種種跡象表明，由ChatGPT引發(fā)的算力軍備競賽已經(jīng)悄然而至了。

終于，到了檢驗(yàn)人類最大火箭發(fā)射的時(shí)候了。

2023年4月17日，SpaceX將其大型深空火箭Starship發(fā)射升空，發(fā)射地點(diǎn)為SpaceX位于得克薩斯州博卡奇卡的“星際基地”。Starship總高度約120米，由底部70米高、配備33臺“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)的超重型推進(jìn)器和頂部50米高、可重復(fù)利用的飛船船艙組成。馬斯克曾表示，Starship飛船首次發(fā)射成本約30億美元。

根據(jù)SpaceX的設(shè)想，Starship是一種完全可重復(fù)使用的運(yùn)輸系統(tǒng)，可以將航天員和貨物運(yùn)送到地球軌道、月球、火星等地。

此次發(fā)射，風(fēng)險(xiǎn)很高，馬斯克自己也只有五成的把握。但是，無論此次成功與否，都具有重要的意義。以Starship為代表的深空火箭，開啟了人類深空探險(xiǎn)的新篇章，其價(jià)值主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

高運(yùn)載能力：Starship的近地軌道運(yùn)載能力約為150噸，遠(yuǎn)高于美國“太空發(fā)射系統(tǒng)”及“土星五號”火箭。在不考慮回收的情況下，Starship的有效載荷更高達(dá)250噸-300噸，為未來更大規(guī)模的太空任務(wù)提供了有力支持。

可重復(fù)使用：Starship作為一種完全可重復(fù)使用的運(yùn)輸系統(tǒng)，能夠?qū)⒑教靻T和貨物運(yùn)送到地球軌道、月球、火星等地。這一特點(diǎn)顯著降低了飛行成本，為未來太空探索提供了巨大的潛力。

打開了探索火星的可能性：SpaceX的愿景是實(shí)現(xiàn)火星殖民。借助Starship的低發(fā)射成本和高運(yùn)載能力，SpaceX計(jì)劃建造1000艘Starship組成的太空艦隊(duì)，以將10萬人和相關(guān)物資運(yùn)送到火星，實(shí)現(xiàn)火星殖民的夢想。

接下來，我們就以上三個(gè)方面來展開更深入的討論。

火箭的運(yùn)載能力

先來看看火箭的運(yùn)載能力。

在航空航天領(lǐng)域，不斷提升火箭的運(yùn)載能力，是航天人永恒不變的追求。為此，火箭越做越大。

那么，為什么要將火箭越做越大，影響火箭運(yùn)載能力的關(guān)鍵要素有哪些，如何提升火箭的運(yùn)載能力？

事實(shí)上，火箭“大”有大的道理，火箭越大，運(yùn)載能力越強(qiáng)，而提升運(yùn)載能力有很多作用。例如，提高火箭的運(yùn)載能力，使其能夠執(zhí)行發(fā)射大型通信衛(wèi)星、天文觀測設(shè)備等更多大型任務(wù)；更高的運(yùn)載能力使得火箭能夠攜帶足夠的燃料和設(shè)備，支持深空探測任務(wù)，如對月球、火星等星球的探測；具備較高運(yùn)載能力的火箭可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，從而提高發(fā)射效率，降低成本；越來越多的載人航天任務(wù)需要更高的運(yùn)載能力，以滿足人類在太空生活和工作的需求。

此前保持“人類最大運(yùn)載火箭”稱號的是美國“土星五號”火箭，它高約111 米，可發(fā)射約130噸有效載荷進(jìn)入地球軌道，將約50噸有效載荷送往月球。相比之下，完全可重復(fù)使用Starship的近地軌道運(yùn)載能力約為150噸。在不考慮回收的情況下，Starship有效載荷高達(dá)250噸-300噸，明顯技高一籌。

那么，為什么Starship能夠達(dá)到這么高的載荷呢？它在火箭技術(shù)上都有哪些突破和創(chuàng)新。

大體來看，Starship在火箭技術(shù)方面有三個(gè)重要的創(chuàng)新：

液氧甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)+全流程燃燒循環(huán)技術(shù)。SpaceX自主研發(fā)了一種全新液氧甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)——猛禽，甲烷作為燃料，比傳統(tǒng)的液氫和液氧燃料更容易儲存和攜帶，有利于降低火箭的復(fù)雜性和成本。此外，猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)采用了全流程燃燒循環(huán)技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的氣體發(fā)生器循環(huán)和燃燒器循環(huán)，全流程燃燒循環(huán)技術(shù)可以更有效地利用燃料，提高火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率和推力。

用不銹鋼作為主要材料。SpaceX在Starship的設(shè)計(jì)中采用了不銹鋼作為主要材料。相比傳統(tǒng)的鋁合金或碳纖維材料，不銹鋼在高溫環(huán)境下具有更好的抗熱性和強(qiáng)度，從而減少了火箭在大氣再入過程中所需的熱防護(hù)措施。此外，不銹鋼材料成本相對較低，有助于降低火箭的制造成本。使用不銹鋼材料還可以提高火箭的耐用性，有利于實(shí)現(xiàn)火箭的多次重復(fù)使用。

多臺發(fā)動(dòng)機(jī)的“捆綁”設(shè)計(jì)。Starship通過多臺發(fā)動(dòng)機(jī)組合可以提供更大的推力，提高火箭的運(yùn)載能力。此外，這種設(shè)計(jì)方式可以提供更好的冗余性，在某些情況下即使部分發(fā)動(dòng)機(jī)失效，火箭仍然可以繼續(xù)飛行。

既然這種火箭設(shè)計(jì)方式有很多優(yōu)點(diǎn)，那為什么以前沒采用呢？這是因?yàn)檫@種組合式火箭需要克服一系列的技術(shù)難題，其中最關(guān)鍵的是要解決好三個(gè)問題：構(gòu)建復(fù)雜的液氧和甲烷供應(yīng)系統(tǒng)，為33臺發(fā)動(dòng)機(jī)精確控制燃料分配；確保所有發(fā)動(dòng)機(jī)在不同階段的火箭飛行中協(xié)同工作，這需要精確控制每臺發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，以實(shí)現(xiàn)火箭整體的穩(wěn)定性和可靠性；更好的熱管理，解決發(fā)動(dòng)機(jī)之間產(chǎn)生的熱量對火箭結(jié)構(gòu)和其他發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。

雖然過去有過類似的多發(fā)動(dòng)機(jī)火箭設(shè)計(jì)，如蘇聯(lián)的N1火箭（使用30個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)），但Starship的設(shè)計(jì)在許多方面都具有創(chuàng)新性。例如，Starship的33臺猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)采用對稱布局，提供均衡的推力，降低發(fā)動(dòng)機(jī)之間的干擾和振動(dòng)；部分發(fā)動(dòng)機(jī)可以進(jìn)行推力調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的飛行階段和需求。正是因?yàn)橹T多技術(shù)創(chuàng)新，Starship才敢將33臺猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)組合起來。

我們不禁要問，既然通過這種組合方式可以大幅度提升火箭的整體推力，那提升載荷豈不是就簡單了？比如，下一版本可以組裝50臺猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)，再下一次可以組裝100臺猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)。

然而，通過組裝多臺發(fā)動(dòng)機(jī)提升整體推力這條路，并不能一直走下去，捆綁發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量的增加會帶來一系列技術(shù)挑戰(zhàn)和限制。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量的增加，火箭的整體結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。這可能會導(dǎo)致火箭的尺寸、重量和整體強(qiáng)度受到限制。同時(shí)，火箭的質(zhì)量會隨著發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量的增加而增加，可能導(dǎo)致火箭的有效載荷降低；為更多的發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃料需要更復(fù)雜的燃料供應(yīng)系統(tǒng)，這將增加火箭的復(fù)雜性和重量，可能會降低火箭的整體性能；隨著發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量的增加，協(xié)同控制的難度也會增加，熱量管理也會變得更為復(fù)雜。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量的增加，火箭的制造成本和復(fù)雜性也將提高。同時(shí)，可靠性可能會降低，因?yàn)楦嗟陌l(fā)動(dòng)機(jī)意味著更多的潛在故障點(diǎn)。盡管理論上沒有明確的上限來限制捆綁猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)量，但實(shí)際上，需要在發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量、火箭性能、成本和可靠性等多個(gè)方面找到一個(gè)平衡點(diǎn)。

也許，可以將50臺猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)“捆”在一起，但要是100臺估計(jì)就不太可能了。

可重復(fù)使用

分析完火箭的運(yùn)載能力，我們再來分析一下Starship的可重復(fù)使用特性。

為了更全面的了解人類火箭發(fā)射的發(fā)展歷程，數(shù)據(jù)猿系統(tǒng)梳理了人類歷史上的一些重要火箭發(fā)射事件，如下表：

從上表可以發(fā)現(xiàn)，縱觀整個(gè)人類的火箭發(fā)射歷史，SpaceX在可重復(fù)火箭使用方面都占據(jù)了核心的位置。在SpaceX之前，美國斥巨資開發(fā)了航天飛機(jī)，以期通過重復(fù)使用來降低航天成本。然而，航天飛機(jī)是一個(gè)失敗的項(xiàng)目，尤其是在成本控制方面。

真正通過可重復(fù)復(fù)使用顯著降低發(fā)射成本的，是SpaceX。SpaceX發(fā)射的Falcon 9成為可回收火箭的先驅(qū)。

在此次發(fā)射的Starship飛船，可重復(fù)性也是其關(guān)鍵特征。Starship主要是兩部分組成：一個(gè)高約50米的Starship飛船船體，一個(gè)高達(dá)70米的超級重型火箭，這兩部分都被設(shè)計(jì)成可以重復(fù)使用。

外行看熱鬧，內(nèi)行看門道。在此，我們試圖來拆解一些Starship實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用的一些技術(shù)秘訣。

在Starship的回收使用過程中，以下幾項(xiàng)技術(shù)最為關(guān)鍵：

動(dòng)力下降與制導(dǎo)

Starship著陸時(shí)采用動(dòng)力下降方法，即通過調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)推力來實(shí)現(xiàn)對速度和落地位置的精確控制。與傳統(tǒng)的降落傘著陸方式相比，動(dòng)力下降具有更高的精確度和可靠性。Starship在著陸過程中利用實(shí)時(shí)測量和計(jì)算來調(diào)整其姿態(tài)、速度和軌跡，確保其能夠在預(yù)定的著陸區(qū)域內(nèi)安全著陸。

在實(shí)現(xiàn)動(dòng)力下降的過程中，Starship將33臺猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)組合的動(dòng)力方式發(fā)揮了重要作用。通過獨(dú)立地調(diào)整每臺發(fā)動(dòng)機(jī)的推力大小和工作狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)火箭在各個(gè)階段的動(dòng)力需求。這種設(shè)計(jì)可以提高火箭的燃料效率，同時(shí)確保在某些發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障的情況下，仍然可以繼續(xù)完成任務(wù)。在火箭返回大氣層和著陸過程中，多臺發(fā)動(dòng)機(jī)的組合可以為飛船提供更穩(wěn)定和可控的下降軌跡。通過對各個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的獨(dú)立控制，可以實(shí)現(xiàn)更精確的姿態(tài)調(diào)整，從而提高著陸精度。在某些情況下，如果某個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障，其他正常工作的發(fā)動(dòng)機(jī)可以彌補(bǔ)失效發(fā)動(dòng)機(jī)的推力損失，確保火箭能夠繼續(xù)飛行。

姿態(tài)感知與矢量控制

火箭實(shí)現(xiàn)安全著陸的核心，是要根據(jù)火箭的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)的調(diào)控，讓整個(gè)下降過程都處于可控的狀態(tài)。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，首先必須要精準(zhǔn)感知火箭的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

在下降過程中，Starship通過一系列傳感器、導(dǎo)航系統(tǒng)和控制算法來評估自身的狀態(tài)和位置，核心系統(tǒng)包括：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS），慣性導(dǎo)航系統(tǒng)利用加速度計(jì)和陀螺儀來測量飛船的加速度和角速度。通過積分這些數(shù)據(jù)，INS可以計(jì)算出飛船的速度、位置和姿態(tài)。這種系統(tǒng)在無需外部信號的情況下可以獨(dú)立運(yùn)行，對于火箭而言具有很高的可靠性；全球定位系統(tǒng)（GPS）接收器，GPS接收器通過接收地球軌道衛(wèi)星發(fā)射的信號來計(jì)算飛船的精確位置和速度。盡管GPS在大氣層外的信號衰減較大，但與INS數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以提高導(dǎo)航精度；高度計(jì)和速度計(jì)，雷達(dá)高度計(jì)和速度計(jì)可測量飛船距離地面的高度和速度。在著陸過程中，這些數(shù)據(jù)用于調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)推力以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)著陸。

精確感知火箭的狀態(tài)之后，接下來就需要依據(jù)狀態(tài)來進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整，這涉及到姿態(tài)控制系統(tǒng)。姿態(tài)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)整飛船的姿態(tài)，以實(shí)現(xiàn)所需的飛行軌跡和減速，這可以通過改變發(fā)動(dòng)機(jī)的推力矢量、操作柵格翼以及使用反作用控制系統(tǒng)（RCS）來實(shí)現(xiàn)。控制系統(tǒng)的核心是控制算法，Starship的控制算法根據(jù)傳感器和導(dǎo)航系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)來確定飛船的狀態(tài)，并計(jì)算出必要的指令。這些指令通過閉環(huán)控制系統(tǒng)發(fā)送給各個(gè)執(zhí)行部件（如發(fā)動(dòng)機(jī)、柵格翼和RCS），以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整。

在接到調(diào)控指令之后，發(fā)動(dòng)機(jī)也需要進(jìn)行精準(zhǔn)的動(dòng)力控制。為了實(shí)現(xiàn)精確的姿態(tài)控制和著陸，Starship采用了矢量控制技術(shù)，這種技術(shù)允許發(fā)動(dòng)機(jī)在推力矢量方向上進(jìn)行微小調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對飛船姿態(tài)的精確控制。矢量控制系統(tǒng)通常包括推力矢量噴管、液壓驅(qū)動(dòng)裝置和控制器等組件。

此外，Starship還有一些獨(dú)特的技術(shù)，最典型的就是柵格翼控制和“腹部跳躍”。通過改變柵格翼的角度和展開程度，火箭可以在高速下降過程中實(shí)現(xiàn)精確的航向和姿態(tài)控制。Starship在返回大氣層時(shí)，采用一種名為“腹部跳躍”的獨(dú)特降落方式。飛船先以腹部朝地面的姿態(tài)進(jìn)入大氣層，利用機(jī)身的氣動(dòng)特性產(chǎn)生阻力，實(shí)現(xiàn)減速。在這一過程中，飛船還可以通過調(diào)整姿態(tài)來改變下降軌跡，從而實(shí)現(xiàn)更精確的著陸。

值得注意的是，火箭重復(fù)使用是一個(gè)系統(tǒng)工程，除了單點(diǎn)技術(shù)創(chuàng)新外，還需要配套很多其他方面的能力。

例如，為了確保可重復(fù)使用，猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)必須具有較長的使用壽命和出色的可靠性。猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)采用全流燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，提高了燃燒效率，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)磨損，從而延長了壽命。SpaceX在Starship中采用了不銹鋼作為主要結(jié)構(gòu)材料，這種材料具有較高的強(qiáng)度和耐熱性，同時(shí)成本較低。SpaceX研發(fā)了一種名為“六邊形熱防護(hù)瓦”的輕質(zhì)熱防護(hù)材料，覆蓋在Starship飛船的外表面，這些瓦片可以在飛船重返大氣層時(shí)承受極高的溫度。

為了簡化維護(hù)和降低成本，Starship飛船的許多部件被設(shè)計(jì)成可回收和可替換。這意味著在飛船完成任務(wù)后，這些部件可以輕松地回收和重復(fù)使用，或者在必要時(shí)進(jìn)行更換。為了實(shí)現(xiàn)高頻次的重復(fù)使用，Starship飛船和超級重型火箭需要在完成任務(wù)后快速進(jìn)行整備和發(fā)射。這要求對火箭各部件進(jìn)行維護(hù)和檢查的時(shí)間大大縮短，同時(shí)簡化整個(gè)發(fā)射過程。這需要在火箭設(shè)計(jì)、地面設(shè)施和發(fā)射操作等方面進(jìn)行創(chuàng)新。

移民火星的可能性

眾所周知，馬斯克對登錄火星有很強(qiáng)的執(zhí)念，他創(chuàng)造SpaceX最主要的目標(biāo)就是要實(shí)現(xiàn)人類的火星移民?？梢哉f，Starship的此次發(fā)射也是為將來登錄火星做準(zhǔn)備的。

馬斯克曾公開聲稱，一旦Starship試驗(yàn)成功，就將啟動(dòng)規(guī)模化生產(chǎn)。如果以每年建造100艘，那在10年內(nèi)就能打造一個(gè)由1000艘Starship組成的太空艦隊(duì)，有望將10萬人送到火星。

夢想總是要有的，萬一實(shí)現(xiàn)了呢。

最后，就讓我們暢想一下人類大規(guī)模移民火星的那一天吧！

為了讓讀者提前感受一下那激動(dòng)人心的時(shí)刻，我們模擬了移民火星的整個(gè)過程：

在準(zhǔn)備將人類送往火星之前，首先需要確定一個(gè)合適的發(fā)射窗口。地球和火星每26個(gè)月左右會出現(xiàn)一次較近的距離，這個(gè)時(shí)間是最佳的發(fā)射窗口。

經(jīng)過長時(shí)間的精心策劃和準(zhǔn)備，終于到了發(fā)射的日子。在發(fā)射場上，龐大的Starship火箭矗立在發(fā)射塔旁，它分為上下兩層：上層是飛船部分，裝有乘員艙、貨艙和生命支持系統(tǒng)；下層則是強(qiáng)大的助推器，負(fù)責(zé)將飛船送入地球軌道。

在火箭發(fā)射之前，工程師們對Starship進(jìn)行了一系列的檢查和測試，以確保其性能完好無損。發(fā)射當(dāng)天，地面控制中心緊張而充滿期待地監(jiān)控著火箭的各項(xiàng)參數(shù)。

Starship火箭的一大特點(diǎn)是其強(qiáng)大的推力，這要?dú)w功于其龐大的猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)群。擁有數(shù)十臺猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)，Starship具備了巨大的載荷能力。當(dāng)發(fā)射倒計(jì)時(shí)接近尾聲時(shí)，所有猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒起液體甲烷和液氧，逐漸積累足夠的推力。在計(jì)時(shí)器歸零的一剎那，火箭從發(fā)射塔上沖天而起，強(qiáng)大的推力將它推向地球軌道。

火箭緩緩升空，穿過地球大氣層，最終進(jìn)入預(yù)定軌道。在地球軌道上，助推器與飛船成功分離，助推器返回地球，而飛船則繼續(xù)前往火星。

在地球軌道停留約1周后，航天器將進(jìn)入火星轉(zhuǎn)移軌道，開始長達(dá)6-9個(gè)月的太空飛行。在長達(dá)數(shù)月的太空旅程中，宇航員們依靠飛船上的生命支持系統(tǒng)維持生活。他們定期進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，收集太空數(shù)據(jù)，并通過先進(jìn)的通信設(shè)備與地球保持聯(lián)系。

經(jīng)過數(shù)月的旅程，飛船終于抵達(dá)火星。在進(jìn)入火星大氣層之前，宇航員們對飛船進(jìn)行了一次全面檢查，以確保各項(xiàng)設(shè)備運(yùn)行良好。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)，飛船調(diào)整姿態(tài)，以最佳角度進(jìn)入火星大氣層。

Starship火箭在火星著陸階段展示了其先進(jìn)的技術(shù)特性，如動(dòng)力下降、制導(dǎo)、姿態(tài)感知與控制以及矢量引擎。在火星大氣層中，火箭的姿態(tài)感知與控制系統(tǒng)確保了飛船能夠保持穩(wěn)定的飛行姿態(tài)。當(dāng)飛船降至合適高度時(shí)，它會部署降落傘進(jìn)一步減速。

在距離火星表面不遠(yuǎn)處，飛船的矢量引擎將重新點(diǎn)燃，實(shí)現(xiàn)火箭助推減速。這一階段對發(fā)動(dòng)機(jī)控制的精度要求非常高，以確保飛船在火星表面實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)著陸。通過Starship火箭的技術(shù)，宇航員們成功在火星表面著陸，開始了他們在這顆紅色星球上的探險(xiǎn)。

文：一蓑煙雨 / 數(shù)據(jù)猿

來源：數(shù)據(jù)猿