作者：科學(xué)聲音吳京平

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2020年年末的SN8首次試飛，完成了一系列目標(biāo)，但是最后落地的瞬間炸掉了。到底算是成功還是失敗呢？我在網(wǎng)絡(luò)上沒(méi)少跟人吵過(guò)。有人認(rèn)為這是失敗的，我認(rèn)為是部分成功，因?yàn)樵u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是不一樣的。

你在上小學(xué)階段，數(shù)學(xué)考試要是算錯(cuò)個(gè)數(shù)，那就是全錯(cuò)，一分不給。但是到了大學(xué)階段，你要是計(jì)算步驟都對(duì)，最后不小心最后算錯(cuò)個(gè)數(shù)，也就是扣兩分。在我看來(lái)，SN8已經(jīng)達(dá)到了一系列的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，能不能順利的起飛？行啊，沒(méi)問(wèn)題，那么在空中調(diào)整姿態(tài)，橫過(guò)來(lái)行不行呢？也沒(méi)問(wèn)題啊，也做到了?？拷孛娴臅r(shí)候，一個(gè)“鯉魚(yú)打挺”豎過(guò)來(lái)行不行？也做到了。所以最后即便是炸了，也不過(guò)就是扣兩分的事兒，不算大問(wèn)題。

圖：SN8爆炸了

那么最后為什么會(huì)炸呢？問(wèn)題出在哪兒？其實(shí)就是出在火箭頂部的那個(gè)小燃料箱里。本來(lái)是要用高壓氦氣把燃料壓進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，可能是壓力不足，導(dǎo)致了燃料供應(yīng)不夠，最后發(fā)動(dòng)機(jī)的推力不夠，導(dǎo)致SN8一屁股墩在地上，結(jié)果就炸了。

SN8遇到的問(wèn)題是前所未有的，因?yàn)檫^(guò)去火箭從來(lái)也沒(méi)遇上過(guò)這么復(fù)雜的降落過(guò)程。燃料罐基本上是空的，如果不采取措施，剩余的那一點(diǎn)燃料肯定會(huì)在罐子里晃來(lái)晃去，根本就不沉底。吸取燃料的管子什么也吸不到，發(fā)動(dòng)機(jī)肯定會(huì)熄火。所以SN8火箭的頭部有一個(gè)小燃料罐，因?yàn)樾。钥梢匝b滿，不留空隙，降落的時(shí)候，怎么晃也沒(méi)有關(guān)系，從這個(gè)小燃料罐里抽取燃料，想來(lái)是不會(huì)抽不到的。

SpaceX的工程師們也設(shè)計(jì)了好幾個(gè)版本，一個(gè)版本是液氧罐的頂部和液態(tài)甲烷罐子的頂部各放一個(gè)小球。但是，后來(lái)還是把兩個(gè)燃料罐都放在了火箭的鼻子尖上，也就是火箭的最頂部。為的就是讓火箭的重心比較靠前。

圖：頂部的小燃料罐

重心靠前有兩個(gè)好處，首先是發(fā)動(dòng)機(jī)是裝在尾部。無(wú)論是讓火箭橫過(guò)來(lái)還是豎過(guò)來(lái)，力臂越長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)越省事兒。重心靠前，翻身的時(shí)候力臂更長(zhǎng)一點(diǎn)。另外一個(gè)好處是更加容易控制平衡，控制火箭的姿態(tài)。

打個(gè)比方，我們用手頂著一根長(zhǎng)長(zhǎng)的桿子，不斷調(diào)整位置，讓桿子保持不倒下來(lái)。這種玩意兒雜技之中很常見(jiàn)，天橋的中幡不就是嘛。

那么是往桿子頭上重一點(diǎn)更好，還是桿子底下重一點(diǎn)更好呢？其實(shí)是往桿子的頂端重一點(diǎn)更好。因?yàn)闂U子重心靠上，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)變大。倒下來(lái)的過(guò)程會(huì)變慢，人就有機(jī)會(huì)調(diào)整。如果是重心偏低，桿子倒下去太快了，手來(lái)不調(diào)整。這個(gè)道理對(duì)于火箭來(lái)講，也是一樣的。

但是，燃料罐離發(fā)動(dòng)機(jī)就遠(yuǎn)了，管路就比較長(zhǎng)，畢竟火箭本身有50米高呢。這也是一個(gè)麻煩，必須用高壓氦氣把燃料給擠進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)。不過(guò)，當(dāng)時(shí)我想這個(gè)問(wèn)題不大，解決起來(lái)也沒(méi)有那么難。但是我似乎想的太簡(jiǎn)單了。我想，下一次應(yīng)該比這次好吧，迭代嘛。結(jié)果，根本不是我想的那樣，SN9又一次爆炸了，這次還不如上次呢，前面倒還順利，飛到10公里的高空，然后發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，火箭橫躺下來(lái)開(kāi)始做自由落體運(yùn)動(dòng)。下一步就該是鯉魚(yú)打挺了吧，結(jié)果這一次鯉魚(yú)打挺之后，姿態(tài)都沒(méi)有完全調(diào)整到位，就直接摔在了地面上，炸成一團(tuán)火球。

圖：SN9只開(kāi)了1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)

后來(lái)發(fā)現(xiàn)，SN9從橫著自由下落的過(guò)程之中，猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)要2次點(diǎn)火，然后在完成姿態(tài)調(diào)整工作，本來(lái)應(yīng)該點(diǎn)燃兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，但是這一次，有一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)出了故障，壓根沒(méi)有點(diǎn)燃，不但沒(méi)點(diǎn)燃，還往外噴零件，結(jié)果嘛，必然導(dǎo)致了推力不足，最后摔下來(lái)炸掉了。

有懂行的人在SpaceX的工程師twitter上留言。他說(shuō)，你們?yōu)槭裁粗稽c(diǎn)燃2顆引擎呢？為什么不點(diǎn)3顆呢？你想啊，兩顆引擎只要有一個(gè)出了故障，必然就是這個(gè)結(jié)局。如果你同時(shí)點(diǎn)燃3顆，即便是其中一個(gè)有故障，還有兩顆在工作啊，也不至于要命吧。為什么你們就不這么做呢？你們是咋想的？

人家的工程師回答的倒是干脆，為什么不這么做？我們太笨了唄。

其實(shí)呢，話是不能這么說(shuō)的。開(kāi)幾臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，可不是隨隨便便來(lái)的，那都是經(jīng)過(guò)精心安排的。星艦飛船不算燃料的話是140噸左右，畢竟是9米粗50米高的這么一個(gè)大煤氣罐，不銹鋼還是比較重的。其實(shí)，開(kāi)一臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)推力就有300噸，即便是開(kāi)小油門(mén)，憋到40%，推力也有120噸以上。說(shuō)實(shí)話，要是早早的開(kāi)一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)反推，減速時(shí)間拉長(zhǎng)，動(dòng)作會(huì)更加從容，調(diào)整余地更大，但是，花掉的燃料也就更多，返回的時(shí)候就要留足余量，火箭的運(yùn)載能力就要打折扣，這樣做未必劃算。

要是開(kāi)2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)反推，迅速就能把火箭給剎停，因此必須到靠近地面的時(shí)候再玩兒鯉魚(yú)打挺的動(dòng)作豎過(guò)來(lái)，減速剎車(chē)非?？欤仨殑偤盟俣葴p低到0，恰好落地，要是配合不好，還沒(méi)落地，速度就減到0了，然后呢，火箭的會(huì)被向上加速，反而落不了地了，這就不好了。時(shí)機(jī)必須拿捏得非常準(zhǔn)才行，這個(gè)時(shí)間就非常的短促，調(diào)整余地就很小了，但是消耗的燃料少，更加劃算。

SpaceX公司的特點(diǎn)就是迭代速度非?？?，馬上他們就對(duì)程序進(jìn)行了修改。SN10準(zhǔn)備下落過(guò)程之中2次點(diǎn)火的時(shí)候開(kāi)3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。假如全都沒(méi)問(wèn)題，那就關(guān)掉1臺(tái)。假如只有2臺(tái)點(diǎn)著了，那就這2臺(tái)了。這樣就增大了保險(xiǎn)性。

按照一般的思路，應(yīng)該去尋找猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的BUG出在哪里，弄不好還要“歸零”。也就是徹底找到問(wèn)題所在，徹底解決它，大家都是這么做的。不過(guò)，進(jìn)度就慢多了，時(shí)間就是錢(qián)，SpaceX不是上市公司，花的都是自己的錢(qián)，他們是不可能不在乎的。

所以呢，馬斯克他們一方面讓人去找猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的BUG，另外一方面從系統(tǒng)工程的角度去規(guī)避這個(gè)問(wèn)題。反正是盡量不耽誤進(jìn)度，時(shí)間是最寶貴的。

對(duì)于馬斯克這個(gè)商人來(lái)講，他打破了很多航天界固有的規(guī)矩，所以很多人看不懂，也不敢想象事情還能這么干?；鸺且粋€(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，你不可能保證一點(diǎn)毛病都不出，而是要出了小毛病，帶著傷也仍然能完成任務(wù)。

圖：SN10先開(kāi)3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，選狀態(tài)最好的留下，然后漸次關(guān)閉另外兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)

所以，SN10就帶著大家的希望飛上了藍(lán)天，過(guò)程跟前幾次還是差不多。飛到十幾公里的高空，然后橫過(guò)來(lái)，開(kāi)始自由落體降落。等到近地面附近的時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)2次點(diǎn)火，這一次是3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)都打開(kāi)了。開(kāi)始鯉魚(yú)打挺的動(dòng)作?；鸺樌呢Q過(guò)來(lái)了，3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)都是可以擺動(dòng)的。來(lái)回?cái)[了幾次調(diào)整火箭的姿態(tài)，保持垂直姿態(tài)的穩(wěn)定。然后，逐漸關(guān)掉了2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，最后在1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的反推之下落向地面。

圖：SN10火箭落地都是稍稍傾斜的

3臺(tái)猛禽排列成品字形，因此不論是開(kāi)兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)還是1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，推力作用點(diǎn)都不在軸心上，都是偏心的。因此為了抵消這種偏心，火箭下落的時(shí)候稍稍要歪一點(diǎn)。這就為支撐腿提出了要求，這三條腿肯定不是同時(shí)碰到地面，能不能穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)恼咀?，這就不好說(shuō)了。未來(lái)支撐腿要適應(yīng)高低不同的表面，畢竟落到火星上或者是月球上，是沒(méi)有水泥地面的。哪有那么平整的地方讓你降落啊。

你別說(shuō)，SN10火箭還真的是穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)穆湓诹说孛嫔希皇腔鹧嫖⑽⒂悬c(diǎn)發(fā)綠，這并不是什么好兆頭。果然，內(nèi)部管道估計(jì)是出了問(wèn)題，尾部一直有明火，在過(guò)了6分鐘之后，火箭突然爆炸了。最后還是沒(méi)有保住這枚火箭。

但是，盡管最后還是炸了，但是我們還是看到了星艦火箭的進(jìn)步。馬斯克當(dāng)然是馬不停蹄的準(zhǔn)備下一次SN11的發(fā)射實(shí)驗(yàn)了，因?yàn)槟壳翱磥?lái)，BUG也來(lái)越少，就差最后一哆嗦了。

但是，這一次是聯(lián)邦航空局出來(lái)找麻煩了。其實(shí)也不是聯(lián)邦航空局自己樂(lè)意來(lái)蹚渾水，主要是還是美國(guó)國(guó)會(huì)接到投訴。說(shuō)是SN8最后爆炸了，沒(méi)有顧及到周?chē)踩?，這樣不行。下次飛行必須有聯(lián)邦航空局的督導(dǎo)員在場(chǎng)監(jiān)督才行。本來(lái)SN11定在今年的3月29號(hào)發(fā)射，結(jié)果呢，聯(lián)邦航空局的督導(dǎo)員沒(méi)趕上飛機(jī)，來(lái)不了了，本來(lái)改簽一下就行，結(jié)果人家這位督導(dǎo)員不肯加班，回家睡覺(jué)了，第二天才搭航班飛過(guò)來(lái)。這一下就拖延到了當(dāng)?shù)貢r(shí)間3月30號(hào)。這天是滿天的大霧什么都看不清楚。周?chē)鷣?lái)觀看發(fā)射的馬斯克的粉絲這叫一個(gè)失望啊。都是被官僚主義給耽誤的，馬斯克也開(kāi)始抨擊監(jiān)管部門(mén)，要是去不了火星，都怪你們不好。

圖：從發(fā)動(dòng)機(jī)艙也能感覺(jué)到霧氣太大

那也沒(méi)辦法啊，SN11就是在這樣的環(huán)境之中發(fā)射了，只能看到火箭上攜帶的攝像頭發(fā)送回的畫(huà)面，是在尾部盯著發(fā)動(dòng)機(jī)的攝像頭。前邊都很順利，飛到10公里的高空，開(kāi)始橫過(guò)來(lái)，自由下落，然后就等著發(fā)動(dòng)機(jī)二次點(diǎn)火。整個(gè)過(guò)程其實(shí)也就5分多鐘，結(jié)果大家只看到一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火了。然后，直播信號(hào)就斷了。大家都不知道發(fā)生了什么，霧氣太大什么都看不見(jiàn)。

不過(guò)，不久以后，有老百姓在5公里之外撿到了SN11的殘骸?？磥?lái)這次實(shí)驗(yàn)又失敗了，這還不如前幾次呢，前幾次起碼是落地以后才炸的，SN11是半空中就炸了的。這是怎么回事兒呢？

圖：SN11的殘骸

有愛(ài)好者在10公里之外拍攝到了SN11的圖像。距離遠(yuǎn)一點(diǎn)，反而不受地面大霧的干擾。SN11的姿態(tài)控制并不好，一邊下落一邊亂轉(zhuǎn)?？磥?lái)是出故障了，最后是主動(dòng)發(fā)出了自毀的指令，所以才會(huì)凌空爆炸了。

這次挫折可就大了。導(dǎo)致馬斯克直接取消了后邊SN12~14這三枚實(shí)驗(yàn)火箭，直接跳到了SN15，內(nèi)部肯定是大改了一番，有些問(wèn)題是不能湊合了。這一次馬斯克沉寂了2個(gè)月，SN15的方案又回到了最開(kāi)始的開(kāi)2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)鯉魚(yú)打挺的動(dòng)作，然后還是開(kāi)2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)反推著陸。發(fā)射時(shí)間定在了5月5號(hào)，也就是一個(gè)月之前。這一次的動(dòng)作比較輕柔，落地的時(shí)候穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)摹Ｖ皇沁@一次不知道怎么搞得，火箭傳回的直播畫(huà)面比較卡頓，丟幀，弄得觀眾還挺揪心的?；鸺奈膊窟€是有明火冒出來(lái)，但是這一次周?chē)南浪鼙容^得力，沒(méi)有讓火勢(shì)蔓延開(kāi)，最后逐漸的熄滅了，這一次算是比較圓滿的完成了任務(wù)。

圖：SN15終于站住了，而且沒(méi)有炸

但是，別忘了，這枚火箭并不是一個(gè)完全版，屁股上只有3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。也沒(méi)有進(jìn)入環(huán)繞地球的軌道，只是飛到十幾公里的地方再飛回來(lái)。真正的星艦火箭是一個(gè)遠(yuǎn)比土星5號(hào)大得多的巨型火箭，現(xiàn)在折騰了半天的這個(gè)星艦其實(shí)只是第二級(jí)。第一級(jí)火箭還沒(méi)開(kāi)始測(cè)試呢。未來(lái)的路還長(zhǎng)著呢。

盡管星艦火箭現(xiàn)在還不成熟，也只是取得了第一步的成功，但是NASA已經(jīng)迫不及待的和SpaceX簽約，讓他們?yōu)槊绹?guó)阿爾忒彌斯計(jì)劃提供載人登月系統(tǒng)，這一下就捅了婁子了。

美國(guó)人為了應(yīng)對(duì)世界其他國(guó)家在太空科技方面的進(jìn)步，特別是我國(guó)的大幅度進(jìn)步，有點(diǎn)著急了。國(guó)際空間站目前快到壽命了。未來(lái)在近地軌道上搞個(gè)空間站似乎沒(méi)什么新意。所以，他們就把主意打到了月球上。所以，NASA的目標(biāo)其實(shí)就是重返月球。當(dāng)然這和國(guó)際空間站一樣，也是個(gè)國(guó)際合作項(xiàng)目。這錢(qián)不能美國(guó)一家來(lái)掏，地主家也沒(méi)有余糧??！

圖：月球門(mén)戶空間站是國(guó)際合作的產(chǎn)物

首先，和阿波羅登月計(jì)劃如果重復(fù)的話，那就沒(méi)意思了，而且也不劃算。最劃算的辦法是在環(huán)繞月球的軌道上放一個(gè)小型空間站，不用太大，只要50噸就夠了。結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)化，比現(xiàn)在的國(guó)際空間站小多了，名字就叫“月球門(mén)戶”。從月球門(mén)戶出發(fā)，不論是下到月球表面，還是去往其他星球，都比較劃算，也是屬于多方考慮的一個(gè)折中方案。

圖：獵戶座飛船

把人員運(yùn)送到月球軌道，和月球門(mén)戶空間站對(duì)接，這個(gè)任務(wù)用獵戶座飛船來(lái)完成，這個(gè)飛船比當(dāng)年的阿波羅飛船大多了，能運(yùn)送6~7名宇航員上太空，技術(shù)上比較先進(jìn)，兼顧月球和深空，這是NASA謀篇布局的一個(gè)重要技術(shù)節(jié)點(diǎn)。

圖：SLS火箭的各種版本

獵戶座飛船用SLS火箭作為發(fā)射工具，也就是太空發(fā)射系統(tǒng)。這個(gè)火箭比土星5號(hào)的推力還大15%，載人版本高度為98米，載貨版本高度為120米。發(fā)射推力4173噸，運(yùn)載能力將達(dá)到165噸，最大能運(yùn)送40噸的載荷到環(huán)月軌道。

日常的送貨補(bǔ)給，則交給SpaceX的重型獵鷹火箭。給空間站送貨這事兒，他們比較熟練，不就是送快遞嘛。

最重要的是從月球門(mén)戶空間站到月球表面，到底用什么運(yùn)輸工具好呢？重復(fù)使用是必備的要求，可不能像阿波羅計(jì)劃那樣，一路走一路丟。3000噸重的火箭最后全扔光了，只剩下一個(gè)幾噸的飛船回到地球，那不行啊。這個(gè)著陸器需要從月球軌道下到月球表面，然后再飛回月球軌道。對(duì)接月球門(mén)戶，然后加完油可以再下去，再上來(lái)。這可不是一錘子買(mǎi)賣(mài)。

圖：阿爾忒彌斯計(jì)劃的LOGO

所以，太空發(fā)射系統(tǒng)+獵戶座飛船+月球門(mén)戶空間站+月球著陸器這一整套，就是所謂的“阿爾忒彌斯計(jì)劃”。古希臘神話之中，這個(gè)阿爾忒彌斯是阿波羅的孿生姐姐，從這個(gè)名字，也能看出這個(gè)計(jì)劃和當(dāng)年阿波羅計(jì)劃的關(guān)系。

不管是獵戶座飛船，還是太空發(fā)射系統(tǒng)，早就開(kāi)始研發(fā)了，只是波音洛馬這些老牌的防務(wù)承包商的手腳實(shí)在是太慢了，牽扯到國(guó)際合作，那肯定又是扯不完的皮，開(kāi)不完的會(huì)。眼睜睜看著我國(guó)追上來(lái)。要不是出了馬斯克這么個(gè)異類，美國(guó)人還未必就能搶了先。但是，NASA作為家長(zhǎng)，那必須是雨露均沾，人人有份，雞蛋不能放在一個(gè)籃子里。

現(xiàn)在就月球著陸器還沒(méi)著落，于是NASA展開(kāi)了招標(biāo)，有三家來(lái)競(jìng)標(biāo)，一家是藍(lán)色起源，一家航天動(dòng)力公司，還有就是SpaceX，本來(lái)NASA是3取2，刷掉一家。結(jié)果等到NASA公布結(jié)果的時(shí)候，差點(diǎn)把藍(lán)色起源的老板貝佐斯的鼻子給氣歪了。欲知后事如何，且聽(tīng)下回分解。關(guān)注“科學(xué)聲音”吧。