李会超：BFR，马斯克火星梦想的实现者
【文/ 科工力量专栏作者 李会超】
马斯克认栽了，与美国证券交易委员会的和解：“缴纳4000万美元罚款，辞任特斯拉董事长，且三年内无资格当选”。然而，马斯克无疑仍是特斯拉的灵魂人物，特斯拉也将沿着马斯克设定的道路和套路前行。
之后马斯克会不会将重心更多地移向另一个“明星企业”SpaceX？虽然它已经取得了巨大的成功，但在套路方面，恐怕比特斯拉更胜一筹。
就在和解前两周，官司缠身的马斯克依然在力推自己的BFR大火箭，称“SpaceX将使用BFR大型猎鹰火箭，送日本亿万富豪前泽友作，完成七日环月之旅”，还公布了搭载飞船的图片。
按照马斯克对BFR的期待，这样的任务不在话下，因为他梦想“让人类移民火星，成为多星球物种”。而全力投入下一代BFR箭船综合体的研发，最终目标就是实现这一“初心”，一旦BFR研发完成，将替代目前SpaceX的所有发射载具，成为能够执行几乎所有太空飞行任务的航天器。
划时代的强大载具
BFR设计来源于马斯克在2016年提出的“星际旅行系统”。经过其后一年多的研发，马斯克在2017年9月的国际航天大会上宣布，用性价比更好的BFR方案代替了“星际旅行系统”。BFR的直径高达9米，长度达到了106米，由两级组成。第一级安装了多达31台“猛禽”发动机，能够在起飞时提供5400多吨的巨大推力，将第二级送入近地轨道。第二级则采用飞船与推进器的一体化设计，其外形与美国的航天飞机相仿，在SpaceX发布的文件中也将第二级称为“BFR飞船”。
BFR飞船能够向近地轨道运载150吨载荷，比人类历史上运载能力最强的土星5号登月火箭还要高10吨。BFR飞船上安装了四台“猛禽”主发动机和两台中心游动发动机，其中主发动机的推力较大但摆动速度和范围有限，主要用来提供飞船变轨的推力。而推力相对较小但摆动速度和范围大的两台发动机则为飞船提供精准的姿态控制。BFR飞船尾部布置了两个三角形翼面，翼面上还安装了可动的襟翼，可以根据飞船飞行环境的大气浓度、搭载载荷的多少等因素灵活调整飞船的气动外形，使之可以灵活应付去往不同星球、搭载不同载荷的各类任务。
(SpaceX的各型发射载具，自左至右依次为猎鹰1号、猎鹰9号、猎鹰重型和BFR。)
BFR飞船具有载人/货运飞船、卫星发射飞船和燃料加注飞船三种工作模型。在执行不同工作模式的任务时，BFR飞船的外形和总体结构不会发生变化，只会对飞船内的一些模块进行调整。得益于BFR飞船巨大的运载能力和宽大的体积，在执行载人飞行时飞船内会分出约40个隔舱，每个隔舱内可容纳你2-3名太空旅客，让这艘太空飞船和地球海洋上搭载旅客的邮轮变得越来越像。如果牺牲舒适性，每个隔舱内可以容纳5-6名太空旅客，使未来BFR可以像民航客机一样，设置多个不同等级的舱位。
BFR卫星发射飞船发射卫星的方式与航天飞机相似，卫星被安装在飞船上在载荷舱中。到达指定轨道后，BFR打开载荷舱门，将卫星释放出去。由于BFR的载荷舱体积高达825立方米，可以实现一些巨型载荷的发射。例如，如果科学家们设计了一台口径比哈勃望远镜大3倍的天空望远镜，BFR卫星飞船可以一次性将这台太空望远镜发射入轨，且发射过程中望远镜无需折叠。目前其他任何运载火箭都不具备这个能力。
（BFR飞船（第二级）外观。图中左下方的小人展示了BFR飞船与人的空间尺度对比。）
（BFR进行卫星发射任务的示意图。）
火星殖民的关键工具
BFR飞船的燃料加注模式，是为火星飞行量身定做的。从近地轨道进入地球-火星转移轨道要消耗不少燃料，如果飞船从地面起飞时就带够这部分燃料，势必会减少最终能够运往火星的人员和货物的重量。例如，猎鹰重型火箭可以将63.8吨的载荷送入近地轨道，但只能将16.8吨的载荷送到火星。为了解决这个问题，满载燃料的BFR燃料加注飞船会先被发射到近地轨道上。之后，去往火星的载人/货运飞船会在基本不携带燃料的情况下到达近地轨道，与燃料加注飞船对接，进行“太空加油”。在采用这种飞行模式后，BFR向火星轨道的运载能力和向近地轨道的能力相等，均为150吨。一艘去往火星的载人/货运BFR飞船需要在近地轨道上进行6-7次燃料加注后才会去往火星。在燃料加注过程中，两艘飞船的尾部将会连接，并共同操作结合体向燃料加注飞船那个方向移动，利用惯性将燃料移入载人/货运飞船中。
（BFR去往火星的飞行过程示意图）
为猎鹰9号和猎鹰重型火箭的成功起到关键作用的Merlin发动机，采用的是液氧-煤油的燃料方案，而BFR采用的猛禽发动机则采用了液氧-液态甲烷的燃料方案。之所以做出这样的改变，是为了真正实现殖民火星而做的长远打算。火星大气中充满了二氧化碳，在两极的冰盖中储存有大量的水，以这二者为原料可以较为便捷的合成甲烷。SpaceX计划在火星上建设一个燃料工厂，为BFR飞船提供返回地球所需的燃料。这样，BFR飞船从地球出发时，就不用携带返航时的燃料，进一步调高了运载能力。 此外，由于火星的重力加速度小于地球，BFR飞船在火星起飞时无需一级火箭就能起飞返回地球，但运载能力要减少到50吨。
相比那些只会纸上谈兵的PPT公司，SpaceX从不会只把蓝图停留在发布会上。目前，装配BFR的猛禽发动机样机已经进行了42次测试，其测试工作状态已接近实际飞行时的工作状态。在美国洛杉矶附近的海岸，SpaceX已经开始着手建造用于生产BFR的新厂房。马斯克雄心勃勃的表示，他有信心在2022年的火星发射窗口，向火星发射至少两枚BFR货运飞船，对水资源和着陆点的风险源进行考察，确定着陆地点并卸下一些用以建立火星基地的基础设施；在2024年火星发射窗口，将同时向火星发射货运和载人飞船，在火星建成燃料工厂，并为未来的火星城市建设最初的建筑。
（SpaceX的太空城市扩张设想，城市左侧为BFR的发射和着陆场，右侧则为具备各类功能的建筑。）
自筹资金，继续商业航天传奇
除了火星任务外，BFR可以还可以执行传统的近地轨道的载人和货运飞行、卫星发射飞行和月球登陆飞行。此外，马斯克还计划让BFR称为地球上不同城市快速旅行的工具。飞船在某个城市起飞后进入近地轨道高速滑行，之后再入大气层，在目的地着陆——现在也有飞行器采用这种方式飞行，但那是送来毁灭的洲际弹道导弹。一旦BFR研制成功，将替代猎鹰9、猎鹰重型火箭和龙飞船，成为SpaceX的全新一代宇航产品。
（BFR与国际空间站对接效果图。）
虽然BFR的运载能力已经超过了历史上人类运载能力最强的土星5号，但其单次飞行成本却低的让人难以置信。按照马斯克目前公布的数据，BFR的单次飞行成本将低于世界上任何一种主流航天器。如此低的飞行成本得益于BFR更强的可回收能力。相比目前部分可回收的猎鹰系列火箭和龙飞船，BFR第一级火箭和第二级飞船均具备可回收用能力，且着陆时均采用发动机减速的软着陆方式，给重复利用前的检修工作带来到了方便，还增加了各个部件的使用寿命。
（不同发射载具的单次发射成本排名，自左到右依次增加，BFR的发射成本最低，我国的长征5号处于中间位置。）
功能如此强大的宇航系统，必然需要消耗大量的资金进行研发工作。据估计，BFR和SpaceX火星计划的总研发预算可达百亿美元量级。除了SpaceX自筹资金外，目前还没有NASA等政府部门或基金会要对BFR的研发工作提供经费支持。马斯克给出的经费解决方案是，使用目前的SpaceX生产能力产出较多的猎鹰9号火箭和猎鹰重型火箭，并利用这些火箭的重复利用能力支持今后一段时间的发射，将这些火箭的获益投入BFR研发。
与此同时，将之前投入到猎鹰系列火箭上的人力资源和基础设施投入到BFR的研发中，以节约成本。猎鹰9号火箭的技术性能目前已经趋于稳定，以相对优惠的价格已经在民用发射势场上站稳脚跟。而由于SpaceX火箭上所有的部件都是纯粹的“美国制造”，相比依然依赖俄罗斯发动机技术的其他美国发射服务商更受国防部和军方等敏感部门青睐。如果SpaceX果真能够使用自己的收入支撑BFR这种划时代的宇航系统研发，也将是商业航天模式上的一个里程碑。
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