李會超：BFR，馬斯克火星夢想的實現者
【文/ 科工力量專欄作者 李會超】
馬斯克認栽了，與美國證券交易委員會的和解：“繳納4000萬美元罰款，辭任特斯拉董事長，且三年內無資格當選”。然而，馬斯克無疑仍是特斯拉的靈魂人物，特斯拉也將沿着馬斯克設定的道路和套路前行。
之後馬斯克會不會將重心更多地移向另一個“明星企業”SpaceX？雖然它已經取得了巨大的成功，但在套路方面，恐怕比特斯拉更勝一籌。
就在和解前兩週，官司纏身的馬斯克依然在力推自己的BFR大火箭，稱“SpaceX將使用BFR大型獵鷹火箭，送日本億萬富豪前澤友作，完成七日環月之旅”，還公佈了搭載飛船的圖片。
按照馬斯克對BFR的期待，這樣的任務不在話下，因為他夢想“讓人類移民火星，成為多星球物種”。而全力投入下一代BFR箭船綜合體的研發，最終目標就是實現這一“初心”，一旦BFR研發完成，將替代目前SpaceX的所有發射載具，成為能夠執行幾乎所有太空飛行任務的航天器。
劃時代的強大載具
BFR設計來源於馬斯克在2016年提出的“星際旅行系統”。經過其後一年多的研發，馬斯克在2017年9月的國際航天大會上宣佈，用性價比更好的BFR方案代替了“星際旅行系統”。BFR的直徑高達9米，長度達到了106米，由兩級組成。第一級安裝了多達31台“猛禽”發動機，能夠在起飛時提供5400多噸的巨大推力，將第二級送入近地軌道。第二級則採用飛船與推進器的一體化設計，其外形與美國的航天飛機相仿，在SpaceX發佈的文件中也將第二級稱為“BFR飛船”。
BFR飛船能夠向近地軌道運載150噸載荷，比人類歷史上運載能力最強的土星5號登月火箭還要高10噸。BFR飛船上安裝了四台“猛禽”主發動機和兩台中心遊動發動機，其中主發動機的推力較大但擺動速度和範圍有限，主要用來提供飛船變軌的推力。而推力相對較小但擺動速度和範圍大的兩台發動機則為飛船提供精準的姿態控制。BFR飛船尾部佈置了兩個三角形翼面，翼面上還安裝了可動的襟翼，可以根據飛船飛行環境的大氣濃度、搭載載荷的多少等因素靈活調整飛船的氣動外形，使之可以靈活應付去往不同星球、搭載不同載荷的各類任務。
(SpaceX的各型發射載具，自左至右依次為獵鷹1號、獵鷹9號、獵鷹重型和BFR。)
BFR飛船具有載人/貨運飛船、衞星發射飛船和燃料加註飛船三種工作模型。在執行不同工作模式的任務時，BFR飛船的外形和總體結構不會發生變化，只會對飛船內的一些模塊進行調整。得益於BFR飛船巨大的運載能力和寬大的體積，在執行載人飛行時飛船內會分出約40個隔艙，每個隔艙內可容納你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，每個隔艙內可以容納5-6名太空旅客，使未來BFR可以像民航客機一樣，設置多個不同等級的艙位。
BFR衞星發射飛船發射衞星的方式與航天飛機相似，衞星被安裝在飛船上在載荷艙中。到達指定軌道後，BFR打開載荷艙門，將衞星釋放出去。由於BFR的載荷艙體積高達825立方米，可以實現一些巨型載荷的發射。例如，如果科學家們設計了一台口徑比哈勃望遠鏡大3倍的天空望遠鏡，BFR衞星飛船可以一次性將這台太空望遠鏡發射入軌，且發射過程中望遠鏡無需摺疊。目前其他任何運載火箭都不具備這個能力。
（BFR飛船（第二級）外觀。圖中左下方的小人展示了BFR飛船與人的空間尺度對比。）
（BFR進行衞星發射任務的示意圖。）
火星殖民的關鍵工具
BFR飛船的燃料加註模式，是為火星飛行量身定做的。從近地軌道進入地球-火星轉移軌道要消耗不少燃料，如果飛船從地面起飛時就帶夠這部分燃料，勢必會減少最終能夠運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。為了解決這個問題，滿載燃料的BFR燃料加註飛船會先被髮射到近地軌道上。之後，去往火星的載人/貨運飛船會在基本不攜帶燃料的情況下到達近地軌道，與燃料加註飛船對接，進行“太空加油”。在採用這種飛行模式後，BFR向火星軌道的運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BFR飛船需要在近地軌道上進行6-7次燃料加註後才會去往火星。在燃料加註過程中，兩艘飛船的尾部將會連接，並共同操作結合體向燃料加註飛船那個方向移動，利用慣性將燃料移入載人/貨運飛船中。
（BFR去往火星的飛行過程示意圖）
為獵鷹9號和獵鷹重型火箭的成功起到關鍵作用的Merlin發動機，採用的是液氧-煤油的燃料方案，而BFR採用的猛禽發動機則採用了液氧-液態甲烷的燃料方案。之所以做出這樣的改變，是為了真正實現殖民火星而做的長遠打算。火星大氣中充滿了二氧化碳，在兩極的冰蓋中儲存有大量的水，以這二者為原料可以較為便捷的合成甲烷。SpaceX計劃在火星上建設一個燃料工廠，為BFR飛船提供返回地球所需的燃料。這樣，BFR飛船從地球出發時，就不用攜帶返航時的燃料，進一步調高了運載能力。 此外，由於火星的重力加速度小於地球，BFR飛船在火星起飛時無需一級火箭就能起飛返回地球，但運載能力要減少到50噸。
相比那些只會紙上談兵的PPT公司，SpaceX從不會只把藍圖停留在發佈會上。目前，裝配BFR的猛禽發動機樣機已經進行了42次測試，其測試工作狀態已接近實際飛行時的工作狀態。在美國洛杉磯附近的海岸，SpaceX已經開始着手建造用於生產BFR的新廠房。馬斯克雄心勃勃的表示，他有信心在2022年的火星發射窗口，向火星發射至少兩枚BFR貨運飛船，對水資源和着陸點的風險源進行考察，確定着陸地點並卸下一些用以建立火星基地的基礎設施；在2024年火星發射窗口，將同時向火星發射貨運和載人飛船，在火星建成燃料工廠，併為未來的火星城市建設最初的建築。
（SpaceX的太空城市擴張設想，城市左側為BFR的發射和着陸場，右側則為具備各類功能的建築。）
自籌資金，繼續商業航天傳奇
除了火星任務外，BFR可以還可以執行傳統的近地軌道的載人和貨運飛行、衞星發射飛行和月球登陸飛行。此外，馬斯克還計劃讓BFR稱為地球上不同城市快速旅行的工具。飛船在某個城市起飛後進入近地軌道高速滑行，之後再入大氣層，在目的地着陸——現在也有飛行器採用這種方式飛行，但那是送來毀滅的洲際彈道導彈。一旦BFR研製成功，將替代獵鷹9、獵鷹重型火箭和龍飛船，成為SpaceX的全新一代宇航產品。
（BFR與國際空間站對接效果圖。）
雖然BFR的運載能力已經超過了歷史上人類運載能力最強的土星5號，但其單次飛行成本卻低的讓人難以置信。按照馬斯克目前公佈的數據，BFR的單次飛行成本將低於世界上任何一種主流航天器。如此低的飛行成本得益於BFR更強的可回收能力。相比目前部分可回收的獵鷹系列火箭和龍飛船，BFR第一級火箭和第二級飛船均具備可回收用能力，且着陸時均採用發動機減速的軟着陸方式，給重複利用前的檢修工作帶來到了方便，還增加了各個部件的使用壽命。
（不同發射載具的單次發射成本排名，自左到右依次增加，BFR的發射成本最低，我國的長征5號處於中間位置。）
功能如此強大的宇航系統，必然需要消耗大量的資金進行研發工作。據估計，BFR和SpaceX火星計劃的總研發預算可達百億美元量級。除了SpaceX自籌資金外，目前還沒有NASA等政府部門或基金會要對BFR的研發工作提供經費支持。馬斯克給出的經費解決方案是，使用目前的SpaceX生產能力產出較多的獵鷹9號火箭和獵鷹重型火箭，並利用這些火箭的重複利用能力支持今後一段時間的發射，將這些火箭的獲益投入BFR研發。
與此同時，將之前投入到獵鷹系列火箭上的人力資源和基礎設施投入到BFR的研發中，以節約成本。獵鷹9號火箭的技術性能目前已經趨於穩定，以相對優惠的價格已經在民用發射勢場上站穩腳跟。而由於SpaceX火箭上所有的部件都是純粹的“美國製造”，相比依然依賴俄羅斯發動機技術的其他美國發射服務商更受國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這種劃時代的宇航系統研發，也將是商業航天模式上的一個里程碑。
掃碼關注微信公眾號“科工力量”