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”的獵鷹重型火箭讓SpaceX的太空發(fā)射能力獲得了提升，但它還是無法實現(xiàn)艾隆·馬斯克投身航天事業(yè)時“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。

劃時代的強大載具

BFR設(shè)計來源于馬斯克在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月的國際航天大會上宣布，用性價比更好的BFR方案代替了“星際旅行系統(tǒng)”。BFR的直徑高達(dá)9米，長度達(dá)到了106米，由兩級組成。第一級安裝了多達(dá)31臺“猛禽”發(fā)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。第二級則采用飛船與推進(jìn)器的一體化設(shè)計，其外形與美國的航天飛機相仿，在SpaceX發(fā)布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飛船上安裝了四臺“猛禽”主發(fā)動機和兩臺中心游動發(fā)動機，其中主發(fā)動機的推力較大但擺動速度和范圍有限，主要用來提供飛船變軌的推力。而推力相對較小但擺動速度和范圍大的兩臺發(fā)動機則為飛船提供精準(zhǔn)的姿態(tài)控制。BFR飛船尾部布置了兩個三角形翼面，翼面上還安裝了可動的襟翼，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、獵鷹9號、獵鷹重型和BFR。)

BFR飛船具有載人/貨運飛船、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，BFR飛船的外形和總體結(jié)構(gòu)不會發(fā)生變化，只會對飛船內(nèi)的一些模塊進(jìn)行調(diào)整。得益于BFR飛船巨大的運載能力和寬大的體積，在執(zhí)行載人飛行時飛船內(nèi)會分出約40個隔艙，每個隔艙內(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可以像民航客機一樣，設(shè)置多個不同等級的艙位。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，可以實現(xiàn)一些巨型載荷的發(fā)射。例如，如果科學(xué)家們設(shè)計了一臺口徑比哈勃望遠(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太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射入軌，且發(fā)射過程中望遠(yuǎn)鏡無需折疊。目前其他任何運載火箭都不具備這個能力。

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燃料加注飛船會先被發(fā)射到近地軌道上。之后，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(dá)近地軌道，與燃料加注飛船對接，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(jìn)行6-7次燃料加注后才會去往火星。在燃料加注過程中，兩艘飛船的尾部將會連接，并共同操作結(jié)合體向燃料加注飛船那個方向移動，利用慣性將燃料移入載人/貨運飛船中。

為獵鷹9號和獵鷹重型火箭的成功起到關(guān)鍵作用的Merlin發(fā)動機，采用的是液氧-煤油的燃料方案，而BFR采用的猛禽發(fā)動機則采用了液氧-液態(tài)甲烷的燃料方案。之所以做出這樣的改變，是為了真正實現(xiàn)殖民火星而做的長遠(yuǎn)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(shè)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(fā)時，就不用攜帶返航時的燃料，進(jìn)一步調(diào)高了運載能力。 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(lán)圖停留在發(fā)布會上。目前，裝配BFR的猛禽發(fā)動機樣機已經(jīng)進(jìn)行了42次測試，其測試工作狀態(tài)已接近實際飛行時的工作狀態(tài)。在美國洛杉磯附近的海岸，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貨運飛船，對水資源和著陸點的風(fēng)險源進(jìn)行考察，確定著陸地點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，將同時向火星發(fā)射貨運和載人飛船，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飛行、衛(wèi)星發(fā)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的運載能力已經(jīng)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，且著陸時均采用發(fā)動機減速的軟著陸方式，給重復(fù)利用前的檢修工作帶來到了方便，還增加了各個部件的使用壽命。

功能如此強大的宇航系統(tǒng)，必然需要消耗大量的資金進(jìn)行研發(fā)工作。據(jù)估計，BFR和SpaceX火星計劃的總研發(fā)預(yù)算可達(dá)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(fā)工作提供經(jīng)費支持。馬斯克給出的經(jīng)費解決方案是，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間的發(fā)射，將這些火箭的獲益投入BFR研發(fā)。

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(chǔ)設(shè)施投入到BFR的研發(fā)中，以節(jié)約成本。獵鷹9號火箭的技術(shù)性能目前已經(jīng)趨于穩(wěn)定，以相對優(yōu)惠的價格已經(jīng)在民用發(fā)射勢場上站穩(wěn)腳跟。而由于SpaceX火箭上所有的部件都是純粹的“美國制造”，相比依然依賴俄羅斯發(fā)動機技術(shù)的其他美國發(fā)射服務(wù)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(tǒng)研發(fā)，也將是商業(yè)航天模式上的一個里程碑。