近地轨道投送300吨？火箭运力能有多大

近日 ，近地箭运美国SpaceX公司首席执行官马斯克高调宣称 ，轨道“星舰”采取不回收模式，投送近地轨道运力有望达到300吨
。吨火那么“星舰”这个惊人的有多指标靠谱吗？当前限制火箭运力的因素有哪些？未来火箭的运力可以有多大  ？300吨并非天方夜谭按照SpaceX公司的宣传
，“星舰”是近地箭运为实现“殖民火星”“使人类成为多星球物种”等宏伟远景而研制的重型航天运载工具
，直径9米  ，轨道高约119米，投送起飞总重约5000吨，吨火今年4月20日进行了首飞试验，有多遗憾的近地箭运是未能成功 。“星舰”点火起飞瞬间当前 ，轨道“星舰”两级共使用39台液氧甲烷发动机
，投送起飞总推力约7600吨，吨火不回收模式下近地轨道运力有望达到250吨 ，有多两级回收重复使用模式下为150吨  。马斯克之所以自信满满地宣称“星舰”近地轨道运力可达300吨 ，将指标一口气提高20%，奥秘就在于发动机等火箭全系统改进升级。对于SpaceX公司来说，将火箭运力提升20%以上，已有先例，从当前风头正劲的猎鹰9火箭发展历程中就可一窥究竟。猎鹰9火箭V1.0版本2010年首飞成功 ，近地轨道运力10.5吨 ，后来陆续推出了近地轨道运力13.1吨的V1.1版本和近地轨道运力17.95吨的V1.2版本 ，目前频繁发射的Block5版本的近地轨道运力为22.8吨，而且仍在持续改进“挖潜”中。不难看出  ，其中每个版本相比上一个版本的运力提升均超过20% 。可以说，快速迭代 、持续完善技术与产品是SpaceX公司的“套路”，频繁发射的猎鹰9火箭尚且如此，更不必说仍处于研制阶段“星舰”了 。事实上，“星舰”始于2016年国际宇航大会上亮相的大猎鹰火箭
，至今已经过7年10轮以上的方案迭代
，其核心组成部分也在不断改进升级。以猛禽发动机为例，自2012年启动研制至今，已发展至第三代 
，并于今年5月13日进行静态点火测试
，推力高达269吨，而“星舰”首飞使用的第二代猛禽发动机推力230吨 。显然
，第三代猛禽发动机将有力支撑“星舰”运力提升 。猛禽发动机测试现场马斯克透露，基于第三代猛禽发动机，“星舰”第二级会加长10米 ，配备的真空版猛禽发动机由3台增至6台。届时，加长版“星舰”的总高度将从目前119米增至129米 ，预计起飞总重超过6000吨。计算可知，加长版“星舰”如果在起飞总重6000吨的情况下实现近地轨道运力300吨 ，运载效率高达5%。相比之下 ，美俄欧日多款主力火箭的运载效率在3.5%左右 ，猎鹰9火箭的运载效率为4.15% 。“星舰”的运载效率指标如此之高，最主要因素有两点 。一是采用了高性能液氧甲烷全流量补燃循环发动机，兼顾了比冲、重复使用、操作维护等多方面性能 ，真空比冲高达380秒，而且第二代猛禽发动机质量仅有1.6吨，推质比150。二是“星舰”通过共底贮箱等手段实现了轻质化设计 ，超重助推级结构系数约7% ，而当前主流火箭子级结构系数普遍在10%左右 。战胜“两大拦路虎”航天界将近地轨道运力20吨级的火箭称为大型火箭，将运力超过100吨的火箭称为重型火箭，要想实现运力大幅提升，均需突破大量关键技术。据公开资料显示，我国长征五号火箭突破了以大型液体火箭总体优化设计、大直径箭体结构、120吨级高压补燃液氧煤油发动机等12项重大关键技术为代表的247余项关键技术
。分析火箭运力跨越提升的难点，最主要的还是大推力高性能发动机、大直径箭体结构这两项
，可谓是火箭运力提升的“两大拦路虎”。土星5号重型火箭发射俯瞰发动机是运载火箭的“心脏”  ，重要性不言而喻 。一般在同等设计水平下 ，火箭运力越大，起飞总重越大，对发动机提供的起飞推力需求就越大。当前火箭子级想要实现大推力，主要有两种途径：一是单台发动机推力大，发动机台数可以少一些，如土星5号火箭 、能源号火箭及SLS火箭等。其中
，美国登月火箭土星5号为了实现大运力，一子级采用5台推力690吨的F1液氧煤油发动机。最初几次发动机地面试验中 ，F1发动机因燃烧不稳定而频发爆炸，美国宇航局及洛克达因公司费了九牛二虎之力
，通过改进喷注盘构型 ，解决了燃烧不稳定问题。二是通过增加发动机台数来实现整体推力增大 。这虽然可以降低单台发动机的研制难度
，但多台发动机可靠并联使用又成为关键难点。苏联登月火箭N1的4次飞行试验均告失败，表明多台发动机集成以及由此衍生的振动、燃料输送  、控制等问题不容忽视
。好在技术总是不断前进发展的，猎鹰系列火箭成功实现了多台发动机并联的工程应用 。箭体直径是火箭的关键参数 ，决定了火箭长细比。从降低飞行载荷和火箭控制系统难度出发 ，火箭长细比应该尽量小，也就是大直径箭体的表现更好 。此外 ，大直径箭体可以装载更多推进剂，为火箭运力扩展提供了更大的空间。然而，箭体直径增大将带来尺寸效应（又称体积效应，指金属特性受几何尺寸大小的影响） ，对于压力更加敏感。与此同时，火箭轻质化需求越发迫切
。这对于厚度只有几毫米的火箭贮箱、壳段等结构件的设计、材料 、加工工艺都提出了极高的要求。我国长征五号火箭俗称“胖五”，正是因为其突破了5米直径箭体结构设计、制造与试验技术，实现了我国火箭箭体直径的跨越式发展。对于重型火箭而言 ，直径往往从10米级起步，其制造设备与工艺、结构运输与试验都是更大的难题。大航天时代“无边界”航天时代始于1957年10月  ，苏联发射了第一颗人造地球卫星。12年后，土星5火箭成功发射阿波罗11号飞船 ，人类足迹首次踏上外星球 。然而 ，此后的50多年间，人类没能再将足迹拓展到更远 。由于没有任务需求牵引 ，土星5号重型火箭仅执行了13次发射任务就进入博物馆 ，苏联能源号重型火箭同样因形势和任务变化而“折戟沉沙” 。苏联能源号重型火箭“壮志未酬”21世纪初，随着一系列宏伟航天计划和工程需求的提出，重型火箭再次进入公众视野。美国宇航局先后开展了战神5号重型火箭和SLS重型火箭的研制，虽然前者遗憾“夭折”
，后者的技术水平相比土星5号火箭并无显著优势，但新的任务需求为重型火箭的发展提供了新机遇。之后 ，“星舰”不仅接过了进入工程阶段的最大火箭“接力棒”，还为后来者提供了更多研发设计的前车之鉴 。未来，新型材料、新概念动力、创新结构设计等都有望助力人类将更大更重的有效载荷投送到目标轨道。最大的利好消息是 ，当前人类已经迈进了以巨型星座建设 、大规模深空探测、1小时全球运输为代表的大航天时代，开发与利用空间任务的规模不断扩大，为重型火箭的应用提供了广阔空间  。无论是数以万计的卫星部署计划，还是更周密 、更注重实效的月球、火星等深空任务 ，或者是1小时全球商业运输任务等新概念物流畅想 ，都有望促使重型火箭加速发展 。不难想象，在大航天时代的多样化需求牵引下
，火箭起飞规模将越来越庞大 ，火箭运力将提升到前人感觉不可思议的水平 ，也许将是“无边界”的 。站在当下 ，我们无法精确地预言未来火箭究竟会有多大的运力
，就如同几百年前乘坐小木船漂洋过海的先人们不可能想到今天行驶在汪洋大海中的巍巍巨轮，不过重型火箭未来一定可以促进近地空间开发更完善 ，帮助人类飞向更远。本文原载于《中国航天报·飞天科普周刊》6月3日一版作者/吴胜宝编辑/高辰审核/杨蕾监制/索阿娣举报/反馈