SpaceX 星舰第五飞：“即便成功，也没想到是如此完美的成功”

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整理丨刘倩


由马斯克创立的 SpaceX 在前 10 月 13 日完成了星舰（Starship）的第五次试验发射。我们邀请了中国某家商业航天公司的前总体设计师陈亮，来一起聊一聊这次 “星舰第五飞”。陈亮是北京航空航天大学航空宇航推进理论与工程博士，主要研究液体火箭动力系统的流动传热问题，曾参与多项新型飞行器热防护技术攻关和相关国家级预研项目。


陈亮提到，他和很多同行其实没有预料到，星舰第一次正式回收 Super heavy ，能如此完美地成功，如此干脆利落，好比在 100 公里时速下，精准倒车入库。Super heavy 就是星舰的推进器部分，星舰第五次实验发射的最大进展，就是成功地用像筷子一样的发射架塔臂，稳稳夹住了掉头回到地面的 Super heavy 推进器。


星舰的全部模块可回收，意味着将进一步大幅降低发射成本，包括制造成本和发射时间成本。低成本，也是 SpaceX 高频发射、快速迭代的前提。低成本和高频次相辅相成，打破了航天业过去奉行的“像飞行那样去测试，像测试那样去飞行的原则”。


SpaceX 的逻辑不一定谁都合适模仿，但这个搅局者已带来实实在在的改变。




星舰第五次发射： “即便成功，也没想到是如此完美的成功”





星舰（Starship）第五次试验发射和之前最大的差异，是有一个完整的一子级回收动作。星舰的起飞规模非常庞大，整个飞行任务的要求是：一子级（推进器 Superheavy）回收到发射场、二子级（Starship）部分海上溅落。对于一子级火箭，它要把二子级部分送到预定的速度和高度，然后再飞回发射场，用像筷子一样的发射架塔臂夹住掉头回到地面的一子级，用这样一个完整的飞行实验动作去验证一字级的回收技术。


星舰已超出传统火箭的范畴，传统火箭它是一次性的，星舰介于火箭和航天飞机之间。


现在传统的火箭长征二号 F，由助推器、一子级、二子级组成。它的助推器很早就分离了，一子级把火箭预送到预定的速度和高度，分离后也抛掉了，二子级把飞船运到预定轨道然后再抛掉。所有都是一次性的，发射完就抛掉，没有任何回收的动作。


猎鹰 9 跟星舰也有差异，猎鹰 9 一子级要飞回船上或飞回陆地，它是一个回收的火箭。它的二子级是一次性的，比如往国际空间站运人的飞船，送到预定轨道之后，二子级要抛掉。


星舰一子级跟猎鹰 9 类似，它是要飞回来的。二子级其实是一个类似于航天飞机的运载器，比如要执行星链发射任务，星舰舱门打开之后把星链一个个弹出去，舱门关掉，然后再返回回收区，这其实是类似于航天飞机的飞行状态，星舰外形也跟航天飞机类似，只不过航天飞机是滑翔滑下来的，星舰的滑翔过程非常有限，它靠发动机反推来减速。


火箭从准备到点火、发射、着落的几道关卡

• 首先在发射台上要进行加注，就是把推进剂（燃料和氧化剂）加到火箭的储箱里边，一般会持续几个小时。
  
• 加注之后要进行增压，还有一些相关的测试工作。
  
• 进入可发射的状态后，进行一子级的发动机点火，然后离开发射台。有一个经常会在发射任务中提到的概念——Max Q（最大动压），这对结构来说是一个比较关键的考验时间点，有些发射特别喜欢报一下 Max Q，过了这个点，一般来说舰的结构上不会出现损坏。
  
• 过了最大动压时刻，火箭一子级继续飞，下一个比较重要的点叫一二级的极歼分离，拿星舰来说，就是 Super heavy 和上面的 Starship 分开，星舰属于热分离，能看到发动机点火，相当于把它喷开，分离之后二子级继续往上飞，一字级掉头飞回发射场。
  
• 一子级要持三台发动机点火往回飞，等有足够的速度返回发射场之后，关掉发动机滑到预定点位。然后再去开发动机调整位置，返回到发射场。通过发动机点火减速，相当于发射的一个反向过程。这里边涉及到控制，一个是姿态的稳定，一个是飞行位置的一个调整，类似于在 100 公里时速下，精准倒车入库。
  

SpaceX 星舰第五飞超出预料，大部分从业者并没有预料到第一次回收就可以成功。相当于时速 100 公里倒车还正好停在刹车线的位置上，这个难度是非常夸张的。在接触前的两三秒，包括陈亮在内的一些从业者认为要失败了，从直播中明显看到它是斜着插下来的，没想到在最后时刻把它调正了，钩子和火箭的相对位置都调的恰到好处，最后非常稳的落在 “筷子”上。“即便成功，也没想到是如此完美的成功。当然我并不是在吹嘘什么，但作为一个技术人员，我确实认为这个回收做的确实非常厉害。”陈亮说。


Starship 第四次的姿态已经比较稳定了，当然第四次也是一个跌宕起伏的过程——返回时翼的局部结构被烧穿，防热失效，中间还有一些遥测数据的丢失，图像有一段时间没传回来。第五飞其实也差不多，只不过这次热防护做得更好。第四次的过程有点绝地反击的感觉，中间 Starship 的那部分觉得可能快不行了，可能不是以所设想那个姿态到海里，因为隔热板都已经烧了。但是过了一段时间，等影像又可以往回传的时候，发现还可以调整姿态，是非常“皮实” 的一个火箭。第五次 Starship 的软着陆比第四次要好，没有出现严重的热防护的问题，整个回收姿态各方面都比较稳定。


SpaceX 的逻辑：低成本+高频次发射=快速迭代


星舰发射频次非常密集，一共发了 5 次，其中两次是在 2023 年，有 3 次都是在今年。星舰这种模式是一个快速迭代的研发模式，有几个前提，第一是成本相对低，不锈钢的储箱也好、发动机也好，都是大批量生产的，生产速度非常快，能够保证快速的实现第二次、第三次或第四次这样高频次发射，必须是低成本才能可能满足这要求，如果活跃成本非常高、发射一次代价非常大，就没法迭代起来。另外一个是高频次的试验，高频次才能实现快速技术迭代，低成本和高频次相辅相成。
传统航天业则是“像飞行一样测试，像测试一样飞行”。就是按照飞行的状态来做地面测试，飞行就完全按照地面测试两个状态来飞，这是传统的研发的概念。即便是美国的火箭公司，类似于ULA，也是按照传统的研发方式来做的，其 CEO 也是一样观点——把所有的失败都停留在纸面上、停留在地面实验状态下。这样就把飞行失败的可能性降到最低，这是它的研发逻辑，因为它的成本要高一些、生产效率要低一些，如果要通过飞行去做测试的话，生产成本和时间成本是无法承受的。


低成本实现高频次发射，才能保证快速的迭代。如果低成本保证不了的话，那就实现不了高频快速生产、发射，也实现不了快速迭代，就不能把所有问题留到飞行当中去验证，必须得在地面把问题解决，这是不同的研发逻辑， CVCX 就坚持了这样一个逻辑。


但陈亮并不建议初创公司模仿 SpaceX，因为不同的状态、不同阶段的企业它面临的问题或者面临的风险是不一样的。当年猎鹰的失败也差点拖垮公司，它连续失败了三次，第四次才获得成功，这是非常困难的一件事情，很少有火箭企业能够承受三次失败。对于一个初创企业来说，用这种模式的风险是极大的，第一承受的风险能力比较高，第二不要求一开始就有很高的成功率，在很多初创公司这两个条件可能都无法满足。


为什么SLS 可以登月但星舰不能？因为星舰要进行多次的在轨加注，比如一个战斗机飞行员去执行任务，要经历 5 次的空中加注燃料，在那个状态下是非常困难的，人会受不了，所以目前达不到安全性要求。而 NASA 新火箭项目 SLS 作为一次性火箭，虽然从项目上不成功，但它是满足美国载人登月时间表的唯一火箭。 目前从载人任务来说， Space LAX 也非常的谨慎，它不会随意启动载人任务，管理流程、质量管控也都非常严格。目前来说，星舰是肯定无法满足 NASA 的登月计划周期的。但从长远来看，它一定会胜过 SLS，这是大势所趋，在未来的 5 到 10 年，它将具备非常可靠的载人能力，那时候 SLS 就毫无价值。


科学狂人的激进


马斯克总是会说出一个非常离谱计划，但是最终会实现，只不过把时间线往后推了三年或者五年，他要对公司、投资人或者公众说出他的“疯狂”计划，他才有可能去实现。星舰确实超出了大家的认知，不管是从方案还是计划来说都是非常疯狂的，当然前提是有深厚的底子（猎鹰 9）和一个庞大的企业做支撑，从财力、人力或技术上来说，它都有非常好的基础。


马斯克也许很疯狂，但 Space Age 时更疯狂——二战末期人类还开着螺旋桨飞机开战，69 年就登上了月球，这个技术跨度比现在的技术跨度还要大得多。


由于马斯克本身就自带流量，所以星舰发射在全球又重新点燃热潮。星舰发射过程中间还有一个小插曲，本来第五次发射是计划在 9 月份进行，FAA（联邦航空管理局）一度推迟星舰发射，马斯克对此意见很大，并试图在特朗普上台后主持技术发展提效部门，去增加新技术应用的效率。关于新技术管理，FAA（联邦航空管理局）理论上来说是对发射行为起到一个监管作用，不应该对技术进行监管，马斯克认为其技术的应用太过保守。但从政府层面上来说，出于对安全、法律、环保等因素的考虑，也没有什么可以指责的问题，“科学狂人”的想法要受到一定的限制和约束。




SpaceX 的航天矩阵：猎鹰、星舰、龙飞船、星链





SpaceX 研发的猎鹰火箭+龙飞船组合，目标是把相应的货物送到国际空间站，这是最早的火箭和飞船的来源。后来美国人想既送货又送人，航天飞机从 2011 年退役一直到 2020 年龙飞船首次载人飞行的这段时间里，美国航天员进入国际空间站要靠俄罗斯，这对美国人来说是很大的打击。


星舰研发的核心目标是用火箭把人类送到火星去，要想载人的话，猎鹰或猎鹰重型这样火箭都无法满足这个需求，重型猎鹰做不到运那么大的飞船，它只能运类似龙飞船这种比较小的飞船。SLS 也无法把人送到火星去，它的运载能力也不够，所以要研发这样一个巨型火箭。但前提是需要在近地轨道进行 5 次燃料加注，因为像星舰这种火箭，它的二子级（Starship）进入轨道之后推进器基本耗光了，它要发射多个 Starship 上去，加注完成之后再重新点火飞往火星或其他星球，这是一个非常复杂的任务。马斯克处于研发频率特别高的状态，关于人类去火星的愿景，马斯克说需要 5 年，悲观看 10 年，NASA 的设想是 2050 年。


总结而言，不管是星舰还是之前的猎鹰系列火箭， SpaceX 最为人称道的一点是控制成本非常厉害，它快速迭代的研发逻辑也是建立在低成本的前提上，比如把阿波罗 11 号飞船送到月球的土星 5 号要 5400 美元一公斤，猎鹰 9 号只要 2600 美元，猎鹰重型是 1500 美元。有机构测算说星舰有可能会把这个成本打到只有 200 美元。


星舰降成本的法宝是“回收+使用民用部件+培养多面手”。首先马斯克一直在做回收技术的发展，完全的重复使用，这类似于飞机的概念，这样就相当于只消耗了推进去的成本或者人力资源的成本，把资源损耗降到最低，这是最核心的一个前提；另一个层面是它大量采用了民用技术，马斯克重新审视了 NASA 及美国空军的一系列标准，他认为这些标准从物理和工程的本质上并不具备合理性，他从本质出发选择一些民用的元器件或民用技术，比如民用阀门、民用计算机等，这是降低成本的一个有效的方式，这实际上需要工程人员或者马斯克做大量的游说工作，说服评审专家用这个基础是合理的；最后一点是它在人力资源应用上也对成本控制非常严格，马斯克对多专业能力非常看重，比如一个结构工程师可能既做火箭结构又做卫星结构，马斯克在一些人员应用上效率会更高，这也是低成本设计的一个方式。


关于全球火箭发射竞争格局，目前来看是中美最强，欧洲最近扶持力度增大。印度火箭的运载效率与国内有较大差距，日本和欧洲火箭都做得不错，但整个产业规模太小了，发射频次低，规模、体量、发展速度都受到很大制约。像俄罗斯的话，它受近几年战争等因素的影响，航天领域相比之前的投入少了很多，在技术上已经比较落后了。
我们能看到，从去年开始欧洲有一些小公司逐渐走上正轨，取得一些还不错的成绩。欧洲现在的趋势是，官方非常支持初创公司，它不像国内给一个开放环境或者政策性的支持，欧洲有些是直接给真正的资金支持，NASA 也给了 SpaceX 很多钱以及技术上的支持，有一种新的薪酬时代要到来的感觉。




中国的商业航天实践





2010 年到 2020 年，中国航天陆续启动重要项目，北航的“宇航学院”每年招生在 150-160 左右，几乎 60%-70% 毕业生进入航天业，仅有不到 1/ 3 的人不在这个领域。 近年中国航天成果也比较密集，比如中国空间站发射、嫦娥五号探月工程、天问火星探测器等。


中国商业航天和 SpaceX 的差距——中国公司取得 Milestone 的时间更短。拿回收这一块来说， SpaceX 做回收实验、高空实验大概在 2015 年前后，国内做类似这种垂直起降实验大概在 2023 年，起点要晚一些，如果拿技术去衡量的话，差距在八九年的时间。另外，国内实现火箭完整回收预计在 2025 年-2026 年，这样看的话国内也就差 10 年，而且还有缩小的趋势。从中国开始有真正民商航天开始，到取得一系列里程碑的周期上来说，比美国人要略短一些。


这仰赖于“政策支持+航天基础+人才储备”。首先国家出台了很多有利的政策，开始先后涌现一些企业。第二层面是中国的整个供应链建设，无论是人还是生产能力，现在有转好的趋势，对商业行情的开放程度也在提高。第三就是人才储备，中国的人才储备还是可以的，在世界上来说可能是仅次于美国的水平。我们的后发优势会让周期比美国稍微短一些，或者美国相当，但 SpaceX 也在指数级发展，星舰出世将开启新一轮追赶。


从 SpaceX 上我们也可以学到一些东西，比如回收模式、工程实现。一子级回收这种模式，让大家坚定了走这条路线。SpaceX 的开放度还是可以的，SpaceX 并未公开任何图纸，它的开放在于不会追究学他的人，在一些思路上，我们可以借鉴、少走弯路。比如猎鹰回收时的辅助支撑腿，我们能看到它着陆的方式、打开方式等一些细节，虽然路径不一样但物理的过程是一致的，这需要做大量的动力学方针，比如腿着陆的时候承载要求是怎样的、怎么去设计阻力、它的缓冲能力形成是多少等，这些都是根据我们火箭的需求去设计，但是腿的大概形式及尺寸是可以借鉴的。


中国商业航天发展需要的更多支持——资金+更多容忍失败。钱是所有发展的前提，这个事情又跟经济有关系，需要政策的一些支持或者引导，让更多的人去关注这个行业，把有限的资金投入到航天里边，推动它发展；另一方面，国内管理部门现在也给予了很大的容忍和支持。