BFR--太空飛行的全能航天器

今年2月6日，SpaceX的獵鷹重型火箭成功首飛，Starman“駕駛”紅色跑車在近地軌道環(huán)游的畫面為SpaceX賺足了眼球。雖然“登月以來最強(qiáng)”的獵鷹重型火箭讓SpaceX的太空發(fā)射能力獲得了提升，但它還是無(wú)法實(shí)現(xiàn)艾隆·馬斯克投身航天事業(yè)時(shí)“讓人類移民火星，成為多星球物種”的初心。獵鷹重型火箭擁有向火星發(fā)射16.8噸載荷的能力，但由于SpaceX取消了本來打算用來載人去往紅星的“紅龍”飛船研發(fā)計(jì)劃，因此沒有載人飛船與獵鷹重型火箭相匹配來完成登陸火星的壯舉。

然而，這并不意味著馬斯克火星之夢(mèng)的破碎。與之相反，馬斯克正領(lǐng)導(dǎo)SpaceX全力投入下一代BFR箭船綜合體的研發(fā)。而一旦BFR研發(fā)完成，則將替代目前SpaceX的所有發(fā)射載具，成為能夠執(zhí)行幾乎所有太空飛行任務(wù)的航天器。

劃時(shí)代的強(qiáng)大載具

BFR設(shè)計(jì)來源于馬斯克在2016年提出的“星際旅行系統(tǒng)”。經(jīng)過其后一年多的研發(fā)，馬斯克在2017年9月的國(guó)際航天大會(huì)上宣布，用性價(jià)比更好的BFR方案代替了“星際旅行系統(tǒng)”。BFR的直徑高達(dá)9米，長(zhǎng)度達(dá)到了106米，由兩級(jí)組成。第一級(jí)安裝了多達(dá)31臺(tái)“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠在起飛時(shí)提供5400多噸的巨大推力，將第二級(jí)送入近地軌道。第二級(jí)則采用飛船與推進(jìn)器的一體化設(shè)計(jì)，其外形與美國(guó)的航天飛機(jī)相仿，在SpaceX發(fā)布的文件中也將第二級(jí)稱為“BFR飛船”。

BFR飛船能夠向近地軌道運(yùn)載150噸載荷，比人類歷史上運(yùn)載能力最強(qiáng)的土星5號(hào)登月火箭還要高10噸。BFR飛船上安裝了四臺(tái)“猛禽”主發(fā)動(dòng)機(jī)和兩臺(tái)中心游動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中主發(fā)動(dòng)機(jī)的推力較大但擺動(dòng)速度和范圍有限，主要用來提供飛船變軌的推力。而推力相對(duì)較小但擺動(dòng)速度和范圍大的兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)則為飛船提供精準(zhǔn)的姿態(tài)控制。BFR飛船尾部布置了兩個(gè)三角形翼面，翼面上還安裝了可動(dòng)的襟翼，可以根據(jù)飛船飛行環(huán)境的大氣濃度、搭載載荷的多少等因素靈活調(diào)整飛船的氣動(dòng)外形，使之可以靈活應(yīng)付去往不同星球、搭載不同載荷的各類任務(wù)。

(SpaceX的各型發(fā)射載具，自左至右依次為獵鷹1號(hào)、獵鷹9號(hào)、獵鷹重型和BFR。)

BFR飛船具有載人/貨運(yùn)飛船、衛(wèi)星發(fā)射飛船和燃料加注飛船三種工作模型。在執(zhí)行不同工作模式的任務(wù)時(shí)，BFR飛船的外形和總體結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生變化，只會(huì)對(duì)飛船內(nèi)的一些模塊進(jìn)行調(diào)整。得益于BFR飛船巨大的運(yùn)載能力和寬大的體積，在執(zhí)行載人飛行時(shí)飛船內(nèi)會(huì)分出約40個(gè)隔艙，每個(gè)隔艙內(nèi)可容納你2-3名太空旅客，讓這艘太空飛船和地球海洋上搭載旅客的郵輪變得越來越像。如果犧牲舒適性，每個(gè)隔艙內(nèi)可以容納5-6名太空旅客，使未來BFR可以像民航客機(jī)一樣，設(shè)置多個(gè)不同等級(jí)的艙位。BFR衛(wèi)星發(fā)射飛船發(fā)射衛(wèi)星的方式與航天飛機(jī)相似，衛(wèi)星被安裝在飛船上在載荷艙中。到達(dá)指定軌道后，BFR打開載荷艙門，將衛(wèi)星釋放出去。由于BFR的載荷艙體積高達(dá)825立方米，可以實(shí)現(xiàn)一些巨型載荷的發(fā)射。例如，如果科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了一臺(tái)口徑比哈勃望遠(yuǎn)鏡大3倍的天空望遠(yuǎn)鏡，BFR衛(wèi)星飛船可以一次性將這臺(tái)太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射入軌，且發(fā)射過程中望遠(yuǎn)鏡無(wú)需折疊。目前其他任何運(yùn)載火箭都不具備這個(gè)能力。

火星殖民的關(guān)鍵工具

BFR飛船的燃料加注模式，是為火星飛行量身定做的。從近地軌道進(jìn)入地球-火星轉(zhuǎn)移軌道要消耗不少燃料，如果飛船從地面起飛時(shí)就帶夠這部分燃料，勢(shì)必會(huì)減少最終能夠運(yùn)往火星的人員和貨物的重量。例如，獵鷹重型火箭可以將63.8噸的載荷送入近地軌道，但只能將16.8噸的載荷送到火星。為了解決這個(gè)問題，滿載燃料的BFR燃料加注飛船會(huì)先被發(fā)射到近地軌道上。之后，去往火星的載人/貨運(yùn)飛船會(huì)在基本不攜帶燃料的情況下到達(dá)近地軌道，與燃料加注飛船對(duì)接，進(jìn)行“太空加油”。在采用這種飛行模式后，BFR向火星軌道的運(yùn)載能力和向近地軌道的能力相等，均為150噸。一艘去往火星的載人/貨運(yùn)BFR飛船需要在近地軌道上進(jìn)行6-7次燃料加注后才會(huì)去往火星。在燃料加注過程中，兩艘飛船的尾部將會(huì)連接，并共同操作結(jié)合體向燃料加注飛船那個(gè)方向移動(dòng)，利用慣性將燃料移入載人/貨運(yùn)飛船中。

為獵鷹9號(hào)和獵鷹重型火箭的成功起到關(guān)鍵作用的Merlin發(fā)動(dòng)機(jī)，采用的是液氧-煤油的燃料方案，而BFR采用的猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)則采用了液氧-液態(tài)甲烷的燃料方案。之所以做出這樣的改變，是為了真正實(shí)現(xiàn)殖民火星而做的長(zhǎng)遠(yuǎn)打算?；鹦谴髿庵谐錆M了二氧化碳，在兩極的冰蓋中儲(chǔ)存有大量的水，以這二者為原料可以較為便捷的合成甲烷。SpaceX計(jì)劃在火星上建設(shè)一個(gè)燃料工廠，為BFR飛船提供返回地球所需的燃料。這樣，BFR飛船從地球出發(fā)時(shí)，就不用攜帶返航時(shí)的燃料，進(jìn)一步調(diào)高了運(yùn)載能力。 此外，由于火星的重力加速度小于地球，BFR飛船在火星起飛時(shí)無(wú)需一級(jí)火箭就能起飛返回地球，但運(yùn)載能力要減少到50噸。

相比那些只會(huì)紙上談兵的PPT公司，SpaceX從不會(huì)只把藍(lán)圖停留在發(fā)布會(huì)上。目前，裝配BFR的猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)已經(jīng)進(jìn)行了42次測(cè)試，其測(cè)試工作狀態(tài)已接近實(shí)際飛行時(shí)的工作狀態(tài)。在美國(guó)洛杉磯附近的海岸，SpaceX已經(jīng)開始著手建造用于生產(chǎn)BFR的新廠房。馬斯克雄心勃勃的表示，他有信心在2022年的火星發(fā)射窗口，向火星發(fā)射至少兩枚BFR貨運(yùn)飛船，對(duì)水資源和著陸點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行考察，確定著陸地點(diǎn)并卸下一些用以建立火星基地的基礎(chǔ)設(shè)施；在2024年火星發(fā)射窗口，將同時(shí)向火星發(fā)射貨運(yùn)和載人飛船，在火星建成燃料工廠，并為未來的火星城市建設(shè)最初的建筑。

自籌資金，繼續(xù)商業(yè)航天傳奇

除了火星任務(wù)外，BFR可以還可以執(zhí)行傳統(tǒng)的近地軌道的載人和貨運(yùn)飛行、衛(wèi)星發(fā)射飛行和月球登陸飛行。此外，馬斯克還計(jì)劃讓BFR稱為地球上不同城市快速旅行的工具。飛船在某個(gè)城市起飛后進(jìn)入近地軌道高速滑行，之后再入大氣層，在目的地著陸——現(xiàn)在也有飛行器采用這種方式飛行，但那是送來毀滅的洲際彈道導(dǎo)彈。一旦BFR研制成功，將替代獵鷹9、獵鷹重型火箭和龍飛船，成為SpaceX的全新一代宇航產(chǎn)品。

雖然BFR的運(yùn)載能力已經(jīng)超過了歷史上人類運(yùn)載能力最強(qiáng)的土星5號(hào)，但其單次飛行成本卻低的讓人難以置信。按照馬斯克目前公布的數(shù)據(jù)，BFR的單次飛行成本將低于世界上任何一種主流航天器。如此低的飛行成本得益于BFR更強(qiáng)的可回收能力。相比目前部分可回收的獵鷹系列火箭和龍飛船，BFR第一級(jí)火箭和第二級(jí)飛船均具備可回收用能力，且著陸時(shí)均采用發(fā)動(dòng)機(jī)減速的軟著陸方式，給重復(fù)利用前的檢修工作帶來到了方便，還增加了各個(gè)部件的使用壽命。

功能如此強(qiáng)大的宇航系統(tǒng)，必然需要消耗大量的資金進(jìn)行研發(fā)工作。據(jù)估計(jì)，BFR和SpaceX火星計(jì)劃的總研發(fā)預(yù)算可達(dá)百億美元量級(jí)。除了SpaceX自籌資金外，目前還沒有NASA等政府部門或基金會(huì)要對(duì)BFR的研發(fā)工作提供經(jīng)費(fèi)支持。馬斯克給出的經(jīng)費(fèi)解決方案是，使用目前的SpaceX生產(chǎn)能力產(chǎn)出較多的獵鷹9號(hào)火箭和獵鷹重型火箭，并利用這些火箭的重復(fù)利用能力支持今后一段時(shí)間的發(fā)射，將這些火箭的獲益投入BFR研發(fā)。

與此同時(shí)，將之前投入到獵鷹系列火箭上的人力資源和基礎(chǔ)設(shè)施投入到BFR的研發(fā)中，以節(jié)約成本。獵鷹9號(hào)火箭的技術(shù)性能目前已經(jīng)趨于穩(wěn)定，以相對(duì)優(yōu)惠的價(jià)格已經(jīng)在民用發(fā)射勢(shì)場(chǎng)上站穩(wěn)腳跟。而由于SpaceX火箭上所有的部件都是純粹的“美國(guó)制造”，相比依然依賴俄羅斯發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的其他美國(guó)發(fā)射服務(wù)商更受國(guó)防部和軍方等敏感部門青睞。如果SpaceX果真能夠使用自己的收入支撐BFR這種劃時(shí)代的宇航系統(tǒng)研發(fā)，也將是商業(yè)航天模式上的一個(gè)里程碑。