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NASA新登月计划:马斯克与贝索斯,世界上最有钱的两人太空大战

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  科学声音:吴京平


  2017年,NASA开展了阿尔忒弥斯计划,核心主旨是重返月球,兼顾深空,也就是去火星。毕竟从月球轨道去火星,相对来讲容易一些。比从地球出发要合算。不过目前主要还是盯住月球。

  从地球上把人或者货物运到环绕月球的轨道需要用到太空发射系统SLS。这是一个比土星5号还大1号的运载火箭。新版猎户座飞船可以带上6~7名宇航员。在环绕月球的轨道上放一个50吨重的空间站也就够用了。这个空间站叫月球之门。从月球之门下到月球表面,然后再从月球表面把人和货物运回月球之门,就交给商业公司去完成。


  一家是蓝色起源,一家航天动力公司,还有就是SpaceX。本来是三家竞标,三取二,刷掉一家。但是最后NASA居然直接把合同给了SpaceX公司,刷掉了两家,结果蓝色起源的老板贝佐斯差点把鼻子气歪了。

  他到国会投诉,把NASA给告了,说NASA说话不算数。说实话,的确是NASA理亏。说好的三取二嘛,怎么最后只选了SpaceX一家呢?说白了是因为SpaceX的报价便宜,只要29亿美元就能搞定,蓝色起源报价60亿,比老马他们家高了1倍。

  蓝色起源的老板是贝佐斯,曾经的世界首富。也是个有钱的狠人。但是他和马斯克不一样,他并不热衷亲自上阵。马斯克是自己深度参与了火箭的研发和项目的主抓。创始人和职业经理人完全是两码事,所以贝佐斯家的新谢泼德火箭的进度一直很慢,一个亚轨道旅游项目,试验了好多年,到现在还没实现载人飞行。


  要知道当年开始搞火箭,他比马斯克还早呢。而且麦道公司三角快帆项目下马,很多工程师被他给挖走了。也就是说他的团队早已经不是白手起家。他们是有前期积累的,结果还是起个大早赶个晚集。20年过去了,还是停留在当年DC-X直上直下的水平,只发射了15次。还没人家SpaceX一年发射次数多,而且全都是亚轨道测试,至今没有发送任何东西进入环绕地球的轨道,不知道他们在搞些什么。

  蓝色起源的新格伦火箭据说很厉害,PPT很漂亮,新阿姆斯特朗火箭和星舰火箭一样强大,但是再漂亮的PPT,也不过就是个PPT罢了,八字还没一撇呢。他也知道他这次参与竞标的力量是不够的,因此他拉了好多的老牌军工企业入伙,比如说波音、洛克希德·马丁、诺斯罗普·格鲁门,凡是大佬他找了个遍。基本上就是美国国家队的班底。一个项目需要分给5家大的承包商去做。


  图:SLS系统火箭

  说实话,NASA对于这帮老牌的防务承包商的脾气是心知肚明,就拿太空发射系统来讲,用的都是航天飞机的成熟技术,发动机是航天飞机的简化版,火箭的主体用的是航天飞机燃料罐改造的,就连两个巨型助推器,也是航天飞机的固体火箭助推器的升级版。按理说应该省钱啊?应该进度很快啊?可惜,这都多少年了,花了90亿美元,到现在连发射架的边儿都没摸着呢。这帮承包商简直是万年鸽王,咕咕咕的不知道叫了多少年了,年年放鸽子。

  至于那个航天动力公司,则是一帮小企业的代表,一个项目要分给25个小公司去做。基本就是陪着走个流程,没人指望他们家能拿到机会。真正有竞争力的是蓝色起源和SpaceX,唯有SpaceX垂直整合能力超强,他们几乎是一个公司全包了,什么都是自己的。远超了蓝色起源。

  你要说NASA偏心眼吧,似乎也不是这样。去年NASA给这几家预研费用,蓝色起源的国家队拿了5.7亿美元。航天动力公司领着一帮小承包商拿了2.7亿,SpaceX拿的最少,只有1.35亿。也就是个“小目标”的水平。但是最后交卷子的时候,SpaceX拿出的东西是最强的。


  这一次这三家企业给出的方案各有不同。蓝色起源的方案中规中矩,基本上就是阿波罗登月计划的放大版。当年阿波罗的登月舱整体高度是7米,这一次他们的登月舱高达11米,整体放大了一圈。基本格局是没有变化的。大家想想看,阿波罗登月是怎么个流程,登月舱下去,开反推火箭着陆,然后宇航员爬梯子下去,去搬几块石头回到飞船,然后开上升段起飞,和太空里的指令舱对接,然后回地球。蓝色起源的这个登月方案还是换汤不换药,只是起飞以后改成和月球之门空间站对接,暂时不回地球。


  图:蓝色起源的方案

  满打满算,也就是上升阶段可以重复使用。底座是扔在月球上回不来了。撑死了复用的部分也就2/3,复用性不好,也就意味着价钱不便宜,NASA给出的评价是可以接受,说得过去,但是有点勉强。

  航天动力公司的想法就不一样了,他们是专门挑蓝色起源的软肋打。蓝色起源的登月舱高达11米,载人的舱段在最顶上,爬下来的梯子要10米长。我的乖乖,10米长的梯子是很不好爬的,那是3层楼的高度啊。我们新装修了一个摄影棚,高度是5米左右。需要黑背景的时候,摄影师大胜同志亲自刷墙,两边要挂黑色的帘子也是他自己爬上爬下的。他架着5米高的梯子爬上去,真是有点危险,我真的是生怕他掉下来。

  我看着5米高的梯子已经瘆得慌,要是再延长1倍,10米长,我是肯定害怕。所以,航天动力公司的设计方案就充分考虑到了这一点。他们设计的登月舱是非常低矮的,走不了几步就下到地面了。但是反推火箭系统就无法安装在底部,只能安装在两边。航天动力公司的设计方案就像是腋下抱着两个大西瓜。这就是燃料罐,底部装着反推发动机。


  图:航天动力的方案

  他们的复用率比蓝色起源高,降落到月球表面,烧光了两罐子的燃料,罐子就可以扔掉,但是登月舱带了4罐子燃料,还剩下两罐子燃料,足以确保登月舱返回月球门户空间站。下去一趟再回来,也就是损失两个燃料罐而已。

  航天动力的这个方案需要SLS火箭发射一次,方案上半旧不新。是个十三不靠的技术。老方案的好处是可靠,心里有把握。新方案的好处是效率高,省钱。但是半旧不新的方案就两边不讨好。所以这个方案评价最低,马上就出局了。

  相反,SpaceX公司的方案是最新颖的,已经完全突破了阿波罗登月的模式,而且价钱便宜,所以才能被NASA一眼看中。毕竟地主家也没有余粮啊,最近NASA手里的钱比较紧。而且,NASA也不想重复上一次阿波罗计划登月的步骤,那样做毫无意义。阿波罗计划可以说是插旗行动,能把旗子插上月球就是胜利,搬几百公斤石头回地球也算是做个物证,仅此而已。

  这一次,NASA实打实的打算在月球表面展开工作,是有点深耕细作的意思。所以,才会这么青睐马斯克家的产品。SpaceX可以说是深度参与阿尔忒弥斯计划,深空版龙飞船负责运货,用重型猎鹰发射,能运5吨的货物去月球环绕轨道,空间站的舱段也是用重型猎鹰发射的,星舰登月版作为月球和空间站之间的往返工具,能带100吨的东西下到月球表面,能带10吨的东西回空间站,方方面面都缺不了,堪称最大赢家。


  SpaceX公司的方案就是用星舰火箭来改造成登月火箭这个火箭够大,运载能力够强。而且完全重复使用,一点不浪费。还有一个优点,尽管马斯克家的火箭爆炸了N次,直到最近的SN15刚刚完成顺利着陆。但是起码是一个实打实开始测试的火箭,猛禽发动机也是经历了实战的考验的。不像别人家,全是PPT,距离实际的产品还早着呢。

  不过星舰火箭必须进行改造,才能适应登月的用途。首先,空气舵面完全要扔掉,因为根本用不上,月球上是没有空气的。所以星舰火箭也完全不需要搞什么鲤鱼打挺,也不需要在半个面铺设隔热瓦,登月版永远不会再回到地球了,从地球上发射到月球轨道以后,这个家伙就在月球轨道和月球表面之间来来回回。老老实实用火箭反推着陆就够用了。

  不过高达50米的火箭要在月球表面站住,显然是不太容易。所以,登月版也有类似猎鹰9号的支撑腿。可以张开很大的面积,支撑住星舰火箭站直了。星舰火箭预计可以带100吨重的载荷到月球。可以用另外一枚星舰火箭的加油版来给星舰火箭完成太空加油,要灌进去两百吨的燃料,这么大的量也是前所未有的。

  这个火箭太大了,大家可能对这个大家伙没概念。这么说吧,直径9米,高50米的星舰火箭跟苏州的虎丘塔、北京的天宁寺塔、西安的小雁塔差不多的大小,你说这家伙有多大吧。


  图:SpaceX HLS系统是带电梯的

  登月版的头上要装乘员舱,要分隔出货舱,但是火箭太大了。在头部开一个侧门供宇航员出入,起码有40米高。所以,登月版的星舰火箭装了个电梯。宇航员就不用爬楼梯了,要把什么东西搬上火箭,也可以用电梯给吊上去。

  说白了,这个火箭的运载能力实在是强大,所以可以奢侈一点,多带一点辅助设施。蓝色起源的火箭就不行啦,没人家的火箭大。正因为星舰火箭登月版载重量大,有些设计就显得比较特别。比如说,降落月球表面的时候,反推发动机是不能装在底部,而是装在侧面高处。这样不会激起月球表面的尘土。你看他们连这一点都想到了。


  图:星舰和猎户座飞船对接,体型实在太不成比例

  星舰也可以和月球之门空间站对接,但是显得不成比例。火箭太大,空间站太小了,只有50吨。所以,火星协会的会长祖布林说这个计划太不靠谱了。何必再搞什么星际之门呢?干脆就直接登月得了。星舰火箭是有这个能力的。

  不过呢,NASA必须雨露均沾,保证大家都有饭吃,也不能只押宝马斯克一家。所以很多计划都必须妥协。月球之门还是要搞的。猎户座飞船也是要搞的。尽管这些公司手脚都没有马斯克麻利,尽管他们经常咕咕咕。不过呢,他们要是一再掉链子,始终搞不出东西,那么NASA只能全面依靠SpaceX了。这也是没办法的事情。

  阿尔忒弥斯计划是个非常庞大的项目,月球车谁来搞?这回是要在月球上运东西,这个车肯定小不了。无人探测器谁来搞?这也是一笔生意。

  阿尔忒弥斯协议的签约国不少。美国主导,澳大利亚、加拿大、英国都是美国的铁杆盟友。五眼联盟来了4个。剩下的是日本、卢森堡、意大利和阿联酋,还有乌克兰。卢森堡只能帮一些小忙,无法独当一面。阿联酋只是打酱油,出钱的金主。他们的火星探测器还是用日本的火箭发射的。但是人家阿联酋也说了,要激发起阿联酋老百姓对科学的兴趣,总不能老是靠卖石油赚钱吧。这说明他们国家是有明白人的。尽管只能打酱油,凑个热闹,也比什么都不干要强。


  图:加拿大臂

  加拿大的航天产业和美国的深度整合的,他们在航天方面最拿得出手的产品就是国际空间站上的机械臂。也就是俗称的“加拿大臂”,国际空间站上的是2.0版,航天飞机上的是1.0版。我们天和号核心舱上装的那个机械臂比加拿大臂稍微短一点,因为我们的空间站不需要那么长。但是大家都是7自由度机械臂,都能在空间站的外壁上到处爬。技术含量上是不分伯仲的。

  意大利看上去不显山不露水,其实在国际空间站上有好几个舱段都是他们制造的,人家在这方面一点都不弱。欧空局在国际空间站上有一个舱段。日本也有一个舱段。日本和欧空局都有自己的货运飞船。而且还都很大,他们要想自己搞空间站,用货运飞船改一改,就能搞出类似我们天宫1号和2号的那种实验性质的空间站。但是对他们来讲无此必要,跟着美国老大哥慢慢走就行了。欧洲人更是两头下注,他们和我国的关系也不错。


图:阿利亚纳火箭家族

  欧洲的阿利亚纳火箭和日本的H系列火箭还都是不错的运载火箭,也都形成了自己的系列。欧洲人也是从导弹转型过来的,一开始阿利亚纳1型火箭用的也是四氧化二氮和偏二甲肼。阿利亚纳1型和我们的长征三号类似,大致是在伯仲之间。后面的阿利亚纳2型到4型其实就是加了助推器。和我们长二捆、长三甲之类的大致差不多。阿利亚纳5型和我们的长征5号差不多。

  你别说,欧洲人和日本人在氢氧火箭发动机方面还是有两把刷子。技术水平高于我们。但是,他们的火箭都不如我们的长征5号来的大。也就是运载能力是不如我们的。这就好比一辆豪华先进的卡车虽然很厉害,但是拉的货没我这辆普通卡车多。

  但是,这个世界是有点不讲道理的。他们和美国人处在同一个市场之中。过去他们还能从美国人的手里争取到一些发射订单。你想阿利亚纳1号为什么跟我们的长征3号是大差不差,还不是为了发射同步卫星。同步卫星当年可是大有赚头,收电视转播费用都能收到手软。他们就是奔着赚钱去的嘛。

  不过呢,现在就不行了,都是被马斯克给挤兑的。天知道怎么会冒出来这么个异类啊。这档子事儿,我们下次再说。

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