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“星舰”首飞失败,航天创新从来不易

北京时间4月20日21时许,美国SpaceX公司研制的新型运载火箭“星舰”在美国得克萨斯州博卡奇卡的自建发射场点火起飞。火箭升空后即发现一级有多台发动机工作不正常,升空2分30秒后火箭姿态失稳并开始旋转,最终解体爆炸,发射宣告失败。虽然未能完成首飞目标,但“星舰”技术指标的确刷新了航天器的运载指标纪录,未来有望为航天发射事业提供更多可能。那么“星舰”采用了哪些新技术、新设计?这款运力强悍的运载火箭有着怎样的应用前景呢?



“星舰”点火起飞



“星舰”点火起飞



“星舰”首飞以爆炸解体



刷新纪录,任务多样



“星舰”全箭直径9米,高约120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69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。第二级实际上是特殊的飞船,高约50米,可加注推进剂1200吨,推力1500吨左右。此外,“星舰”取消了整流罩,在第二级顶部设置有类似航天飞机的可开合式载荷舱,因此具备载荷下行能力。



竖立在发射台上的“星舰”



为了驱动庞大的箭体,“星舰”全箭共使用了36台海平面推力230吨的“猛禽”液氧甲烷发动机和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公司宣称,“星舰”在两级全回收状态下的近地轨道运力不低于100吨。



按照原定的首飞计划,“星舰”此次首飞不同于传统一次性运载火箭,两级顺利分离后,其第一级像猎鹰9火箭第一级返场回收一样,完成调头、点火、反推等流程。不过,出于安全性考虑,此次“星舰”第一级实际上不回收,而是下落至距发射场不远的海面上,再次启动反推,并缓缓落海。“星舰”第二级则在绕地球飞行大半圈后再入大气层,并以类似航天飞机的姿态返回,隔热瓦在承受再入高温后,保护第二级进入大气内滑翔并最终坠海,完成验证使命。



严格地说,在此次发射中,“星舰”第二级并未完全遵循绕地轨道,也无法验证运力指标,但“星舰”想要入轨,只需第二级稍微推迟关机即可。它选择“半圈再入”,是为了更稳妥地验证防热、再入等性能。



“星舰”局部隔热瓦特写



“星舰”首飞堪称2023年最受关注的航天发射活动。一是因为“星舰”刷新了重型火箭诸多纪录,从推力、起飞重量、运力等方面全面超越了航天史上实用化的火箭型号。二是由于“星舰”设计理念非常激进,集成了多项未经验证的新技术。此次发射若是成功,则“星舰”将成为航天史上第一款可完全重复使用的运载火箭,又是首款成功入轨的液氧甲烷火箭。可惜天不遂人愿,一二级尚未成功分离就折戟沉沙。



“星舰”的飞船与超重型助推器对接



“星舰”的主要目标是在猎鹰系列火箭回收技术的基础上,继续以指数级降低发射成本,提高发射频率,同时加速SpaceX公司的巨型低轨互联网星座组网发射。



不过,“星舰”的任务预计将远不止“星链”项目,利用快速复用发射和在轨加注设计,有望载人驶向更遥远的深空。2021年4月,“星舰”在竞标中击败了强劲对手,将改造为“阿尔忒弥斯计划”的载人登月舱。此外,“星舰”还是美军“全球快速投送”项目的目标载具,试图将80吨载荷在1小时内投送到全球任何地方。更重要的是,“星舰”将是SpaceX公司成立以来一直宣传的载人登火蓝图的实践者。由此可见,“星舰”是名副其实的“重任在肩”。



以飞代试,迭代改进



SpaceX公司对“星舰”的研发几乎是倾其所有。可以说,整个公司的命运都系于“星舰”项目的成败之上。



自2002年SpaceX公司成立以来,马斯克就不断宣传“火星梦”,变相提升了执行载人登火任务的重型火箭关注度。



“星舰”前往火星想象图



随着猎鹰9火箭成功回收,SpaceX公司“羽翼渐丰”。在2016年国际宇航大会上,马斯克首次公布了用于载人登火的“行星际运输系统”。但因发射规模过大,技术指标过高,导致后期设计方案一变再变,火箭规格也一缩再缩。



2017年,航天运载器改名为“大猎鹰火箭”,指标初步确定为近地轨道运力100吨级,贮箱使用高强度、低密度的碳纤维复合材料。2018年,日本富豪前泽友作斥巨资买票,宣布了“绕月之旅”规划。不过,仅5个月后,SpaceX公司再次推翻了设计方案,将贮箱材料改为当前火箭型号上少有的低成本商用级不锈钢,并正式更名为“星舰”。



不锈钢方案敲定后,“星舰”研发正式驶入快车道。2018年底,“星舰”原理样机“星跳者”曝光,试飞高度仅有数十米。从此,SpaceX公司沿用“快速迭代”和“以飞代试”模式,建造了大量“星舰”原型箭,并开展各种试验。总体来看,相关项目推进迅速,但也代价高昂,仅在10公里亚轨道试飞阶段就遭遇了重大挫折,连续4次试飞爆炸,直到原型箭SN15才首次成功着陆。至于其他原因导致炸掉或报废的各类试验品、原型箭,更是数不胜数,就连理论上可以发射的SN20与B4组合体都因为设计快速迭代而废弃。



“星舰”静态点火测试



不过,“星舰”项目团队坚持采用长期被忽视的液氧甲烷推进剂,这是为什么呢?



首先是液氧甲烷的推进效率高,推进剂的理论比冲高达390秒,仅次于液氢液氧推进剂。第二个主要因素是液氧甲烷推进剂燃烧无积碳,点火机构设计更容易,便于发动机回收复用。第三,甲烷的比热容较高,综合冷却性能达到煤油的3倍以上。第四,甲烷与液氧的沸点相差不到20摄氏度,贮箱间的隔热需求大幅下降,可以更方便地引入共底设计,减轻结构重量。



除了以上4点外,还要考虑到甲烷成本低廉,目前主要由天然气提纯获取,相比液氢,堪称“白菜价”。尤其是对于“星舰”这种需要加注数千吨推进剂的重型火箭来说,液氧甲烷推进剂的省钱效应可谓“立竿见影”。



挑战艰巨,任重道远



代价高昂的迭代研发策略加速了“星舰”的进度,但由于引入了大量仍需验证的新技术,导致其首飞日期仍不断推迟,此次首飞最早就原定于去年进行,增大了“星舰”未来面临的挑战。



“星舰”进度拖延不仅耽误了第二代“星链”卫星的组网进度,还拖累了美国“重返月球”大业。传统上,成功首飞入轨对于新型火箭算是“大功告成”,但对“星舰”来说即使首飞成功也只是万里长征第一步,其后服役、改进历程仍将是道阻且长。



猎鹰 9火箭末子级摄像机拍摄的火箭与第二代“迷你版”星链卫星在太空即将分离的照片



为达成预期目标,“星舰”后续仍需大量试飞、改进,首先要攻克的难关就是两级分别被精确地捕获、回收。接下来,针对载人任务,“星舰”团队必须积累足够的可靠性数据,增设必要的维生和逃逸设备,定型载人版“星舰”。



为执行深空任务,满足在轨加注需求,团队需要设计专门贮存和转运低温推进剂的在轨加注版“星舰”。而为了兑现给美国宇航局的合同承诺,团队要打造精简掉所有大气层再入设备的登月版“星舰”。以上构型想要成真,最关键的前提是实现“星舰”的廉价化、快速制备和可靠的重复使用。可以说,这是“星舰”项目的最终挑战,也是其不断迭代的终极目的。



最后,SpaceX公司还需要打造载人登火版“星舰”。它将验证原位资源利用技术,即不携带返程推进剂,“轻装”着陆火星表面,然后就地取材,通过萨巴蒂尔反应制取返程推进剂。结合在轨加注低温推进剂技术,载人登火版“星舰”有望将单次向火星表面投送载荷质量从1吨级提升至100吨级。



“星舰”登陆火星想象图



总体来看,“星舰”完全回收、快速复用的设计理念对其他火箭型号发展起到了积极的示范和促进作用,但随着“星舰”后续进入轨道级发射阶段,大量创新理念和设计有待落地,各项飞行试验的成本也将以指数级上升,这是“星舰”融合了过多新技术的必然代价。



而这次首飞失败正是这种代价的集中体现,尤其是单芯级多发并联技术这项堪称运载火箭“魔咒”的挑战,SpaceX公司必须要跨过去。



根据SpaceX公司的一贯风格,公司绝不会止步于此次挫折,公司事前就已预料到首飞的巨大风险,而后续的试飞“星舰”已经在厂房内总装。这种愈炸愈勇的风格或许正是SpaceX公司能在20年间迅速崛起的原因之一,同时也警示人们航天创新永远是机遇与风险并存。“星舰”的未来道阻且长,其激进的设计思路能否使其实现目标,基于“星舰”的登月舱能否让航天员安全往返月面和出发站,“星舰”能否帮助仍在亏损的“星链”项目渡过难关,“星舰”又能否促进“火星梦”成真,这一切都有待时间去验证。





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