng)費(fèi)都得到了合理控制，和“一船一箭”項(xiàng)目形成了鮮明對(duì)比。

美國(guó)宇航局的商業(yè)航天采購(gòu)始于2008年的“商業(yè)貨運(yùn)服務(wù)項(xiàng)目”，在項(xiàng)目中該局一改以往的“包辦船長(zhǎng)”角色，變身“付費(fèi)乘客”，只購(gòu)買(mǎi)國(guó)際空間站的貨運(yùn)服務(wù)，并不保有航天器和火箭所有權(quán)，不介入具體設(shè)計(jì)和制造。但為了控制安全、進(jìn)度和經(jīng)費(fèi)，設(shè)置了一系列“里程碑”，完成節(jié)點(diǎn)方可獲撥對(duì)應(yīng)合同款。最終太空探索技術(shù)公司及軌道科學(xué)技術(shù)公司（現(xiàn)已被“諾·格創(chuàng)新系統(tǒng)公司”收購(gòu)）兩家公司分別以16億和19億美元價(jià)格中標(biāo)，成功研發(fā)了貨運(yùn)龍飛船和天鵝座兩款飛船，以及“獵鷹9”和“心宿二”兩款運(yùn)載火箭，兩者互為備份并共同支撐了國(guó)際空間站的貨物上下行。

▲ 天鵝座貨運(yùn)飛船

▲ 貨運(yùn)龍飛船

隨后，美國(guó)宇航局提出了“商業(yè)載人航天項(xiàng)目”，該項(xiàng)目借鑒了“商業(yè)貨運(yùn)服務(wù)項(xiàng)目”的成功經(jīng)驗(yàn)，飛船所有權(quán)歸屬企業(yè)，中標(biāo)企業(yè)可以在滿(mǎn)足美國(guó)宇航局任務(wù)需求外執(zhí)行太空旅游等商業(yè)任務(wù)，借此激勵(lì)企業(yè)創(chuàng)新和自籌部分資金。最終美國(guó)宇航局僅耗資約82億美元，就獲得了“載人龍”和“星際線(xiàn)”兩款載人飛船，以及兩型配套的載人級(jí)運(yùn)載火箭。該項(xiàng)目與耗資150億美元卻仍未正式首飛的“獵戶(hù)座”形成鮮明對(duì)比。

▲ “載人龍”（左一）和“星際線(xiàn)”（左二）加一起都沒(méi)獵戶(hù)座（右一）貴

▲ 登月艙對(duì)接月球軌道平臺(tái)門(mén)戶(hù)渲染圖，圖中類(lèi)似“藍(lán)色起源”方案，可見(jiàn)登月艙尾部的轉(zhuǎn)移級(jí)

商業(yè)航天采購(gòu)模式在近地軌道的成功，鼓勵(lì)了美國(guó)宇航局將該模式向深空推進(jìn)。在隨后的“月球軌道平臺(tái)門(mén)戶(hù)”（LOP-G）項(xiàng)目上，該局繼續(xù)采用這種模式采購(gòu)其核心艙段。同樣經(jīng)兩輪篩選后，“麥克薩”憑借其在全電推進(jìn)通信衛(wèi)星領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)，成功中標(biāo)“推進(jìn)與電力艙段”（PPE）；諾·格創(chuàng)新系統(tǒng)公司則利用已有的天鵝座貨運(yùn)飛船中標(biāo)美國(guó)居住艙。至此，LOP-G的核心艙段全部發(fā)包完畢，基于商業(yè)航天模式利用了成熟技術(shù)，采用成熟的商業(yè)火箭發(fā)射，合同經(jīng)費(fèi)和進(jìn)度有望被合理控制。

作為重返月面的最后一塊重要拼圖，登月艙的招標(biāo)也順理成章延續(xù)了商業(yè)采購(gòu)模式。2019年9月，美國(guó)宇航局發(fā)布載人登陸系統(tǒng)采購(gòu)需求，采購(gòu)類(lèi)似前述項(xiàng)目，固定額度合同，根據(jù)里程碑完成情況撥款。需求提出擬在2024年執(zhí)行的阿爾忒彌斯-3任務(wù)上，進(jìn)行首次載人（無(wú)人）登月嘗試。該項(xiàng)目吸引了5家企業(yè)參與投標(biāo)。2020年4月，經(jīng)過(guò)初步評(píng)標(biāo)篩選，該局在5家中選擇3家進(jìn)入設(shè)計(jì)階段，首先由“藍(lán)色起源”牽頭的“國(guó)家隊(duì)”組合登月艙毫無(wú)懸念中標(biāo)，獲資5.8億美元；隨后是Dynetics的整體登月艙獲資2.5億美元，最后是太空探索技術(shù)公司基于“星艦”的登月艙方案，僅獲資1.35億美元。

▲ “藍(lán)色起源”綜合著陸器的渲染圖

五“仙”登月，各顯其能

在落榜企業(yè)中，“波音”最初投標(biāo)的登月艙類(lèi)似阿波羅登月艙，由上升級(jí)和下降級(jí)組成，需SLS的Block 1B改進(jìn)型火箭整體發(fā)射升空。“波音”的方案意圖順路搭售自家承制的SLS火箭，同時(shí)倒逼美國(guó)宇航局立項(xiàng)撥款SLS的Block 1B改型。考慮到SLS Block 1型單發(fā)成本已逼近20億美元，Block 1B耗資只多不少，所以該方案成本已超美國(guó)宇航局心理預(yù)期。然而投標(biāo)截止期前“波音”突然修改投標(biāo)方案，將整體式登月艙改為可由“火神”等商業(yè)火箭發(fā)射升空并在月球軌道對(duì)接的組合式登月艙。但標(biāo)書(shū)修改后不久，便被媒體曝光“波音”臨陣變卦是受到美國(guó)宇航局內(nèi)部人士泄密的“指導(dǎo)”，因此“波音”只得退出競(jìng)標(biāo)。

“國(guó)家隊(duì)登月艙”命名為“綜合著陸器”，由轉(zhuǎn)移級(jí)、下降級(jí)和上升級(jí)3部分組成，3個(gè)部分可分別通過(guò)“新格倫”和“火神”運(yùn)載火箭發(fā)射，并在環(huán)月軌道或月球軌道平臺(tái)門(mén)戶(hù)進(jìn)行組裝；也可以通過(guò)SLS整體發(fā)射。下降級(jí)源于“藍(lán)色起源”2019年5月公開(kāi)的的“藍(lán)月亮”項(xiàng)目，公司為該項(xiàng)目單獨(dú)研發(fā)了代號(hào)BE-7的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)推力40千牛，可深度節(jié)流（變推力），采用獨(dú)特的“雙膨脹燃燒循環(huán)”，還為此進(jìn)行了相關(guān)試車(chē)。上升級(jí)的動(dòng)力系統(tǒng)和乘員艙均由“洛·馬”負(fù)責(zé)，設(shè)計(jì)上盡可能與獵戶(hù)座飛船共用系統(tǒng)。轉(zhuǎn)移級(jí)則由諾格創(chuàng)新系統(tǒng)公司負(fù)責(zé)，同樣充分參考其在天鵝座貨運(yùn)飛船上的設(shè)計(jì)；德雷珀公司則負(fù)責(zé)航電系統(tǒng)的研發(fā)。“綜合著陸器”可以與“獵戶(hù)座”或月球軌道平臺(tái)門(mén)戶(hù)對(duì)接，并可長(zhǎng)期在軌以供遠(yuǎn)期重復(fù)使用。

Dynetics的“載人登陸系統(tǒng)”是一種單級(jí)登月艙，上升和下降階段采用同一套系統(tǒng)，但是引入了模塊化的可拋式推進(jìn)劑貯箱，既可以在上升階段拋掉部分貯箱以減重，也可以在月球軌道平臺(tái)門(mén)戶(hù)進(jìn)行模塊化補(bǔ)加。其優(yōu)勢(shì)在于乘員艙高度較低，航天員相對(duì)另兩家方案更易出入。規(guī)劃采用“聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟”的火神運(yùn)載火箭發(fā)射升空。

太空探索技術(shù)公司的登月艙與其他廠商的專(zhuān)研方案不同，其派生自公司正在自行研制的，代號(hào)“星艦”的兩級(jí)可完全重復(fù)使用重型火箭。星艦全箭采用公司自研的“猛禽”液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，貯箱主要采用不銹鋼，近地軌道運(yùn)力不低于100噸。而投標(biāo)所使用的登月艙實(shí)際上是星艦二級(jí)的登月專(zhuān)用改型，也被稱(chēng)為“星艦飛船”（Starship spacecraft，下文繼續(xù)簡(jiǎn)稱(chēng)“星艦”）。它高50米，直徑9米，干重約100噸（最終方案可能有所壓減），可加注約1200噸推進(jìn)劑。相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)“星艦”的二級(jí)，登月版“星艦”針對(duì)月球環(huán)境做出了優(yōu)化。目前具體設(shè)計(jì)尚未最終固化，但已有部分變動(dòng)公開(kāi)。首先，月球并無(wú)大氣層，因此所有氣動(dòng)翼面均被刪除，迎風(fēng)面大面積覆蓋的陶瓷基非燒蝕隔熱瓦也全部取消。其次，著陸腿考慮月壤和緩沖需求亦有修改。此外，考慮到月球的低重力和猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流能力有限，加之為減小發(fā)動(dòng)機(jī)尾流對(duì)著陸區(qū)影響，登月版星艦在上部增設(shè)著陸專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)。最后，還增設(shè)了航天員和貨物用電梯以及兩個(gè)獨(dú)立的氣閘艙。

▲ 2019年5月，發(fā)布會(huì)上的“藍(lán)月亮”計(jì)劃

最終投標(biāo)結(jié)果原定今年2月揭曉，不料項(xiàng)目中途遭遇“預(yù)算”危機(jī)，2021財(cái)年美國(guó)宇航局為“載人登陸系統(tǒng)”項(xiàng)目申請(qǐng)32億美元預(yù)算，但國(guó)會(huì)最終實(shí)批僅有8.5億美元經(jīng)費(fèi)。這些經(jīng)費(fèi)支撐一家企業(yè)研發(fā)都尚不充裕，更遑論實(shí)現(xiàn)以往招標(biāo)中三選二且互為備份的目的。因此開(kāi)標(biāo)前業(yè)界普遍預(yù)測(cè)實(shí)力強(qiáng)勁且方案相對(duì)成熟的“國(guó)家隊(duì)”將成為經(jīng)費(fèi)縮水后的唯一中標(biāo)方，但4月17日太空探索技術(shù)公司中標(biāo)的結(jié)果卻讓業(yè)界大跌眼鏡。

▲ Dynetics的登月艙渲染圖

燙手的合同，難拿的項(xiàng)目

太空探索技術(shù)公司中標(biāo)消息爆出后各方反應(yīng)不一。眾議院科技委員會(huì)主席瑪麗亞·坎特韋爾直接表態(tài)對(duì)美國(guó)宇航局的選擇表示失望，同時(shí)稱(chēng)該局不應(yīng)在新任局長(zhǎng)尚未任命的前提下宣布招標(biāo)結(jié)果，且強(qiáng)調(diào)載人登月級(jí)別的任務(wù)應(yīng)保有必要的備份。美國(guó)“深空探測(cè)聯(lián)盟”對(duì)美國(guó)宇航局宣布開(kāi)標(biāo)結(jié)果表示禮節(jié)性祝賀，卻只字未提中標(biāo)方。而兩家落標(biāo)方則對(duì)招標(biāo)公開(kāi)表示質(zhì)疑，并表示將進(jìn)行申訴。

▲ 4臺(tái)星艦原型機(jī)的“前炸后繼”，終于換來(lái)了合同

由于美國(guó)法律規(guī)定投標(biāo)申訴需在開(kāi)標(biāo)后30天內(nèi)進(jìn)行，4月26日，兩家在采購(gòu)申訴期壓線(xiàn)向“美國(guó)政府問(wèn)責(zé)辦公室”提交了長(zhǎng)達(dá)175頁(yè)的申訴申請(qǐng)。抗訴點(diǎn)在于認(rèn)為美國(guó)宇航局對(duì)方案的各個(gè)方面進(jìn)行了不當(dāng)評(píng)估，且沒(méi)有留給另外兩家適應(yīng)性修改報(bào)價(jià)和標(biāo)書(shū)的機(jī)會(huì)。4月30日，美國(guó)宇航局迫于壓力暫停合同執(zhí)行，直到“美國(guó)政府問(wèn)責(zé)辦公室”作出最終裁決。

雖然這份合同在各方勢(shì)力交錯(cuò)下一波三折，但“星艦”本身的研發(fā)卻仍在高歌猛進(jìn)。5月6日，星艦SN15原型機(jī)首次成功執(zhí)行10千米試飛，在兩臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的推動(dòng)下穩(wěn)穩(wěn)落地。據(jù)消息透露SN15的狀態(tài)良好，經(jīng)過(guò)修整評(píng)估后會(huì)繼續(xù)組織更多試飛。而瞄準(zhǔn)入軌發(fā)射的SN20號(hào)原型機(jī)也已經(jīng)在制造當(dāng)中，“星艦”一級(jí)的試制工作也在緊鑼密鼓地開(kāi)展，完全未受中標(biāo)風(fēng)波的影響。

美國(guó)的登月大戲真的是愈加精彩了。

▲ 平穩(wěn)著陸后的“星艦”SN15，后續(xù)還將重上藍(lán)天，為登月做技術(shù)儲(chǔ)備