甲烷动力星虫弹跳成功，支撑星船登陆火星梦想
呼风唤雨◇让消费者看见品质更好的产品
作者 | 张雪松
SpaceX公司老板马斯克的猎鹰九号和猎鹰重型火箭使用液氧煤油发动机，实现了部分重复使用，发射价格十分低廉，在国际商业发射市场上获得了空前的成功，马斯克还雄心勃勃地研制新火箭，这就是跨时代的星船（Starship）。按照马斯克的设想，星船将是人类驶向火星开展殖民的渡船，而火星上可找不到什么煤油，运输大量的液氢当燃料更是天方夜谭，好在火星有水，同时稀薄的大气几乎全是二氧化碳，通过萨巴蒂尔反应可以生成液氧和甲烷，正因为如此，马斯克特意研制了猛禽液氧甲烷发动机，而星虫的腾空一跳正是人类液氧甲烷发动机的首次升空。
起飞的星虫，看到那个小点了吗？
液氧甲烷发动机并不是新鲜事物，人类研制液体火箭发动机时几乎尝试了所有能用到的推进剂组合，液氧甲烷也不例外。常见的液体推进剂中，硝酸/煤油、硝酸/肼和四氧化二氮/肼等组合具有常温下储存使用的便利，是液体导弹的首选；液氧煤油组合使用也比较方便，而且比冲略高，备受液体火箭的青睐；至于氢虽然储存和使用极为麻烦危险，但液氧液氢组合的比冲极高，也得到了广泛应用。
相比之下，液氧甲烷推进剂组合有些尴尬，液氧甲烷发动机的比冲只比液氧煤油略高，但远低于液氧液氢发动机，面对液氧煤油发动机广泛应用的现实，各国航天机构虽然开展了不少研究，但始终缺乏足够动力将液氧甲烷发动机实用化，导致今天没有一种液氧甲烷发动机用于航天发射。
三十年河东三十年河西。随着重复使用火箭日益热门，对重复使用液体火箭发动机的需求也日益突出。液氧液氢发动机复用性能当然很好，但它研制使用成本太高，液氧煤油发动机则存在积碳问题，而原来地位尴尬的液氧甲烷发动机就脱颖而出了。马斯克的火星殖民梦想，也是选择液氧甲烷发动机的重要原因，并带动了一大批跟风者。此外，页岩气革命也是一个好消息，天然气和甲烷的价格大幅度降低，液氧甲烷推进剂比液氧煤油还要便宜。综合这些因素，液氧甲烷发动机一下成了航天动力的大热门！
美国的SpaceX公司和蓝色起源公司都在研制大推力液氧甲烷发动机，而我们中国也有蓝箭、九州云箭和星际荣耀等公司正在研制液氧甲烷发动机，但这些发动机此前都没有脱离试车台。现在SpaceX公司星虫试验器的垂直起降弹跳，成为人类液氧甲烷发动机的首次升空，是液氧甲烷发动机发展史上的重要里程碑。不远的将来，液氧甲烷发动机还会飞得更高，并用于轨道发射任务。
SpaceX公司曾研制蚱蜢（GrassHopper）垂直起降试验器，验证火箭垂直降落技术，为猎鹰九号火箭的成功降落奠定了扎实的基础。而SpaceX公司正在研制的星船，作为新一代运载工具将取代猎鹰九号和猎鹰重型火箭。星船长度为118米，直径高达9米，根据马斯克推特上的最新消息，它的近地轨道理论运载能力为150吨，还可将30-40吨的货物送入倾角27度的地球同步转移轨道。星船不仅是运力百吨级的重型火箭，同时还追求重复使用，作为一种二级构型完全重复使用的运载工具，其技术难度和风险可想而知，即使猎鹰九号火箭的一级降落回收已经司空见惯，但星船的研制仍然要充分做好验证，这就是星虫的由来和使命。
测试版星虫和正式版星船一样，都使用不锈钢焊接制造。SpaceX公司在马斯克领导下，在德克萨斯州的博卡奇卡（Boca Chica）发射场露天建造星虫。2018年底露面时星虫还被误认为水塔，而后我们一天天看着它焊接、拼合、长高，其中还有头锥被大风吹掉的事故……马斯克干脆大手一挥，试验垂直起降的星虫不再装头锥了，反正当年的两只“蚱蜢”都从来没有什么整流罩/头锥。星虫装上头锥高度可达约40米，直径和星船一样是9米，现在没有头锥它仍然是一个庞然大物，外形上完全是一只超大号的暖瓶胆。
星虫安装了一台猛禽发动机，其约170吨的推力用于垂直起降试验绰绰有余，倒是降落时需要发动机节流，而SpaceX公司在猛禽发动机身上花了很大功夫试验深度节流能力，前不久才攻克了50%推力附近时出现的600赫兹振动问题，基本满足了星虫降落的需求。
首飞后降落的星虫，不锈钢外壳光亮如新
猛禽发动机
4月的首轮静态点火
如果按照马斯克在推特上的消息，今年4月的首轮静态点火中，星虫就离开了地面，但在系留状态只抬高了几厘米。考虑到静态点火时间仅有2秒左右，这种非典型的“弹跳”和正常的垂直起降完全是两回事，我们还是把7月的这次升空20米作为首次弹跳记录好了。这么大的不锈钢星虫完成首次垂直起落，验证了大尺寸不锈钢箭体制造的可行性，也检验了猛禽发动机的可靠性，推力矢量控制机构和算法也得到了验证，为未来更高高度的弹跳以及轨道星船的研制试验积累了经验和数据。
今年7月份，星虫试验器成功实现了20米高度的垂直起降试飞，但这只是日后更加频繁的试飞的开始，试飞高度也将芝麻开花节节高。根据SpaceX公司5月份向美国联邦通信委员会（FCC）申报的资料，未来低空试飞高度可达500米，而高空可达5000米。计划不如变化快，7月26日星虫首次无系留升空后，马斯克发布消息：一两周内将冲击200米升空高度，这样看来如果不出意外，星虫很快就将飞几百米并进一步冲击数千米飞行高度。
对于星虫和星船未来的研制进度，马斯克的态度十分乐观。他提到正在建造的原型版星船MK1也将很快进行垂直起降试飞。星船MK1将安装3台猛禽发动机，用于进行高空试飞，马斯克表示未来几个月内它就将进行20千米高度的试飞。毫不夸张的说，如果未来几个月甚至年底前星船MK1试验器真的飞到20千米高空，飞向地球轨道的正式版星船就算不说一片坦途，也是曙光在前了。不过马斯克的时间节点一向乐观，航天迷甚至发明了“马斯克时间”来描述他的宣传进度和实际进度的差别，但即使研制时间加倍，这样的效率也是让人极为震惊的。
今年5月底，SpaceX公司CEO肖特维尔女士在麻省理工学院表示，轨道版星船有望在一年半内首飞，换句话说，那个全复用时运载能力仍超过100吨的科幻造物，有望在2020年底时发射升空，并进入地球轨道。星船还将跻身商业卫星发射市场，目前已经签下土耳其一颗通信卫星的发射合同，初步确定发射时间在2021年，虽然这有大马拉小车的嫌疑，但全复用的星船综合成本可能比猎鹰重型火箭还要低得多，有利于改善SpaceX公司的财务状况。
星船结构效果图
星船未来再入图
肖特维尔女士在麻省理工学院还提到，向火星运货的星船将在5年内发射。虽然新时间表比原计划晚了两年，不过马斯克表示将先用星船登月，再飞向火星，看来随着美国航天转向载人重返月球，SpaceX公司也要用星船分一杯羹了。肖特维尔透露的星船首飞进度十分激动人心，现在NASA就准备在阿尔忒弥斯登月计划中使用星船负责货运，如果波音公司再不努力保住2020年6月的SLS首飞节点，说不定星船就要比SLS重型火箭更早发射入轨，那SLS火箭未来的命运就不好说了。
或许未来登陆月球、火星还是要靠SLS，但并不是过去烧了一百多亿美元的那个SLS火箭。现在SLS火箭得到了美国传统航天州议员的坚定支持，被戏称为元老院发射系统（Senate Launch System），而7月26日星虫首飞试验后，SpaceX公司出现了Starship Launch System的叫法，缩写也正是SLS，未来私人公司的SLS会击败美国国会的SLS吗？让我们拭目以待吧。
End