通過環評，星箭發射終于獲得綠燈放行

文/田豐

▲ “星際基地”門口

在美國，要說最受關注的兩款火箭，那一定非美國宇航局的SLS 火箭和太空探索技術公司（SpaceX）的“星艦”莫屬了。兩款火箭目前都在進行首飛前的各項地面測試，但“星艦”除了大量的測試項目外，還有一項SLS 不存在的煩惱，就是其制造和發射所在地位于得克薩斯州博卡奇卡星際基地（Starbase），必須通過美國聯邦航空管理局（FAA）的環境影響評估。

2022 年6 月13 日，幾經推遲之后，美國聯邦航空管理局終于公布了太空探索技術公司在博卡奇卡的發射場環境評估結論，總體結論是“沒有重大環境影響”，太空探索技術公司可以從該地進行“星艦”的軌道發射。

幾經推遲，環評結果終于公布

“星艦”是太空探索技術公司正在研發的一款兩級可完全重復使用的重型火箭，全箭采用自研的猛禽液氧甲烷發動機，近地軌道運力不低于100 噸。其中，火箭芯二級被稱之為“星艦飛船”，火箭芯一級則稱為“超重型火箭”?！靶桥灐笔状握焦际窃?016 年的國際宇航大會壓軸演講上。但是自此之后的近3 年間，“星艦”的制造和發射地點卻一直游移不定，太空探索技術公司為照顧公司總部員工，早期曾計劃就近在加州港口購買一處廢棄廠房，以用于“星艦”的制造和總裝。但在2019 年1 月，太空探索技術公司宣布“星艦”進行重大設計變更，火箭貯箱放棄采用碳纖維，而是采用成本低廉的不銹鋼材料。同時也將“星艦”的最終總裝制造、測試和發射地點，選在美墨邊境旁，一個名叫博卡奇卡的小地方。這里原定是太空探索技術公司的獵鷹系列火箭的自建發射場，但多年來工程進展緩慢。隨著“星艦”“老家”的最終敲定，博卡奇卡村子荒涼的海灘邊逐漸出現了一些做工“粗糙”的大型不銹鋼壓力容器，各種測試和工程設備陸續運抵，各式生產和總裝廠房拔地而起，整個地區在接下來的3 年間發生了天翻地覆的變化。由于太空探索技術公司和“星艦”的到來，這片地區隨后被命名為星際基地。

隨著“星艦”研發的快速迭代，距離首飛似乎只有一步之遙，仿佛劃根火柴點燃火箭就可以奔向太空。然而事實并非如此，“星艦”的軌道試飛一直受到FAA 對當地環境影響評價的限制，無法按計劃進行。

此次通過環評，終于為“星箭”的首次軌道試飛亮了綠燈，但前提是必須完成75 項減少對環境和公眾影響的整改措施。

在這些整改措施中，首先考慮火箭射界和彈道對周邊人口稠密地區的飛越風險，還包括部分國家安全或外交政策問題，甚至還包括保險賠付的相關條款。其次，環評限制了太空探索技術公司部分設施的擴建計劃，如要求取消建設海水淡化廠、甲烷提純設施、發電廠的計劃。

然后是與公眾影響相關的要求，如減少星際基地以及公共海灘交通量，即限制員工乘坐私家車上班，而是增開班車運送員工往返現場。文中還要求太空探索技術公司進行測試和發射前更早發布封路通知，且在18 個假期期間禁止關閉海灘；每年僅允許5 個周末關閉海灘；發射、測試的封路總時間將限制在每年500 小時以內，而“解決異常情況”的封路時間將限制為300 小時。這些措施意在確保當地居民可以進入星際基地附近的野生動物保護區和海灘。此外，環評目前允許每年最多5 次軌道發射，以及5 次箭體回收和相關地面測試。這個次數相對于太空探索技術公司公布的愿景相距甚遠，但根據“獵鷹9”發射規律，發射次數可以后期另行增加，但是每次靜態點火時間限制在15 秒以內。

▲ 2013 年的發射臺及廠房規劃圖

▲ 2019-2022 年變化圖

由于星際基地毗鄰保護區，環評中還包含動物保護措施，比如減少夜間照明設施對周邊生物棲息的影響，資助具備資質的生物學家監測該地區的野生動物。太空探索技術公司還需要每年向周邊的公園、保護區及動物保護組織捐款。利用其星鏈網絡為遠程野生動物監測提供更多機會，并定期向周邊學生開放星際基地以供參觀。

然而，環評的完成并不意味著太空探索技術公司可以直接開展“星艦”的軌道試飛，從行政許可到距離發射仍有一步之遙，也就是FAA 的發射許可。FAA 作為監管機構，還需要審查驗證太空探索技術公司已經如期完成相應整改，將軌道發射和測試對環境的影響控制在可接受范圍后，方可批準發射。因此FAA 和太空探索技術公司都尚未公布可行的發射時間表，而太空探索技術公司還在對星艦B7 和S24 這對“入軌組合”開展測試。

▲ 4 年間，荒灘變基地

▲準備測試的B7 和S24

為減小對公眾和環境影響，對一座新建的重型火箭制造、發射設施進行環境影響評估是必要和正當的。但正所謂樹大招風，即使FAA 環評通過，部分環保組織，如美國鳥類保護協會仍然宣稱“星艦”的到來會導致當地物種受威脅甚至瀕臨滅絕。

▲準備測試的B7 和S24

環評有得有失，催生技術改進

FAA 給太空探索技術公司星際基地的整改要求不僅限制了測試和發射活動，還倒逼了猛禽發動機的技術升級。環評報告中提及，星際基地現場不能興建甲烷提純設施。無奈之下，太空探索技術公司對猛禽發動機進行了升級改造，使其可直接采用市售天然氣（液態）進行燃燒?？梢哉f，FAA 將一款甲烷火箭硬生生“逼”成了天然氣火箭。之前，藍色起源公司研發的BE-4 液氧甲烷發動機曾宣稱可直接采用天然氣作為推進劑，并作為該發動機相對“猛禽”的一大優勢。經過環評風波后，兩款發動機最終殊途同歸，在降低推進劑成本的路上做到了目前化學火箭的極致。

相對于提純甲烷而言，天然氣的成分比較復雜，主要由甲烷以及少量的其他高級烷烴組成。除此之外，還存在一些低水平的微量氣體，如二氧化碳、氮氣、硫化氫和氦氣，具體含量與產地有關。甲烷之外的成分中，烷烴也是可燃氣體，對火箭發動機的影響相對可控。不可燃氣體也還好，最棘手的則是硫化物。上世紀80 年代美國就已經進行過烴類燃料電傳熱試驗、結焦極限溫度試驗、碳沉積試驗和材料的相容性試驗，結果表明，在渦輪模擬條件下，甲烷不存在積碳（碳沉積），但當甲烷中硫含量大于百萬分之一時，對銅內壁（燃燒室）就會產生明顯腐蝕。因此，硫化物是火箭發動機重復使用的大敵之一。目前尚不清楚燃燒天然氣的“猛禽”如何對付硫化物，可能會有前置脫硫，當然這都是猜測。

從成本來講，采用天然氣顯然是成本更低的，由于美國盛產頁巖氣，因此推進劑成本對比煤油可謂低廉，如果對比“難制取、難貯存、難使用”的“三難”液氫，天然氣更是白菜價。而發射所用的氧化劑，也就是液氧可以通過空氣分離的方式獲得，工藝相當成熟，成本也十分低廉，但受限于環境容量，目前太空探索技術公司只能通過罐車一車一車排隊運送進場。

▲ “星際基地”發射臺區域航拍圖

“星際基地”生產區航拍圖

根據早期的公開信息，太空探索技術公司的規劃是在星際基地建設一套液氧甲烷生產線，利用太陽能電池板供電，采用空氣中二氧化碳、淡化海水，通過“薩巴蒂爾”反應生產甲烷和液氧，最終實現自給自足?！八_巴蒂爾”反應正是原定用于星艦在火星表面制造返程推進劑的反應流程，通過在星際基地增設這樣一套設備，既降低發射中的推進劑成本，又可以提前試驗火表通過原位資源利用制造返程推進劑的工藝流程，可謂一舉兩得。但可惜的是，目前來看這套設備短期內在星際基地還無法實現。

從550 噸到5000 噸，環評風波的來龍去脈

對于拖累首飛進度的環評，肯定有人疑問為何太空探索技術公司不盡早開始環評。這要從星際基地的來龍去脈說起。眾所周知，太空探索技術公司現在在美國東西海岸共運營著3座發射臺，發射臺實際隸屬美國太空軍（SLC-40、SLC-4E）和美國宇航局（LC-39A）。太空探索技術公司只是租用以上設施，畢竟地盤是人家的，實際發射還要受“業主”掣肘。尤其是近幾年的發射中，卡角和范登堡太空軍基地的發射臺，受軍方的假期、設備整修、導彈試射等影響，都會導致發射受阻。LC-39A 發射臺雖然不受軍方影響，但具有特殊性。它曾執行包括阿波羅11 號任務在內的多次登月發射，也是航天飛機時代的主力發射臺，將其稱之為美國的“功勛”發射臺并不為過。自1967 年首次投用至今，累計144 次發射，從未因發射失敗而導致發射臺損壞（挑戰者號航天飛機是升空后爆炸）。因此，這段“完美紀錄”反倒給太空探索技術公司造成了無形的口碑壓力。加之該發射臺作為美國目前唯一的載人航天發射臺，承擔著國際空間站航天員輪換任務的重任，基本是炸不起的。因此，將首飛風險巨大的“星艦”放在這里進行首飛，美國宇航局的內心其實是拒絕的，這種風險項目勢必挪至“自家地盤”才更自由。

▲ 最新環評中的發射臺規劃，仍保有第二座發射臺

因此，早在2011 年太空探索技術公司就開始物色自建發射場。2012年9 月，太空探索技術公司在美國各地選取了7個候選的商業發射場地點。2013 年初，得克薩斯州的博卡奇卡已經成為商業發射設施選址的主要候選地。當時，自建發射場的環評和公開聽證會上，評估當地環境容量每年可支持多達12 次商業發射。但當時規劃和評估的發射火箭僅是近地軌道運力10 余噸的“獵鷹9”，最大也不過是當時尚未首飛的重型獵鷹。這兩款火箭的規模和“星艦”這種“巨無霸”相距甚遠，其對當地環境的影響自然無法相提并論。更重要的是，當時的規劃主要以發射活動為主，當地并不涉及火箭的制造和測試，而如今的星際基地卻遠不止于發射。

2014 年7 月，FAA 正式發布了關于博卡奇卡海灘的環評結論，認為發射臺及其附屬設施不會對環境產生重大影響。次月，太空探索技術公司正式宣布博卡奇卡作為商業發射場的最終選址。2015 年，太空探索技術公司開始平整發射場土地，但發現海灘地基不穩且有異常沉降，因此只能重新進行土地規整。2016 年至2017 年，除安裝了兩臺二手測控天線和太陽能電池板外，幾乎沒有實質性施工。因此，此地一直極其荒涼，幾乎沒有媒體關注。

2018 年底，博卡奇卡海灘陸續進駐工作人員，各種水平儲罐運抵并安裝，更多的辦公室和簡易發射場坪相繼開始施工。當然更重要的是露天焊接的“星跳者”（Starhopper）原型機于2019 年3 月完成制造，并轉移至發射場坪，并于當年7 月下旬成功首飛。隨后的兩年中，太空探索技術公司以極高強度，換人不停工的7x24小時不間斷工作模式，興建各種“星艦”的制造和測試設施。

環評已成“星艦”研發的緊箍咒

博卡奇卡自2019 年至今，變化幅度之大，計劃變化之快，業界罕見，因此出現了環評跟不上工程進度的情況。僅就“星艦”本身而言，太空探索技術公司幾乎沒有制造過完全相同的兩臺原型機，每一臺都有新的設計融入其中。新的設計自然也對其制造、總裝和測試提出了更高的需求。員工不斷增加，設備和廠房不斷興建，為容納高達70 米的“星艦”芯一級相繼建造了兩座總裝廠房，這一大批設施都大大超過了原有的規劃方案，對周邊環境的影響也日益增加。

因環評推遲被廢棄的S20 和B4 組合

▲ LC-39A 的原有發射臺和施工中的“星艦”發射臺

尤其是高達146 米的軌道發射塔，有可能在夜間影響周邊的通航飛行。而FAA 更是聲稱該發射塔屬于“未批先建”，即未通過FAA 評估即已開工建設。經雙方協調后，2021 年3 月FAA 公布了發射塔的補充評估結果為“對航空飛行無威脅”，也正是這時，太空探索技術公司在博卡奇卡的這片設施被正式命名為星際基地。

但FAA 的監管流程落后于工程進度的問題變得日益突出。FAA 與相關機構協商后，于2021 年9 月基于太空探索技術公司的最新規劃發布了新版環評報告草案，次月舉行了2 次公開聽證會，以收集公眾的意見。由于媒體的大量報道，“星艦”項目備受關注。同年12 月，FAA 收集到多達18000 份公眾意見，因此表示當年12月底前無法完成環評審查。

由于FAA 環評在6 個月中5 次推遲，加之部分試驗流程問題，太空探索技術公司已經被迫報廢了B4 一級和S20 二級的組合，這本來是一套可以入軌發射的組合。目前，太空探索技術公司正在測試B7 一級和S24 二級的組合，芯一級發動機數量從B4 的29 臺升至B7 的33 臺。不僅如此，B7 均采用增推后的2.0 版猛禽，推力從185 噸升至230 噸，起飛推力從B4 的5300 噸驟升至7500 噸，直接超越“土星5 號”。

但我們也要看到，“星艦”10 千米試飛5 射4 敗的紀錄，暴露了“星艦”項目的巨大技術風險。不僅如此，隨著后續進入入軌發射階段，“星艦”仍有大量技術有待驗證，同時各項飛行試驗的風險呈指數上升，這也是“星艦”自身融合了過多新技術的必然弊端。尤其是太空探索技術公司設計的全新回收方式，即發射塔架上的巨大“筷子”對火箭兩級分別進行捕獲，這一方案雖然有利于火箭的回收復用，但卻使塔架和周邊設施面對前所未有的高風險。雖然目前“星艦”首次軌道試飛計劃暫不包括回收，但回收勢必使環評復雜性驟升，畢竟以往火箭從不需要考慮70 米高的火箭噴著烈焰飛回來時會砸到哪里的問題。

目前，太空探索技術公司仍將博卡奇卡作為“星艦”的主要開發和測試場地，但考慮到未來環評對其發射造成的限制，已經開始在LC-39A 另行建造一座星艦發射臺。該發射臺因與現有LC-39A 共享基址，而這片基址最早是為土星5 號火箭準備，與“星艦”規模近似。此外，LC-39A 與SLS 發射臺LC-39B 距離達2.7 千米，其環境容量天生可容納重型火箭發射。

但“星艦”發射臺距離原有獵鷹發射臺不遠，美國宇航局一方面拒絕“星艦”在成熟前在此發射，以防炸平發射臺的情況出現；另一方面，太空探索技術公司也在計劃極端情況下的補救辦法，如強化現有LC-39A 的發射臺結構，或者是使LC-40 發射臺具備載人發射能力。

▲LC-39A 建設中的星艦發射臺

近年來，隨著政策的放開和天基測控等條件的完善，除太空探索技術公司外，還有美國火箭實驗室、阿斯特拉小火箭公司、“藍源”等航天企業也擁有自建發射場，可不再受業主方的掣肘，發射更加自由可控。自建發射場的環評和發射許可必不可少，而傳統的審批流程已不可避免的限制了行業的進一步發展。因此，近年來FAA 已經開始著力提高監管效率，如合并頒發多次發射許可等。但像星際基地這種“環評趕不上計劃”狀況依然現實存在，一定程度拖累了“星艦”項目推進。新問題自然就要有新辦法，如何在促進行業發展和保護環境上取得一個微妙的平衡，是監管和被監管方的不斷磨合的最終目標。