“星舰”又炸了

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当地时间 11 月 18 日早 8 点 3 分,美国太空探索技术公司 SpaceX 的新型运载火箭“星舰”于得克萨斯州博卡奇卡基地完成了第二次无人飞行测试。所有 33 台超重型猛禽发动机均正常工作,一二级火箭成功分离。但第一级助推器分离后不久在空中爆炸解体。第二级飞船则在升空 8 分钟后于高度 148 公里处失联,SpaceX 表示,其已于升空 10 分钟后触发自毁系统。

“星舰”曾于今年 4 月 20 日首次测试飞行,升空后 4 分钟以解体爆炸告终。当时的视频回放可见,33 台并联发动机中的 6 台连续出现异常关机,一二级火箭也没能成功分离。相较于首飞,“星舰”此次试飞首次实现了 33 台发动机并联,以及一种新的级间分离方式。国际宇航联空间运输委员会副主席杨宇光对《中国新闻周刊》称,33 台并联成功只是表象,以“星舰”为重要技术环节的美国登月计划或将迎来重大变化。

33 台猛禽发动机成功实现并联

美国当地时间 11 月 18 日早上,博卡奇卡基地控制中心多次陷入沸腾。SpaceX 直播显示,SpaceX 首席执行官埃隆·马斯克早早来到控制中心观看发射,不时与周围同事交流。在倒计时还有 40 秒时,“星舰”发射一度停滞,控制中心内观看人群有些骚动。SpaceX 直播间主持人兼工程师约翰·因斯普鲁克立刻表示,这是发射计划内的“小意外”。大约一两分钟后发射将继续。在距离发射还有 30 秒时,就已经有人开始忍不住高喊倒计时。随后,“星舰”底部朝六个方向喷出橙色火光。第二次测试飞行正式开始。

发射升空约 2 分 45 秒,第二级飞船启动 6 台猛禽发动机,并与第一级重型助推器分离。级间热分离是“星舰”此次首度推出的分离方案,这次测试中进行了成功验证。“星舰”发射升空约 3 分 20 秒,重型助推器在墨西哥湾上空爆炸。“星舰”则继续飞行,在高度达到 148 公里,速度达到 24124 公里 / 小时后,直播画面的数据就停止了更新。“星舰”发射升空约 11 分 30 秒,SpaceX 宣布确认“星舰”未能按计划飞行。随后因斯普鲁克在直播间证实,“星舰”已被迫触发其自毁系统。

“星舰”发射直播经历各种意外已是家常便饭。此前的 11 月 15 日,美国联邦航空管理局(FAA)批准了“星舰”的第二次试飞。SpaceX 同日宣布将于当地时间 11 月 17 日 8 点执行发射。但马斯克随后在社交平台 X 上表示,由于需要更换格栅翅执行器,“星舰”发射被推迟至 18 日。格栅翅执行器是火箭助推器回收的重要部件之一。得知此消息后的众多航天爱好者在 X 上发文称,“不出意外的话,又出意外了”。

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11 月 18 日,“星舰”第二次发射测试。图 / 视觉中国

SpaceX 官网显示,本次试飞飞船未计划进入近地轨道,只是绕地球飞行约 3 / 4 圈,并计划演示一二级火箭的分别回收。第一级助推器将在分离后坠落墨西哥湾,第二级飞船再入大气层后将以类似航天飞机的姿态返回,降落夏威夷附近的太平洋海域。此举也是为了避免让飞船在发动机点火失利的情况下变成环绕地球的“巨型太空垃圾”。由于航天器试飞后普遍选择降落在海里,航天爱好者们称航天器入海为“炸鱼”,一级助推器入海“炸小鱼”,二级飞船入海“炸大鱼”。

由于“炸鱼”行为,SpaceX 每次发射还要获得美国鱼类及野生动物管理局(FWS)等机构的批准。马斯克 9 月曾在 X 上表示,FAA 审批相对顺利,最让他头疼的是 FWS 的审批,他“甚至想为此去办个钓鱼证”。不过,SpaceX 在 11 月 16 日及时拿到了 FWS 的批准证书。

中国科学院国家空间科学中心研究员周炳红对《中国新闻周刊》说,“星舰”首飞仅正常工作了 62 秒,多项试验未能完成,此次试飞的计划飞行任务基本完成,飞船首次到达了太空,但回收目标没有实现。最大的进展首先在于,一级助推器 33 台猛禽发动机成功实现并联,打破了苏联 N1 火箭的 30 台发动机并联的记录,后者从未同步正常工作过;其次是实现了一二级热分离。

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星舰 33 台猛禽发动机并联运转。图 / 视觉中国

据 SpaceX 官网信息,本次试飞最主要的变化是首次采用级间热分离方式,即“星舰”的二级飞船在还未与一级助推器分离时,就点燃发动机,避免失去推力。SpaceX 在直播中表示,热分离具有载荷入轨优势,能增加大约 10% 的运载能力。除了级间热分离系统外,本次试飞还推出了用于超重型猛禽发动机的新控制系统,加固了发射台、安装了水冷钢制火焰偏转器,以及许多其他改进措施。马斯克 9 月曾表示,自 4 月份首飞以来,SpaceX 对“星舰”进行了 1000 多次修改,今年对“星舰”项目的投资可能会达到 30 亿美元。

杨宇光则认为,本次试飞“进展很大,问题不少”。现场只能看到 33 台发动机从发射直到一二级分离始终“都在工作”,但是不是始终正常工作,这还要等 SpaceX 后续的发布。从一分离就爆炸的现象来看,一级助推器还剩余很多推进剂,本来要制动、掉头,演示回收技术,但发动机重启出现了问题,造成分离后迅速爆炸。理论上,一二级的分离点距地面 50~60 公里高,那里大气已经非常稀薄,环境干扰很小。考虑到多发动机并联的动力学复杂性,不能排除一级的震动对二级的破坏埋下隐患的可能性。因此,还不能断言已经完全实现了这一并联技术。

杨宇光表示,热分离也存在技术问题。“星舰”在热分离时,一级助推器会被二级的火焰直接吹袭,可能影响箭体的复用。这一过程一二级之间若配合不好,可能形成相对速度,导致火箭的机械撕裂与损伤。SpaceX 在直播中也提到,助推器很有可能会对第二级发动机造成损害,因此,此次测试需要验证火箭箭体是否能够承受这种分离方式。

周炳红认为,海洋打捞火箭残骸费时费力,因此不是 SpaceX 的优先目标,其主要通过系统反馈数据进行分析,而具体故障原因要等后续官方发布。SpaceX 在 18 日的直播中也表示,其不打算从超重型助推器或飞船上回收任何硬件。但此次发射任务的首要目的是获得遥测和地面数据,特别是关于飞船再入大气层期间的温度以及隔热罩性能等。SpaceX 希望在多次飞行测试中收集尽可能多的数据。

或影响登月计划

SpaceX 官网显示,“星舰”是 SpaceX 研发的可重复利用重型运载火箭,该火箭分为两级,一级为“超重型助推器”,并联安装 33 台“猛禽”液氧甲烷发动机;第二级为拥有 6 台猛禽发动机的飞船,也即“星舰”本体。“星舰”近地轨道最大运载能力为 250 吨,可回收状态下为 150 吨。

SpaceX 联合美国国家航空航天局(NASA)于 2019 年发布登月计划,预计在 2024 实现环月飞行,2025 年实现登月所需的人类着陆系统测试,这一计划被称为“阿尔忒弥斯计划”。在该计划中,太空发射系统(SLS)火箭、“猎户座”飞船、登月版“星舰”是不可或缺的三个部分。前二者已经完成研发,SLS 已于去年 11 月顺利完成首次试飞,它将承担运送航天员前往太空的任务。登月版“星舰”的任务则是与月球“门户”空间站对接,运送航天员执行登月任务。该任务成功的前提是实现“星舰”的廉价运作、快速部署和高度可靠回收复用,这构成了“星舰”项目的核心挑战。

周炳红预测,原计划在 2024 年实现的环月飞行、2025 年实现的登月日程已经非常紧迫,可能 SpaceX 在 4~6 个月后就要进行下一次“星舰”试飞。杨宇光则认为,下一次试飞时间很难说,就目前“星舰”的表现看来,如果一直坚持现有技术路线,2025 年登月计划大概率要搁浅了。此次暴露的各种问题很可能造成之前生产的几百台猛禽发动机全部报废,重新设计制造的时间成本巨大。

杨宇光指出,目前“星舰”的表现与登月计划的要求差距很大,首先它还没成功入轨,其次没有实现两级回收和再发射。最关键的是,在这两步基础上还要实现燃料的在轨加注。到目前为止,没有低温推进剂能够在轨储存非常长的时间,后续需克服的技术难题还有很多。

即便如此,包括路透社在内的多媒体在发射后表示,“星舰”已经创下历史。SpaceX 在直播中称,“星舰”是世界上最强大的运载火箭,它的推力大约是土星 5 号火箭的两倍,随着未来发动机的升级,它的推力将增加三倍。这些改动将使其能够将 150~250 吨的货物送入轨道。对比“猎鹰 9 号”,迄今为止最重的有效载荷约为 17 吨。有效载荷决定了未来航天运输和星际移民的效率。为提升有效载荷,“星舰”无疑是同类火箭中块头最大的,仅一级助推器就有 70 米高,与完全集成的“猎鹰 9 号”高度相同。二级飞船的高度堪比自由女神像,而箭体总高度和电影中怪兽哥斯拉的高度相当。

杨宇光认为不能以个头和现有技术进行排名。单论技术的话,“星舰”用的技术非常先进,但它没有成功发射过。成功发射的火箭中,从有效载荷也就是近地轨道能力来看,保持“人类最大运载火箭”称号的是冷战期间用于“阿波罗”登月计划的美国土星 5 号火箭,具备约 130 吨有效载荷,但起飞推力远远小于“星舰”。第二名是苏联的“能源号”火箭,它的有效载荷大概是 100 吨。第三就是美国现役的 SLS 火箭,有效载荷 95 吨左右。承载“星链”计划的“猎鹰”重型火箭,近地轨道能力大概是 60 多吨,屈居第四。

杨宇光进一步指出,高性能低造价是“星舰”的优势。SLS 一级火箭用了 4 台发动机,每台价值 1 亿美元。而马斯克曾公开表示猛禽发动机的造价为一台 25 万美元,业内人士分析称,保守估计实际市场价格是 200 万美元左右,总造价依然远远低于 SLS。周炳红认为,SpaceX 财大气粗,市场估值超过 1500 亿美元,所以可以大胆试错。

“星舰”二次试飞直播结束后,马斯克在 X 上发帖祝贺了 SpaceX 团队。许多民众在发射场外观看了全程。在飞船点火惊起周围鸟群的瞬间,以及升空后热分离成功的瞬间,人群都爆发出激烈的欢呼,互相拥抱碰杯。

作者:周游

编辑:杜玮

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