马斯克的星舰首飞四分钟后爆炸，星舰前辈航天飞机航天的低成本挑战 | 二湘空间
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编者按：美国东部时间4月20日，SpaceX在德克萨斯州南部发射星舰Starship，星舰首次成功从轨道发射台升空。当星舰爬升到墨西哥湾上空约 39 公里远的地点时失去高度，其间火箭经历了多次发动机熄火，并开始翻滚，然后在升空4分钟后爆炸。该如何评价这次发射，成功还是失败？我们会在六维发文详细分析，欢迎关注六维空间。
今天11维推文的作者海北尬生所学专业是航空，他仔细分析了星舰的前辈航天飞机，非常专业，欢迎收看。
今年最瞩目的事件就是马斯克的星舰的首飞，这绝对是航天界数一数二的大事。既然这样，我肯定免不了要写几篇关于马斯克和他的星舰的文章，并着重介绍一下它与其它航天事业的不同：他是成本导向，而不是目标导向。既然如此，我就应该在写这些文章之前稍微说一说航天与成本作斗争的历史。更何况，马斯克的星舰在一些技术上还是和航天飞机有相似之处的，我在这里介绍一下航天飞机，也可以算是给那几篇文章做一个好的铺垫。
美国航天飞机的论证大致开始于阿波罗时期，但是这显然不是第一次有人提出这样的概念。在我看来，如果我们想要寻找最早的航天飞机概念，我们需要把时钟再往前拨个20来年。在二战结束的最初几年里，世界上兴起的第一次航天热潮。之前的航天专家，比如齐奥尔科夫斯基或者奥伯特、戈达德之类的所做的也无非就是默默无闻的写几篇论文，做做实验，大众基本上不知道他们在干啥。但是这一批专家很幸运，他们找到了大众媒体这样一个媒介。美国著名杂志《科利尔》一连几个月聘请他们向大众讲解未来的航天，电视台也邀请他们做节目，甚至迪斯尼公司的老板也决定在迪斯尼乐园里建一个“未来世界”区，重点介绍航天。这些专家提出的方案都相当大胆，他们并没有拘泥那些能够立即实现的目标，而是一上来就开始讨论永久居留空间站、火星殖民等一系列至今都仍未实现的任务。
在这些人里，最出彩的就是冯·布劳恩了。虽然从事实上来说，他搞理论的能力显然不是最强的，搞工程的能力也未必比得上他的俄罗斯对手科罗廖夫，但他绝对是诸多航天专家中最懂得宣传的。布劳恩一度是电视节目的常客，用大比例的模型向民众介绍他的航天梦。他的计划既有大型空间站，又有殖民火星的计划，而这都需要一种运载量高且可重复使用的航天器，否则将很难控制住成本。布劳恩构思了一种航天飞机，这种航天飞机的机身基本上就是一个大圆锥，配上简单的后掠型机翼。如果硬要把他的构想和现实中的航天器做对比，我们就会发现，这种航天器在着陆的过程中，更像美国现有的航天飞机，而发射的过程更像马斯克的星舰。
布劳恩的构思在当年并非罕见。从事实上来讲，当年的火箭专家有两个潜在的载人航天方案选择：一种是依靠当时已有的导弹和探空火箭，设计出载重量小、不可重复使用，但技术难度小的航天用火箭；一种就是想办法让飞机飞的更高更快，高到飞过卡门线进入太空，快到可以用离心力抵消地心引力。第二个方案的难度显然更大，但他也有很诱人的地方：它基本上是可以保证可多次使用的，因此成本更低，同时乘坐起来更加舒适，而且因为它就算是不能像飞机一样水平起飞，至少也能水平着陆，因此，它可以快速周转，在经过简单的维护之后，就可以进行下一次飞行。如果你只是希望把人送入太空，这些当然没有什么吸引力，但如果你打算做一些诸如建造大型空间站或者殖民外星球的事，这些优势都是很关键的加分项。
因此，虽然太空竞赛的最初几个阶段，美国和苏联都不约而同的选用了第一个方案，以便尽可能早的把人送入太空，但第二个方案一直没有被放弃。双方一直在有意无意的做着这方面的研究。仅从美国而言，这方面最重要的一个研究就是X-15飞机。从照片上来看，这架飞机并不起眼，但事实上直到现在，它都是有人驾驶的飞的最快和最高的飞机。第一架穿过四倍，五倍，六倍声速的飞机都是它，第一架飞过卡门线的飞机也是它。也正因为如此，很多驾驶它的飞行员都获得了航天员的资格和称号，最典型的莫过于后来登上月球的阿姆斯特朗。当然，美国人研究X-15的目的并不是破纪录这么简单，除此之外，美国人还希望借它探索航天器在太空当中控制姿态的方法、应对空气与机身摩擦导致的气动加热的方法，研究人在失重状态下的工作和生活，并把它作为一些其他实验的平台，比如测试新型发动机、做一些天文学和物理学的实验等等。而最重要的是，虽然美国人并没有意向这样做，但它实际上论证了航天飞机的可行：把火箭发动机装在飞机上，真的可以把飞机送入太空，这样的飞机也足以应对一些关键的挑战，比如太空中的控制问题以及最终的可控着陆问题。虽然X-15无法进入轨道，但这并不是问题：把飞机造的再大一点、装的燃料再多一点、推力再强很多就可以了。
虽然有这样那样的成功，X-15仍然暴露出一个很严峻的问题：气动加热和随之而来的热防护。高速飞行的飞机的蒙皮会和空气高速摩擦，继而产生大量的热，这一点在返回时尤其显著。这个效应最明显的体现在机翼上，因为机头和机身仍然可以躲在机波里，但机翼必须伸出来直面激波，继而，在剧烈的摩擦中达到极高的温度。为了处理这样的问题，在最后的几次飞行中，X-15涂上了白色的一次性隔热层，但隔热层能够提供的防护也是有限度的。如果布劳恩真的把他那样的航天飞机造出来，那么，如何保护机翼将是他相当头疼的问题。
但或许，我们根本就不需要机翼呢？我们能不能设计一种机身，让他在返回的时候可以产生足够的激波，把机身包起来，同时又能产生足够的升力，实现可控制的水平着陆呢？基于此，美国人提出了升力体的概念，并制造了一系列测试飞行器，以检验其是否在大气中能够实现可控。图中这三架飞机从左至右分别是X-24、M2-F2和HL-10，虽然它们没有一个长得像飞机，但都确确实实飞起来过，最右边的HL-10甚至飞到了1.83倍声速，因此，它也是我最喜欢的一个升力体概念。尽管升力体飞行器的操作性和正常的飞机比仍然有一定的差距，但它至少是可控的，足以让它像飞机一样水平着陆。因此，当年的美国人是直接把他们看作未来航天器的缩比模型的。
虽然如此，这些实验项目还是无法成为美国当时航天研究的重点，对于苏联那边也是差不多的情况。当时正处在太空竞赛白热化的期间，美苏双方想的都是尽可能快的把人送上太空、实现太空行走，乃至登上月球，以便争夺政治和宣传上的桂冠，而并非尽可能经济、尽可能好的实现上述目标，争夺真正属于技术上和科学的桂冠。虽然航天飞机拥有着各种各样的优势，但他无疑要比一次性的火箭复杂，研制周期也一定更长，而这一点对它是致命的，双方都承担不起任何的延误。因此，一次性火箭的第一条方案一直是主流。
但是到了阿波罗计划的中后期，尤其是在阿波罗11号成功登月以后，情况变了。对于美苏双方而言，无论结果是否如愿，登月竞赛已经结束了，太空竞赛也已经告一段落。什么登陆火星的计划都太过遥远，在接下来的时间内，将要干什么成了双方都要考虑的问题。在无人航天方面，可以预料到行星探测器和卫星将成为主流；在载人航天方面，空间站的建设将成为双方的重点。像土星五号这样的火箭虽然在技术上绝对可行，但在经济上显然是不可接受的：土星五号的运力超过100吨，这其实是过剩的，同时，它的使用和研发成本极高，在阿波罗计划的最初几年里，NASA无论是预算还是雇员的数量都达到了之前的五六倍。在太空竞赛告一段落的年代，显然不可能理直气壮地要到这么多钱。一夜之间，美苏双方都开始讨论经济，于是可重复利用的航天飞机以及类似的设计迎来了春天。
1968年，NASA正式提出了要研究可重复利用航天器的计划。这个时间节点很有趣，因为1969年阿波罗11号就成功登月了。基本上来说，阿波罗计划一成功，航天飞机计划就被提了上来。有之前X-15和升力体飞行器的珠玉在前，美国诸多航天巨头都摩拳擦掌跃跃欲试，还没等NASA正式公布计划，他们就公布了一堆相关的概念。这些概念中，有的像大型的X-15之类的有翼飞机，也有的比较像升力体，比如洛克希德的这个starclipper：
还有一些干脆什么都不像，比如克莱斯勒设计的这个包子一样的东西：
当然，NASA自己也没有闲着，他们也在自行论证航天飞机应该采取什么样的设计。很快，他们就意识到，单级入轨并不是最好的选择，换言之，指望由一架航天器完成，从发射到返回的全过程是不太靠谱的。因此，他们提出把一个能送入轨道的航天飞机背在一架大型助推器上，形成一个两阶段的航天飞机。最终就形成了这样的设计。这个设计尺寸相当大，光是上面的轨道器就长达60多米。虽然这个设计与最终的航天飞机看起来差距很大，但事实上，航天飞机就是由它逐步演变而来。这也定下了航天飞机概念论证的调子，之后的设计在理念上都与这个很像。
这个计划无疑是可行的，但是也无疑是无法在预定的经费内完成的。就在这个项目提出的时间点附近，NASA的经费遭到了预料之中的雪崩式的削减。在太空中建设50人容量的空间站、在月球表面建设永久基地的计划都被取消，航天飞机项目的总预算也被定到55亿美元左右——也就是阿波罗项目总预算的1/5。于是这个项目只要想存在，就必须要随着萎缩的经费一起萎缩下去。一场瘦身仗就这样开始了。
首先要减小的是轨道器的尺寸。像所有航天器一样，轨道器和助推器中也有大量的空间被燃料箱占据。如果想要实现100%可重复利用，那么的确没有什么改进的方法，但如果不拘泥于这个数据，结果就是虽然使用成本会升高一些，因为需要制造一些不可回收的部件，但研发成本会大幅度下降。于是，美国科学家首先想到的就是把绝大多数燃料箱都单独拎出来，做成外挂的、可抛弃的，放在航天飞机轨道器的机翼上。这个效果立竿见影，轨道器一下子就变成了最终航天飞机的样子。助推器的尺寸也被等比例缩小了，这样就得到了航天飞机的第二个方案。但是单纯这样做似乎还不够控制成本，主要的问题在于，这样的方案仍然需要复杂的助推器。这个助推器需要有机翼，需要有自己的驾驶人员，本质上来讲就是一架大型飞机。因此，助推器的简化成了航天飞机控制成本的重中之重。人们最先想到的方法是利用已经成熟的火箭，换言之，把航天飞机安装在已有的火箭上。投标的供应商对这样的设计都非常热心，因为他们很多就是已有的火箭的制造商，如果他们能够把自己已有的设计利用好，就意味着他们几乎不需要投入什么成本改造生产线就可以签下一大单合同。比如说波音公司在阿波罗计划中制造了土星五号火箭的第一级，于是它就直接把航天飞机放到了这样的火箭上面。
但是波音这样的方案仍然不是最好的选择。这样一来，轨道器和助推火箭就需要安装各自的发动机，而轨道器的发动机在发射最初的阶段显然是没法使用的，只能作为累赘上天。于是，格鲁门公司等提出了这样的想法：既然之前的方案已经提到了安装可抛弃的燃料箱，就不妨把这样的燃料箱尽可能扩大，使之能够承载供发射使用的几乎所有燃料。反正对于一架火箭而言，90%以上的成本都集中在发动机上，而燃料箱是不安装发动机的，因此即使他不可回收，使用的成本也不会太高。不过，人们发现，这样的设计在发射重量上无法达到要求，于是人们又在燃料箱的外面加了两个助推器。这时的航天飞机已经基本上与最终版本一样了，但是在犹豫之后，NASA还是走出了控制成本的最后一步：他们决定把助推器从液体火箭转成固体火箭。虽然固体火箭安全性更差，但是它的成本更低，预计可以省下七亿美元的经费，对于总共经费不超过55亿美元的航天飞机项目来说，这无疑是一笔巨款。
美国的航天飞机就此定稿。但是世上没有不透风的墙，苏联人很快就知道了美国人在搞什么。此时，苏联航天的老大哥科罗廖夫已经去世多年，现在的掌门人是他当年的对头格鲁什科。对于这二人之间的恩怨，可以参见我写的那篇关于苏联登月的文章。和美国人一样，格鲁什科也在考虑可重复利用航器的问题，他也发现美国人的设计和他的有很多共同点。但格鲁什科最终还是展现出来了一位优秀科学家的素质，他决定在吸收美国航天飞机的特点的基础上，尽可能的将之与自己现有的研究结合，而非简单的照抄。这样的素质不单在人品上有意义，在工程上和经济上也有意义。
和美国不同的是，苏联并没有彻底终止登月计划，也没有搁置火星载人探测计划。输掉登月战争是苏联专家和领导人心中的一个坎，尽管苏联的国力已经不太可能允许他们再搞太空竞赛了，但他们仍然希望在未来能够争一口气。格鲁什科此时最主要的任务是开发能源号火箭。按照计划，这种火箭可以安装两个、四个或者八个助推器，以便实现近地轨道货运、载人航天、探月乃至探火等任务。苏联做出这样的决定也是为了控制成本，基于同一平台开发不同需求的火箭，也可以降低生产和设计的难度及成本。格鲁什科发现，能源号火箭装载四个助推器的版本的推力足以把航天飞机送入轨道，因此，航天飞机完全可以整合到他现有的工作里面。这样一来，苏联的航天，飞机的发动机将不安装在航天飞机身上。它的上天完全依靠能源号火箭，自己只需要携带一些控制姿态，调整轨道用的发动机就可以了，这也成了他与美国航天飞机轨道器最大的区别。
和美国的航天飞机比起来，苏联的航天飞机单次飞行的成本会高一些，这是因为他的主发动机是装在能源号火箭上的，而能源号火箭是不可回收的；美国的航天飞机的发动机是装在轨道器上的，会跟着轨道器一起返回地球，因此，整个航天飞机上最昂贵的部件便可以重复利用。但是也不应该因此就认为苏联的航天飞机成本控制就不如美国对手那么好，这是因为苏联的航天飞机并不是一个单独的载人航天项目，它是能源号火箭的一部分，而那些针对其他任务研发的能源号火箭的成本，是会因为航天飞机项目的进行而被很大程度上分担的。虽然在实际中，能源号火箭的两个助推器和八个助推器的版本都没有飞行，但如果有这样的需要，他们完全是可以被利用的，也可以被用来执行探测火星之类的任务。相较而言，美国的航天飞机是不可能被用来执行火星任务的，它的载重量实在太小。想要实行探测火星的任务，必须用新的火箭，而这种新火箭即使可以借鉴航天飞机助推器的设计，因为他要做的改动更多，因此研发成本也一定要超过苏联的能源号。因此，从这个角度上来看，苏联的航天飞机的成本未必高于美国的对手。
我写这篇文章主要是为了介绍航天控制成本的历史，这也就意味着，我主要要探讨的还是航天飞机的设计研发阶段。对于美苏两国航天飞机的实际运用状况，大家应该都有所了解，尤其是对于美国航天飞机那两次著名的事故。如果可以的话，我也会写文章讲一讲这两次事故的。接下来，是时候做一些总结了。
航天飞机，无论是美国的还是苏联的，在技术上绝对是一个工程奇迹，但客观来说，他们并没有完全实现人们对他们的期望。美国人在研究航天飞机的时候，曾经认为，航天飞机相较普通火箭至少有五大优点：
（1） 乘坐舒适
（2） 运载力强（无论是质量上的还是空间上的）
（3） 安全
（4） 发射周期短
（5） 成本低
但事实上，航天飞机真正达到的只有前两点。安全性上，航天飞机未必比得上传统的火箭，它太过复杂，尤其是它的热防护系统，哥伦比亚号航天飞机的失事就是因为这个。从事实上讲，美国五架可飞行的航天飞机中有两架都发生了机毁人亡的事故，还有好几次差点发生这样的事故，这样的安全性显然无法让人满意；同样是因为热防护系统的问题，航天飞机每次飞行结束后都要做复杂的检修，原计划几个月甚至几周就能发射一次的设想根本就不可行；还是因为同样的原因，航天飞机的成本也没有控制住，究其原因，还是因为航天飞机采用了大量超出那个时代的技术，很多技术都不够成熟，不够可靠。基于此，我们可以得出这样的结论：人类第一次以控制成本为主要目标的航天项目，基本上是失败了。
但是，“煮豆燃燃谁管得，莫以成败论英雄”，航天飞机计划毕竟推动了很多科学技术的研究和应用，其中相当一部分走向了民用，转换成了切实的经济效益，也有一部分成为了现在商业航天公司的技术基础。更重要的是，作为后登月时期的项目，航天飞机在这个航天的空档期和空间站、行星探测成功的为美苏两国都保留下了一批优秀的技术人才和企业，而如果没有她，人类的载人航天事业很有可能发生技术上断档，这也会意味着，现在的商业航天浪潮将不会到来。作为登月计划的后继者和现在商业航天的先驱者，航天飞机至少把这个职责扮演的很不错。而至于它的后继者，也就是现在的商业航天，就是我们接下来的文章要介绍的了。
海北尬生：因其尝求学于北海之北，每不顾环境而放尬言，故起此名也。喜航天，爱读书，本学理工，爱好文学。
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