《星际迷航》中，星舰为什么要设计成大圆盘形状呢

埃隆·马斯克从来就是个“不走寻常路”的 科技 狂人。他搞火箭回收，成了；他搞卫星全球宽带网，成了一半；他在南德克萨斯的大帐篷里用不锈钢薄板造火箭，要用它上火星；他在一个到处是灰尘泥土像是建筑工地一样的发射场装配和测试火箭，居然也成功了。

服气。

马斯克的梦想是打造一枚巨大的火箭和飞船，要用它去殖民火星。这个梦想到底能不能实现另说，但SpaceX公司确确实实是在试着建造去火星的“星舰（StarShip）”飞船，它的直径达9米，高度超过40层楼。星舰设计为两级，其中一级火箭高达70米，由31台“猛禽”液氧甲烷发动机推进；二级飞船也有50米高，配备6台猛禽发动机，是名副其实的超重型火箭。

俗话说“饭要一口口吃”，钢铁侠马斯克自然也明白这个道理，在NASA的巨额订单和科研人员的支持下，他首先用不锈钢做出了第二级飞船的模型。在经过四次失败之后，马斯克的“大铁桶”成功完成了150米的惊人一跳。

2020年8月5日，SpaceX的一个锃亮的不锈钢桶在一台猛禽发动机的推动下，完成了总共1分钟的飞行试验。

细心的朋友立刻注意到，这个巨大不锈钢圆桶的发动机似乎装歪了，并且它的顶端还安装了一个四方形的铁盒子。这究竟是怎么回事呢？

按照设计，在这个直径8米的实验装置下面本应该安装三台猛禽发动机，由于实验只要求它能飞起来，因此撤掉了两台，剩下的一台就没有安装在中心位置。

装置顶端的巨大铁盒子里边也并不是什么高精尖的设备，它只是一个重达25吨的配重块。这个一人多高的大家伙在发射场被临时安装在火箭上面。

下边撤了两台发动机，上面又加一个配重，马斯克到底唱的是哪一出呢？

其实SpaceX就是要证明这东西能起飞，并且能平稳地降落下来。马斯克认为，未来无论是去火星还是飞到月球，降落下去之后能再次起飞很重要，否则就真成了“单程票”，上去的宇航员一去不复返，生意就玩砸了。

猛禽是一款液氧甲烷发动机，之所以选甲烷而不用液氢或煤油，是因为有研究表明火星上存在有大量的甲烷，以后去火星添加燃料比较方便。

但猛禽发动机还没有完全成熟，它的推力控制还存在不小的问题。也就是说SpaceX现在还不能随心所欲地控制它的推力大小，你只要一点火，它就会飞到很高的地方。所以在试验中，SpaceX把三台发动机减为一台，让它斜着推这个大铁桶。

尽管燃料不值多少钱，但鉴于之前星舰在试飞时炸了好几次，为了预防万一并减小损失，燃料箱里只加了很少的推进剂，这样大铁桶就变得更轻。这对于推力达200吨的猛禽发动机来说是个难题：火箭太轻，猛禽又太猛，为安全起见又不能加太多燃料，飞行变得很难控制。

于是SpaceX用25吨的大铁块来给火箭加重。

这还真是个科学问题：

尽管不锈钢比铝锂合金重多了，但由于内部结构简单，星舰的试验模块还是很轻的。8米直径30米高的大块头，加上发动机和推进剂总共才50吨上下。它里边几乎就是空的。

这么大的空间，为什么不把配重加在下边呢？毕竟按照我们常人的理解，下盘扎实总比头重脚轻强呀！

不知道你看没看过咱们的一种民间活动叫“耍中幡”。一根十几米（三丈三）高的竹竿，在艺人手里上下翻飞稳如泰山。

咱们在家里自然耍不了竹竿，但将扫帚柄立在手指头上，也不难保持平衡。

如果你想试着将扫帚大头朝下，或者想在手指头上竖起铅笔，就不是件容易的事了。为什么？

因为中幡很长，倒立的扫帚重心高，好控制平衡；而重心太低它就容易倒。

为了尽量抬高重心，SpaceX将重达25吨的两个钢卷焊接起来装在一个大铁盒子里，再吊装到30米高的火箭顶端，这样至少可以将试验装置的重心抬高到20米以上，从而确保主发动机和调姿发动机配合保持火箭的平稳状态。

猎鹰火箭做成细长的形状，为的也是提高重心，在下落的过程中可以保持平衡，这样更有利于回收时的控制。

由上面的分析，我们可以得出结论，SpaceX之所以在“星舰”起跳试验时在火箭顶端配上一个25吨重的巨大铁块，其最主要目的是抬高火箭重心，保证飞行时的平衡。

星舰首秀是为了验证猛禽发动机的操控性能，但由于发动机的推力太大，它现在还没办法调节推力大小，因此需要用大铁块来减少推进剂的加注，同时增加火箭的重量，使其不至于飞得太高。

因此，让星舰顶个铁块，既省了钱，又保证了试验的安全进行，不失为两全其美的好办法。

火星很远，但不管怎样，马斯克走出了第一步。梦想总是要有的，只要他一直在走，没准真实现了呢？

#太空 探索 #自马斯克的 “星舰” 击败 贝索斯获得NASA的登月舱合约之后 ， 星舰SN15试飞也取得了成功 ，结束了之前的四连炸，这意味着在 2024年将宇航员再度送上月球已经不是一件困难的事情了。

按照美国的 “阿尔忒弥斯”登月计划 ，那就是登月计划是一个系统工程，将会在 月球轨道建造一个空间站 ，这个空间站还能作为 前往火星的中转站，也是登月的中转站，被称之为“月球门户”。

NASA 自己研制的 “空间发射系统”（SLS）火箭和新一代“猎户座”载人飞船 ， 已经基本上具备了将航天员送入月球轨道的能力 。

而“猎户座”载人飞船上的 宇航员则会转移到SpaceX的“星舰”上 ， 前往月球表面 。由于 “星舰”是可以重复往返月表和月球空间站的起降机 ，那登陆月球以及建设月球基地所需要的物资将会很容易运达。

按照马斯克的大胆而激进的设想，登陆月球根本就 用不着建设什么月球轨道空间站 ，再换“星舰”降落 。“星舰”本身即是大型运载火箭（一级），也是一艘航天飞船（二级） ， 可以承担SLS和“猎户座”的一切任务，那为什么NASA还会研制和发展SLS和“猎户座”呢？ 这得从人类登月的方式说起。

以目前人类的 科技 水平，登月无非就是这四种方式：

也就是 航天器从地球发射升空之后，直接飞临月球轨道 ，然后在合适的位置降落，完成任务之后 从月表起飞，再回到地球，不存在什么登月舱、指挥舱等等 ，这是一种比较简单的技术，但也 对技术要求非常高 。

首先， 发射火箭的推力要是巨大的 ，而且携带的燃料也要足够， SpaceX星舰的技术就是基于这种方式来设计的 。当然由于在突破大气层会消耗大量的燃料，还 必须掌握在近地轨道加注燃料的技术。

这是将多个航天器， 分批发射到地球轨道，像空间站一样多个航天器对接之后，形成一个比较大的航天器，然后直接登陆月球，完成任务后，一部分再升空返回。

这是考虑宇航员返回问题，其实就是 将登月舱和返回舱 分成两个不同的部分 分别送到月球表面， 宇航员在完成任务后，乘坐携带推进系统的返回舱回地球。

这种方式就是 “阿波罗”登月计划的登月方式 ，由巨大推力的火箭将一艘很大的航天器发射升空，送到月球轨道， 航天器分为两部分，一部分为指挥/服务仓，一部分为登月舱 ，进入月球轨道后， 两仓分离，指挥/服务仓留在轨道，登月舱降落月表 ，完成任务后升空返回，和指挥/服务仓对接集合，返回地球，在这个过程中，宇航员回到指挥/服务仓后，会放弃登月舱。

从以上四种登月方式来看， NASA似乎还是选择了月球轨道集合的方式，也就是传统的“阿波罗”计划的登月方式 ， SpaceX的星舰只起到登月舱的作用 ，说实话，贝索斯的登月舱其实更加符合这种月球轨道集合要求。

但是， SpaceX的星舰所展现出来的能力，将NASA的SLS和“猎户座”载人飞船置于非常尴尬的地位，使它们变得并非必要 。有消息说，为了节省经费， NASA的头几次登月，可能会选择由星舰直接起降的方式 ，也就是说， “月球门户”是否有必要存在，还是一个未知数 。

要制造出真正意义上的星舰首先要研发出高效的动力与能源系统。常规的化学火箭方式是绝对不可能的，因为星舰要想进行恒星际远航就需要达到相对论速度（光速百分之一以上），而根据齐奥尔科夫斯基公式（齐氏方程），飞行器要想快速有效地达到某一速度，那么它的推进器排气就应首先超过这个速度，但目前化学火箭的排气速度最快仅有9,000米/秒，与相对论速度的底线、光速百分之一（约3.0×10^6米/秒）相差了三个数量级。目前人类可选的只有核能推进，包括核裂变、核聚变和反物质推进。核裂变被认为不大可能适用于航天飞行，而反物质推进到目前为止几乎只是设想。核聚变推进被认为是在近期比较可行的方式，但实现真正意义上的可控核聚变目前尚是物理学家们拼命攻关的难题，最乐观的预计也要在21世纪50年代才能出现核聚变动力的飞行器。

其次，如何建造和组装也是个大问题，因为这些装置免不了要有巨大的质量，而目前从地球发射载荷到太空需要消耗巨大的资金和使用巨大的火箭（平均载荷比为1:10，即发射1吨的载荷要消耗10吨的燃料），并且成本也是一个不容忽视的问题（发射每千克载荷平均需约1000万美元）。不过也有另辟蹊径的解决之道，如在月球基地、火星基地、小行星带等进行建造并在轨组装。

载人星舰必须考虑长期的封闭式生物循环系统（生命支持系统），或者冬眠舱等，目前尚处于理论阶段。远航的星舰在进行星际旅行时必然会在长达数十年的时间内都远离任何恒星，旅途中只能使用自身的能源。由于星舰航速极高，旅途中难免会遇到小行星（陨石）的撞击，甚至宇宙尘埃都会对飞船造成巨大的威胁，若要避免必然需要沉重的装甲和护盾，必然又一次增加了飞船的重量。

此外还有导航问题，通讯问题（远航船信号需要经过几年的时间才到达地球），损坏管理，装置冷却，长期自给，星球登陆等。

马斯克这一系列的设计就围绕一个核心——成本经济。

载人航天乃至登月都必须要靠庞大而复杂的天地往返系统支撑，这本来是个极度烧钱的领域。为了保障绝对安全，过去的航天计划绝对不敢在省钱上做文章。载人航天计划必须是昂贵的，这几乎是所有人理所当然的认识。

所以这就能看出马斯克这位老兄不走寻常路的优秀品质。当然所有搞航天的也都明白：航天商业化必须走大幅度降低成本的道路。商业卫星发射已经在走这样的路，只是过去由官方机构搞效果不明显。马斯克搞了猎鹰火箭之后，才切实把发射成本降了下来（当然目前还不明显）。

但是在现有条件下把载人航天的成本降下来，这思路过去是没人敢想的，除非发射技术发生明显的进步，比如咱们中国前一阵子阶段性试射成功的“空天飞机”的思路。“空天飞机”路线几十年前美苏都研究过，工程技术要求太高，技术障碍突破太困难，现在也就剩中国一家抢过了接力棒。

马斯克算是想常人之不敢想，设计了他的“星舰计划”，非要在现有技术手段范围内大幅度降低载人航天成本。所以什么“百万移民殖民火星”这种噱头一点都不重要，马斯克自己吹的牛他自己都不相信。他这些话真正的含义是——只有成本大幅度降低到普通人都能承受票价的程度才会有大规模殖民火星这样的事发生，所以“星舰计划”的核心要素就是“让普通人买得起飞进太空的船票”。

为什么说马斯克的想法邪性呢？

因为过去的思路是：想要降低成本，就必须尽可能降低火箭本身的结构重量、提高比冲来尽可能提高有效载荷。所以箭体要采用轻质材料碳纤维，箭身要尽可能轻薄，燃料要用液氢液氧，发动机台数尽可能要少，单台推力要尽可能大，尽可能减少设计冗余降低死重。

这种技术挖潜实际上在成本缩减上效果很有限，轻质坚固材料、高比冲燃料、大推力发动机哪一样都不便宜，设计制造也相当困难。过去提高航天技术水平，各国一直遵循的都是这条路——发展新材料技术、研制大推力发动机、研究液氢液氧低温存储和使用技术。

马斯克却反其道而行，他不是科学家，而是有科学梦想的商人。所以他完全是从商人的角度来思考航天工程。商人不追求绝对的高精尖，而是注重商业化条件下合理的先进性，也就是把成本控制放在技术先进性之前，然后技术研发围绕成本控制来进行。

所以发动机不追求大推力，箭体材料不追求轻薄，火箭燃料不追求高比冲，航天器设计不追求极致载荷比，而是从复用性和简便化生产的角度来降低成本。这种突破技术专家思维方式的思路非常值得赞赏！

星舰的整体思路是环环相扣的。

1、不锈钢箭体很廉价，虽然死重大，但材料极其便宜、容易加工容易建造容易批量和快速生产，也非常适合多次使用，使用后检修维护也非常简便容易。

2、液氧甲烷发动机比冲不高、推力也不算大，但方便复用、燃料成本低、发动机设计制造简便，可以规模化生产，搞成流水线一年几百上千台不是问题。

3、火箭采用大量发动机并联形式，虽然死重大、设计冗余度高、载荷比低，但非常适合复用设计，通过多次使用降低成本，而且容易做大规模，弥补载荷比低的短板。

4、多发动机并联虽然有降低安全冗余度的问题，但可以通过提高推力冗余度来弥补，并且小一些推力的发动机制造更容易，可以在制造过程中尽可能提高安全设计。小推力多发动机并联设计在火箭复用性上优势很明显，在火箭下降回收段更容易控制推力，也更节省燃料。

5、载荷比低的问题还能够通过多次发射来解决，颠覆了以往太空任务设计尽可能减少发射次数的思路。星舰死重大，就通过二次发射在太空中加注燃料。反正发射成本低，完全可以抵消多次发射导致成本增加的问题。

当然这样的思路能在多大程度上变成现实现在还不好说，星舰计划才刚刚开始，今年内能否成功入轨还未可知。之前星舰上面级试验经历多次失败，成功次数屈指可数。助推器试验一次都还未进行，离成功和试验成熟还远得很。星舰助推器采用29台发动机并联，复杂程度堪比当年苏联的N1，安全性试验恐怕不会很顺利。

好的是SpaceX的试验频次很高，试验速度很快，说明试验成本控制有明显优势，这在以往的航天试验中是见不到的。马斯克的做派确实有颠覆性。

中国航天目前也在学习马斯克的思路——不再把高精尖做为唯一的发展道路，在商用化领域追求经济适用，用整体的优势弥补系统单元的缺陷。但这并不意味着中国航天全面倒向马斯克路线。在航天的非商业化领域，特别是深空探测等尖端领域，该追求的高精尖丝毫不能放松。这也是长征9系统500吨级高压补燃液氧煤油发动机和200吨级氢氧发动机继续加速研发的理由。

何况美国在高端航天领域同样在搞大推力发动机和继承土星5的重型运载火箭。

长远看，马斯克的快速成型思路存在一个致命问题——运载效率太低。真正解决航天有效载荷低的痛点还是需要在先进技术上进行突破，所以两级入轨的组合发动机技术路线才是未来航天发展的正道。很高兴，中国航天人在这方面走在了世界前列。