“星舰”二次试飞失败,人类为何追求更大运力的火箭?

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“ 星舰 ” 二次发射点火 图片截取自相关发射直播

最终还是失败了!

当地时间 11 月 18 日,由美国太空探索技术公司 SpaceX 研制,人类史上最大运载火箭 “ 星舰 ” 再次点火升空。点火后,33 台发动机均启动。然而,在一级火箭达到工作时序后,二级火箭发生故障,火箭失去联系。据《华尔街日报》最新消息,“ 星舰 ” 的二次试飞再次以爆炸告终。

集无数 “ 之最 ” 于一身,“ 星舰 ” 是目前人类研制时间最短、体积最大、动力最强的运载火箭,寄托着 “ 硅谷钢铁侠 ” 马斯克 “ 把人类送上火星 ” 的梦想。

除 “ 星舰 ” 之外,中国长征九号等大推力火箭也在研制过程中。人类为何要追求更大推力运载火箭?茫茫宇宙,有了大推力火箭,人类将去往何方?

“ 星舰 ” 资料图 图片来自 SpaceX 社交媒体账号

“ 星舰 ” 二次试飞又失败

总高度约 120 米、直径约 9 米,从外形上看,有史以来人类最大的运载火箭 “ 星舰 ”,相当于一栋 30 到 40 层高的大楼。它实力剽悍,起飞质量约 5000 吨,完全重复使用时,近地轨道运载能力为 150 吨;一次性使用时,近地轨道运载能力为 250 吨。

据 SpaceX 官网数据,“ 星舰 ” 火箭系统由两级构成,第一级为 “ 超重型推进器 ”(Super Heavy),第二级为 “ 星舰 ” 飞船(Starship)。其中,“ 超重型推进器 ” 配置了 33 台 “ 猛禽 ” 发动机,可产生最大 7000 多吨推力。在设计上,“ 星舰 ” 两级都可重复使用,还可以在太空中加注推进剂,以实现更长的太空飞行任务。

2018 年首枚飞船启动样机制造,2023 年 4 月进行了首飞。因强大实力,在研发过程中,“ 星舰 ” 始终备受瞩目。

然而欲速则不达。此前 “ 星舰 ” 首次试飞时,起飞后,一级火箭的 33 台猛禽发动机中,有 3 台没能成功点火。140 秒时,箭体异常旋转,速度加快,火箭开始翻滚失控。起飞 239 秒后,火箭在空中发生爆炸,首飞任务失败。首飞失败后,SpaceX 对火箭和地面设施进行了大量的改进和测试工作。有媒体报道,此次发射前,马斯克曾表示,SpaceX 已对 “ 星舰 ” 进行了 1000 多处改进。

“SpaceX 团队在几个月的时间内就进行了大量升级改造,想必也是用尽了所能想到的技术、方案和智慧。” 著名空间技术专家、航天科普作家张传军在接受记者采访时表示。

“ 星舰 ” 二次发射点火 图片截取自 SpaceX 直播

根据公开信息,此次在围绕 “ 星舰 ” 的所有升级中,最重要的包括建立了钢板洪水冷却系统、热级间分离系统、飞行终止系统。

钢板洪水冷却系统主要为了散热。“ 星舰 ” 首次发射时,数十台发动机喷出的热量导致发射台严重损坏。二次发射前,在发射台底部增加了该系统,可以从发射台下方喷水,以分散发动机能量,保护发射台的基础设施。

所谓热分离,就是一级系统还未关机时,下一级就进行点火分离,从而简化设计。“ 星舰 ” 首飞时,试验箭采用了冷分离方式。二次发射时,SpaceX 将把 “ 星舰 ” 的级间分离模式改为了热分离模式。

飞行终止系统则是为火箭配置的一种自毁系统,目的是保护火箭靶场和飞行过程人员和资产的安全。二次试飞前,SpaceX 也进行了该系统的再设计。

“ 这三项技术非常重要。比如,热级间分离系统不仅可使火箭不同层级之间连得牢靠,还能分得干脆。配合改进后的飞行终止系统也相当于给火箭增加了一个逃逸塔功能,还能确保未来航天员在飞向太空时候的安全。” 张传军表示。

此次试飞过程中,虽然又失败了,但有网友总结 “ 一级完全没熄火,一二级热分离成功,和上一次相比,已经是很大的进步了。”

国际宇航联空间运输委员会副主席杨宇光认为,快速迭代试错的路线是 SpaceX 的一大特点,但这需要有雄厚的资金与人才基础,并能在每一次的失败中充分吸取教训。不过,这种利弊很明显的发展方式,并不适合所有公司。

大推力火箭值得更多期待

探索浩瀚宇宙是人类的梦想,而进入太空的关键之一则取决于运载火箭。

放眼全球,除了 SpaceX 的 “ 星舰 ” 之外,多国竞相研发推出大推力火箭,渴望靠着 “ 大力出奇迹 ” 飞向更远的深空。

将载荷送入近地轨道(距离地面 2000 公里内),是衡量火箭能力的重要指标。就 SpaceX 而言,在 “ 星舰 ” 之下,“ 猎鹰 9 号 ” 是世界首款起飞级可重复使用火箭,近地轨道运力达 22.8 吨,曾将各式卫星送上太空,也将 “ 龙 ” 载人飞船送往过国际空间站。

同时,2018 年,由 3 枚 “ 猎鹰 9 号 ” 火箭捆绑而成的 “ 猎鹰重型 ” 运载火箭横空出世,将一辆特斯拉送上太空。它的近地轨道运载能力 63.8 吨。迄今为止,猎鹰重型 ” 一共进行过八次飞行,最近一次发射是今年 10 月,将 NASA 的 “ 灵神星 ”(Psyche)探测器送上太空。

在 “ 猎鹰重型 ” 能力之上,美国宇航局研制的 “ 太空发射系统 ”(SLS)运载火箭近地轨道运载能力最大运力可达 130 吨。

2022 年 11 月,SLS 首飞,正式拉开了以重返月球为目标的 “ 阿尔忒弥斯 ” 任务帷幕。但发射一次 SLS 成本高达 41 亿美元,面临高昂成本争议。此前,负责审计 NASA 项目的美国监察长办公室提交的评估报告认为 SLS 项目 “ 不可持续 ”。

另外,俄罗斯航天公司设计的 “ 叶尼塞 ” 重型运载火箭,作为俄罗斯载人登月和兴建月球基地的关键运载工具,近地轨道的运载能力在 100 吨左右。不过此前传出消息,该款火箭因计划修改已暂停研发。

2021 年 4 月,“ 胖五 ” 搭载天和核心舱发射升空。图片来自新华社

人类对提升火箭运力的追求不曾停止。在中国,被人们称为 “ 胖五 ” 的长征五号系列运载火箭是新一代大推力运载火箭,近地轨道运力可达 25 吨。2021 年 4 月,“ 胖五 ” 一举升空,将备受瞩目的中国空间站天和核心舱送上太空。

更值得关注的是,在 2022 年珠海航展中,中国航天公司展示了长征九号重型运载火箭。根据介绍,这枚重型火箭的箭体直径约为 10 米,高度约 110 米,起飞重量约为 4000 吨,起飞推力达到了 5873 吨。研制成功后,长征九号近地轨道的运载能力将会达到 150 吨以上,而地月转移轨道的运载能力将会达到 50 吨以上,其目标是促进深空探测的长期计划。

“ 我国还计划在 2030 年前实现载人登陆月球开展科学探索,对于这一宏伟计划,我们充满期待。” 张传军表示,为实现这一目标,我国科研人员也正在研制长征十号运载火箭、新一代载人飞船、月面着陆器、载人月球车等装备,一切都在稳步推进,中国人登上月球的日子正在逐步到来。

扬起人类走出摇篮的梦想之 “ 帆 ”

人类为何要追逐研制、发射更大推力的火箭?

马斯克曾在接受采访时,表达了 “ 送人类去火星 ” 的想法。“ 星舰 ” 在设计上,目标就是使宇宙移民成为可能,最终实现人类移民火星。

在现实层面,“ 移民火星计划 ” 尚且遥远,“ 星舰 ” 变身空间站可能性更高。根据 2023 年 6 月美国国家航空航天局(NASA)发布的商业航天能力协作计划(CCSC-2),NASA 将与 SpaceX 合作,完成 “ 星舰 ” 近地轨道载人空间站的产品设计评审,时间预计为 2028 年第 4 季度。

杨宇光认为,把时间表设定在 2028 年可能还是有些早。一方面,NASA 已准备好将国际空间站延长运行至 2030 年后,对 “ 星舰 ” 改造成空间站需求不强烈;另一方面,“ 星舰 ” 本身还有许多技术需要攻克与完善。

道路是崎岖的,但 “ 火箭之父 ” 齐奥尔科夫斯基曾说:“ 地球是人类的摇篮,但人类不可能永远被束缚在摇篮里。”

要走出摇篮,人类从来没有停下脚步。1883 年,人类第一次提出了利用火箭进入太空的想法;1926 年,世界上第一枚液体燃料火箭发射升空;1961 年,前苏联宇航员加加林作为人类第一次进入太空;1969 年, 美国 “ 阿波罗 11 号 ” 飞船在月球降落, 人类第一次登上月球;2021 年,中国研制的探测器 “ 天问一号 ” 成功降落在火星 ……

“ 从月球到火星,大推力火箭就像梦想之船的 ‘ 帆 ’,不可或缺。” 张传军说。

然而通往深空的路,从来不是一条容易的路。“ 星舰 ” 的试飞历程就是一个不断在失败与再次尝试中切换的过程。在样机研发阶段,“ 星舰 ” 原型机发生过多次爆炸;完整的系统发射,也并非一蹴而就。

强烈的好奇心,源源不断的创新力为大推力火箭的研发提供了精神动力。

中国航天员(神舟十四号 刘洋)乘组在轨拍摄的地球照片。图片来自中国载人航天工程官方网站

再看中国航天,早期自然条件恶劣、底子薄弱等因素,都没能阻挡中国航天前进的步伐。凭借强大的创新力,中国空间站建成,实现了长期在轨飞行。取回月壤后,探月工程四期再启程,未来将在月球南极建设一个月球科研站的基本型 ……“ 特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献 ” 的载人航天精神已经成为每一项成就背后的精神指引。

同样,中国的商业航天也进步飞速,2023 年更是成为中国的 “ 商业航天大年 ”。4 月,天兵科技的 “ 天龙二号 ” 成功入轨,打破了世界范围内液体火箭首发失败的魔咒;7 月,中国液氧甲烷火箭 “ 朱雀二号遥二 ” 全球成功首飞;近日,星际荣耀验证火箭垂直回收飞行任务取得成功 ……

杨宇光认为,商业航天是一个国家的基础工业水平、基础工艺水平和基础材料水平的体现。SpaceX 取得的成就是美国基础工业水平、基础工艺水平和基础材料水平的体现,虽然和国外先进水平相比还有差距,但这些年中国商业航天的进步速度是有目共睹的,未来是值得期待的。

在广袤宇宙中,地球只是一个悬浮着的淡蓝色小点,人类更是微小的存在。但即便如此,人类也总想到达更高更远的太空,去看看外面未知的世界有多精彩,又或者只是从遥远的空间视角,回头望望这人类唯一赖以生存的家园。

凭着这份好奇心和创新力,火星或许不会是人类的终极目的地,“ 星舰 ” 也不会是人类唯一的超大运力运载火箭。

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原文链接:https://news.cctv.com/2023/11/19/ARTITEeSaq12tPonpgHpBzVX231119.shtml

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