为什么说“星舰”失败得好?

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时隔近7个月,“星舰”又炸了。

相比今年4月的首次试飞,这次“星舰”走得更远了些。

面对再次失败,马斯克似乎并不懊恼。他在社交媒体X(原推特)上发帖称,“祝贺SpaceX公司的团队!”还转引了“星舰”发射时的画面。

这场“失败的试飞”连续多日登上热搜,有人笑言马斯克斥巨资上演“烟花秀”,也有人直言“这是一次成功的失败”。升级版“星舰”究竟有什么新的黑科技?大运力火箭能拉近人类与“火星梦”的距离吗?

02:15

马斯克的星舰又炸了!内部竟然是六层豪宅

问题不只在空中?

北京时间11月18日21时许,美国太空探索技术公司(SpaceX)重型火箭“星舰”进行第二次发射,火箭点火发射升空。

一二级火箭分离成功了,还未来得及欢呼,问题产生: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分钟后失联。

在4月的首次发射时,火箭在半空中发生爆炸。相比之下,11月18日的这次发射成功得多,“星舰”飞船的飞行高度超过100公里,标志着它已正式进入太空。美国有线电视新闻网形容说,“星舰”第二次试飞比今年4月尝试时走得更远。

在国内商业航天东方空间火箭设计师李铭看来,此前,“星舰”首次试验时,一级和二级并未分开,此次发射实际上也针对这一问题做了相应改进,“一级火箭在回收时发生解体,如果仅从单次发射来看,已经相当于一级火箭的分离是成功了。”

目前SpaceX官方尚未公布火箭最终自毁原因,但李铭指出,值得注意的是,一级解体是在完成分离后,一级发动机重新点火,此后很快出现了部分发动机的异常工作状态,由此导致后续连锁反应解体。“二级也有可能在最后阶段发生了燃料泄漏,导致后续连锁反应进而触发了自毁。”

在4月首次飞行试验中,3台发动机在起飞时未能启动,2台在飞行过程中关闭,另1台则忽明忽暗。SpaceX表示故障主要原因在于超重助推级发动机舱的动力系统故障。

为了解决上述问题,SpaceX的改进措施集中在发动机热防护、防火性能和发动机关机逻辑等方面。

测试中的星舰,塔架高度相当于60层高的楼。

测试中的星舰,塔架高度相当于60层高的楼。

从B9助推机操作现场的照片来看,这次发动机舱所有线束都被包裹,喷涂的黑色涂料可能是防火涂料,或者是类似聚脲的强化涂料。此外,在猛禽发动机可靠性改进方面,有3个长期改进项,集中在液氧阀门设计、阀门密封结构、歧管设计方面,因此推测在首次发射中猛禽发动机的液氧阀门或存在泄漏。

SpaceX决定为超重助推机增加更多热防护,这样一来也就提高了结构质量,这也可能是SpaceX最终决定采用热分离的原因之一。

“成功的失败”

“星舰”第二次试飞最大胆的改变和尝试,就是首次采用级间热分离方式。马斯克称之为“飞行中最危险的部分”。

好比接力赛中的交接棒环节,采用何种方式分离对多级火箭发射至关重要。此前,“星舰”采用的是冷分离方案,也就是当上一级火箭推力已经消失,下一级发动机尚未启动,连接解锁装置解锁,依靠分离冲量装置使两级分离,分离完成后,下一级发动机再启动。

而热分离则意味着当来到分离阶段,“星舰”飞船与超重助推器分离前,飞船发动机就点火启动,当推力达到一定值时,连接解锁装置解锁,飞船依靠发动机推力加速,超重助推器在飞船发动机燃气流的压力和气动阻力下减速,从而实现两体分离。与冷分离相比,热分离方式不需要进行两次发动机加速,减少了死重问题。

SpaceX表示,利用热分离方案能够进一步将系统的运载能力提高约10%。

热分离部段。

热分离部段。

热分离技术并不新鲜,俄罗斯火箭和美国早期的大力神2号等火箭都曾使用过这一技术,但这次要在全长121米尺寸的火箭上成功完成,仍然是一个挑战。上个月,马斯克在国际宇航大会上曾说:“如果发动机点火,飞船在分离阶段不会自爆,那么我认为我们就有相当大的机会进入轨道。”

“星舰”的热分离成功了,加固后的发射台也没有再炸出大坑,一系列新进展产生:飞行中一级33台发动机全程持续工作,未出现故障关机情况;飞船6台发动机实现长程点火工作。

“SpaceX官方至今并未公布具体的实验情况。”李铭解释,但火箭的二级飞行也基本走到最后阶段,说明此次发射完成了许多重要的实验目标,从这点来说,算得上失败中的“成功”。

大火箭意味着“大梦想”

对于普通航天爱好者而言,“星舰”最大的特点之一,就是箭体庞大。

“星舰”全箭直径9米,高约121米,箭体材料主要采用不锈钢。第一级被称作“超重型助推器”,高达71米,可加注推进剂3400吨,起飞总推力达到了惊人的7590吨,是“阿波罗计划”使用的土星5号重型火箭的2倍多。第二级被称为“星舰”,实际上是特殊的飞船,高约50米,可加注推进。

为了驱动庞大的箭体,“星舰”一级使用了33台海平面推力230吨的“猛禽”液氧甲烷发动机,二级则使用了3台海平面版发动机和3台真空推力285吨的真空版“猛禽”。这也是人类首款实用化的全流量分级燃烧循环发动机。

SpaceX宣称“星舰”在两级全回收状态下的近地轨道运力不低于150吨,一次性发射状态运力高达250吨。

“航天领域有句话,运载火箭运力有多大,航天的舞台就有多大。”李铭解释,如果有更大运力的火箭,我们就可以将更重的设备、更多的物资,包括未来可能实现载人,将宇航员等送到火星等星球,更大运力的火箭对实现火星的探索意义非常。

“星舰”第二飞前,SpaceX在发射台增加了水冷系统,它被马斯克称为“巨大的倒置淋浴喷头”,向上喷水以抵消助推器产生的大量热量。

“星舰”第二飞前,SpaceX在发射台增加了水冷系统,它被马斯克称为“巨大的倒置淋浴喷头”,向上喷水以抵消助推器产生的大量热量。

航天运输能力是空间能力建设的基础。未来,“星舰”如果成功,强大的运载能力发挥作用,不仅能够支撑构建SpaceX自己的星链低轨巨型星座,而且在美政府和军方的广泛支持下,能够达成包括基于“星舰”的月球载人运输、小行星探测构架、火箭货运等多项合作,与NASA等机构探讨发射更大的太空望远镜。

材料和技术的更迭使商用火箭有了更大的发挥空间,在商业航天领域,更多可能性被激发。SpaceX的“星舰”炸出不一样的火花,不少公司也尝试朝着各自目标进发。蓝箭航天的朱雀二号、天兵科技的天龙二号、航天三江的快舟十一号甲、星河动力的谷神星一号等国内民营火箭先后发射成功,“大家都在勇于去探索自己的技术。”李铭表示。

不过目前,马斯克更着急的,是近在眼前的登月计划。根据美国国家航空航天局(NASA)联合SpaceX于2019年发布的登月计划,预计在2024年实现环月飞行,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”NASA与SpaceX签订了价值约40亿美元的开发合同,计划让“星舰”参与“阿尔忒弥斯3号”的载人登月任务,使用“星舰”飞船将宇航员从月球轨道送往月球表面。美国媒体指出,在“阿尔忒弥斯3号”任务中,NASA没有研发自己的月球着陆器,这意味着若“星舰”研发出现问题,可能破坏整个“阿尔忒弥斯3号”任务。

比起沉寂,或许大家更乐于看到“星舰”的“爆炸”,因为科学与技术的进步总是在不断的试错中诞生。

从这个维度看,马斯克的征途还将继续。


部分内容参考自中国新闻周刊、科普中国、澎湃新闻等

【话题研究员】徐勉 王诗堃 朱丹

【策划】张西陆 魏伯航 张志超 

编辑 朱丹
校对 胡柔群
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