人类移民火星按下暂停键，“星舰”首飞为何失败？

全世界瞩目之下，马斯克抛出的“硬币”终于落地，只可惜，朝上的那一面指向了失败。

经历漫长的等待，美国太空探索技术公司（SpaceX）研制的最新一代运载火箭系统“星舰”于当地时间4月20日在美国德州迎来首次入轨试验。但“星舰”重型运载火箭发射升空3分钟后，在高空发生爆炸，航天器未能成功进入预定轨道。

在“星舰”首次入轨试飞前，马斯克曾表示：“这次任务成功与否，概率就像掷硬币各占50%。”按照马斯克的计划，只要不出意外，人类将能在2030年前开启“火星移居”，而“星舰”是开启人类火星之旅中的关键一步。但正如马斯克口中的硬币，凡事都有两面，这一回，“移民火星”的梦想按下了暂停键。

SpaceX“星舰”首飞失败 图源：央视新闻

“作为同行，我很赞赏马斯克在技术创新进步上所做的尝试与努力，也欣赏他敢于直面失败的态度。但是，客观上人类在2030年以前不可能实现载人登陆火星，本世纪内不可能移民火星。”国际宇航联空间运输委员会副主席杨宇光全程观看了“星舰”发射直播。此次发射缘何失败？马斯克的“火星移民计划”到底能不能实现？对此，他向潮新闻记者道出了自己的看法和理解。

“大力”未能出奇迹

“星舰”被称为“人类历史上体积最大、推力最强”的超重型运载火箭。“星舰”总高度约120米，由底部70米高、配备33台“猛禽”发动机的“超重型推进器”和顶部50米高、可重复利用的飞船船舱组成。

据直播画面，“星舰”在起飞阶段显示有5台发动机点火失败，在最终爆炸前火箭呈不断翻滚状态，“这很有可能是因为‘星舰’在飞行过程中出现了多个发动机相继失效的情况，导致火箭空中飞行姿态失控，疑似飞行终止系统最终引爆自毁了火箭。”杨宇光告诉潮新闻记者，发动机在工作状态中的振动是非常剧烈的，当多台发动机并联时，发动机之间会产生复杂的动力学耦合——物理系统各个部分之间的相互作用，这些相互作用导致了整个系统的行为变化。

杨宇光从技术角度分析，想要解决发动机振动耦合问题很困难，这需要通过非常充分的数值模拟、控制算法的优化，甚至进行全尺寸的地面实验，才能发现并解决这些问题，“利用发动机多组并联控制依然存在很大缺陷，因此这也在业内达成了一个基本共识——这是一个很难迈过去的坎。”

“星舰” 图源：央视新闻

“星舰”的33台发动机并联终究未能上演“大力出奇迹”，这一幕，让杨宇光不禁联想到前苏联N1重型登月火箭失败的历史。50多年前，前苏联为能建造出一款重型火箭，在N1火箭上并联了多达30台的NK-15发动机，但是四次试飞全部以失败告终。杨宇光认为，“星舰”今天的失败与之非常相似，都归结于发动机可靠性不过关，“猛禽”发动机在飞行过程中不断熄火失效的可能性非常大。

“不过，相较于上世纪，如今的计算机应用能力肯定比那时候强太多了，不论是数值模拟能力，还是数值计算准确度，都有了质的飞跃。”杨宇光表示，从理论上来说，“星舰”所暴露出来的问题在不久的将来都是可能被解决的。

“史上最强”仍面临诸多挑战

有业内人士分析称，“星舰”之所以会被众人贯以如此之高的关注度和期望值，是因为它肩负着地月火三栖运输和军民两用的任务，是NASA载人登月和商业环月旅行的交通工具，更是“火星移民计划”中的核心。面对首飞的失利，被称为“史上最强大运载火箭”的“星舰”是否能承担起这些责任，还将面临哪些挑战？

从火箭设计来看，“星舰”并非深空任务的最佳工具。“星舰”是一种两级火箭，火箭的二子级即飞船。“由于航天器自身干重太大，这种级数少的火箭设计用于发射近地轨道载荷效益明显，但发射深空载荷则效率极低。”杨宇光介绍，我国在发射火星探测器时所使用的长征五号系列运载火箭就属于两级半构型火箭，实际上相当于三级火箭的状态，“发射深空载荷需要更高的速度，只有级数多，速度才能加上去。”

杨宇光进一步分析，从SpaceX提出的系统方案来看，“星舰”推进剂在轨补加的效率也极低。飞往火星需要3千米/秒以上的速度增量，而“星舰”入轨时推进剂已几乎耗尽，只能靠另一艘“星舰”在轨补加。基于轨道动力学规律，补加飞行器每天只有1~2次发射窗口以及1~2次返回窗口，大大增加了整个系统和任务的复杂度，其成本和故障率都会指数式上升。

此外，从着陆地点来看，火星地表可选的范围十分有限。“星舰”进入地火转移轨道后，推进剂已经不多，因此无法进入环绕火星的轨道，唯一选择就是直接进入火星，只能依靠大气层来减速。杨宇光表示，这种方式对于着陆地点选择有严格的约束条件，也不是很安全，任务难度将随之增加。

据SpaceX的设想，“星舰”是一种完全可重复使用的运输系统。对此，杨宇光指出，其往返地球的能源供给技术很难解决。“星舰”想要重复使用、往返火星的基本逻辑是在火星表面利用水和二氧化碳制备甲烷与液氧，然后发射入轨，再补加推进剂返回地球。“然而，根据人类已知，火星上的水只在两极大量存在且收集代价极为高昂，而火星原位资源利用技术目前看来至少得几十年后才有可能成熟。”

“移民火星计划”还需从长计议

那么，倘若“星舰”真能够克服技术上的困难和问题，是否就意味着将成功开启“人类火星之旅”？

“‘星舰’拥有着众多大胆的创新，我们应正视它的失败，在科学技术的探索上需要有更多的包容性。但是，即使‘星舰’首飞成功了，人类也不可能在本世纪内移民火星，这在充分性和必要性上都站不住脚。”杨宇光认为，移民火星还需从长计议，理想需要建立在可能成立的现实之上。

虽然“星舰”所能提供的地火往返系统是载人登陆火星任务中至关重要的部分，但从载人要求来看，“星舰”尚未解决人类深空飞行的许多关键问题。

“目前人类还没有掌握大量液氧在外太空长期储存的技术，此外，乘客在飞往火星的半年多时间里怎样防辐射也还是个未知数，人的身体能否承受得住长时间的辐射。”杨宇光对此抱以担忧，人在飞往火星的飞船上与在近地轨道的空间站中完全是两个概念，是无法随时就能返回地球的，“打个比方，一旦飞船里的乘客生病了，需要立即做手术或者药物补给，飞船里若没有配备专业医护人员或者下一艘补给不能及时抵达，这对于乘客来说将是致命的。”

我国“祝融号”火星车 图源：央视新闻

尽管如此，对于火星的向往，仍是刻在人类骨子里的浪漫。这颗橘红色的星球，仍是太阳系所有天体中最有可能被人类改造用来作为第二家园的选择。

人类从未间断有关改造火星的想法，也提出过许多天马行空的方案。杨宇光分析，持有这种观点的人其核心依据在于——地球曾经发生过多次大规模的生物灭绝事件，人类未来也必然会面临这样的事件。为了使人类文明能够延续，只有移民火星才能够避免全人类的灭绝。

“而事实上，即便地球出现了其演化历史上导致生物大灭绝的事件，例如有大直径的小天体撞击地球，它的环境依然比现在的火星要好得多，且比火星更加适合人类生存；即便地球被天体撞击后的尘埃笼罩几千年，其温度也比目前火星的表面高得多。所以，这样的灾难也许会造成全球重大伤亡，但人类作为一个物种生存下来的难度，远比移民火星要小。”杨宇光认为，未来移民火星的需求至少应当是在若干亿年之后的事情，在相当长的一段时间里，人类既没有改造火星的能力，也没有移民火星的必要。

“但派遣航天员登陆火星，建立永久有人驻留的火星科考基地，还是非常必要的。”杨宇光表示，人类对火星的研究可以使人类更好地了解太阳系的历史和地球未来的命运。同时，人类也可以利用火星上的各种物质资源，进一步向太阳系深处进发。