成功了!星舰第4次试飞 平稳落入海面 马斯克再创奇迹

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综合多家外媒消息,美国太空探索技术公司(SpaceX)新一代重型运载火箭“星舰”以及飞船集成系统6日从位于美国得克萨斯州的基地发射升空,这是“星舰”第四次试射。

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刚刚,马斯克在社交媒体X上发帖,证实“星舰”最终在海上软着陆成功并为此祝贺SpaceX团队“取得史诗般成就”。

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据新华社此前介绍,“星舰”重型运载火箭总高度约120米,直径约9米。火箭由两部分组成,底部是“超级重型”助推器,顶部是飞船,可重复利用。

综合美国有线电视新闻网等多家媒体此前报道,2023年4月20日,“星舰”火箭及飞船集成系统进行第一次试飞,但火箭升空不久后爆炸。依据法新社说法,火箭发动机出现故障,第一级助推器也没有与上面的飞船分离。同年11月18日,SpaceX公司进行“星舰”火箭第二次试飞,火箭升空不到3分钟后成功实现一二级分离,但此后任务控制中心与“星舰”飞船失去联系,被迫启动自毁系统。美国有线电视新闻网形容说,“星舰”第二次试飞比2023年4月尝试时走得更远。今年3月14日,“星舰”火箭及飞船集成系统进行第三次试飞,“星舰”的第二级飞船在再入大气层阶段失去联系。

图片来源:SpaceX

本次是星舰的第四次试飞(IFT-4),上面级为星舰(Starship)飞船,代号S29,下面级为超重型推进器(Super Heavy),代号B11。

撰文 | 王昱

审校 | 不周

北京时间6月6日晚8:50,SpaceX星舰组合体(B11+S29)在得克萨斯州的星港(Starbase)发射场点火升空。这是星舰的第四次轨道测试。

星舰火箭按照预定计划起飞,有一台发动机没有正常启动,不过对于有33台猛禽发动机的超重型推进器来说,这仍在设计冗余内。

起飞时有一台发动机没有正常启动,不过这仍在设计冗余内。星舰百公里加速确实不如常见的电动车快,但是千公里加速会更快一些。图片来源:SpaceX

在升空1分钟后,星舰达到最大动压点(Max Q),并且在升空2分45秒后热分离,B11在随后的下降过程中,按计划抛弃了热分离环(Hot Stage Ring),减轻降落时的重量。

超重型推进器B11按计划返回墨西哥湾。按照直播数据,超重型推进器B11在距离海面不到2千米时还在以音速(340米/秒,1224千米/时)下落,随即马上点燃了12台火箭发动机,超重型推进器B11用20秒,在2千米内从音速到几乎完全刹停。随后,它在海面上倾倒,信号丢失。

星舰飞船S29按计划继续飞行。根据星链(Starlink)卫星网络传回的直播画面,这次飞行姿态非常稳定,并没有像第三次飞行一样滚动过快,S29始终用隔热瓦抵御再入大气层时的高温冲击。

S29再入大气,视频信号通过星链卫星网络传输。图片来源:SpaceX

但是隔热瓦本身好像并没有撑住,再入大气层的过程中,长时间的高温冲击似乎烧穿了星舰飞船S29尾部的气动翼,极端的环境甚至把直播相机的保护玻璃烧出了裂纹。

但是这些损坏似乎并没有成为星舰正常降落的阻碍,虽然直播相机在再入大气层时几乎完全被遮挡住了,但是透过画面中闪烁的火光,再结合数据判断,星舰S29仍然成功在印度洋海面上按计划变更姿态,几乎刹车到静止,倾倒在海面上。

至少从右下角的数据和画面中的火光来看,星舰S29的“软溅落”很成功。不知为何右侧的发动机点火示意图没有显示发动机点火状态。图片来源:SpaceX

爆炸!进化!

很明显,第四次试飞又报废了一枚星舰,但好在这次并不是爆炸,也不是“计划外快速解体”(Rapid Unscheduled Disassembly),而是按照计划落入海面。星舰S29成功“软溅落”在印度洋,超重型推进器B11则“软溅落”在墨西哥湾的海面上。

星舰第四次试飞流程视频。第四次试飞几乎完全完成了流程中所有既定目标。视频来源:SpaceX

由于星舰第三次试飞已经成功进入了轨道,所以第四次试飞的重点转向了回收和再利用火箭,火箭下面级超重型推进器需要落地时点火,尽力将速度降低到0,最终以较低的速度溅落到墨西哥湾的海面上。与此同时,上面级星舰飞船也应以受控姿态再入大气层,并最终坠入印度洋。

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实战就是最好的测试。回顾星舰的三次试飞,SpaceX每次都能给我们带来更多惊喜。

2023年4月20日,星舰火箭首次在星港发射升空。但起飞过程就有些意外,因为发射场没有做好散热措施,星舰发射时的火焰直接把发射场喷坏了,但好在火箭本体成功起飞。火箭起初一路攀升,最高飞到了大约39千米的高空,最高时速超过2000千米。

然而,发射后3分钟左右,超重型推进器并没有像预期中那样与飞船发生分离,而是继续连接在一起。飞行器经历了一系列发动机故障,高度下降,并在空中翻滚……最终星舰在升空4分钟后爆炸摧毁,没有按计划进入地球轨道,提前结束了测试。

根据SpaceX描述的情况,超重型推进器泄漏的推进剂起火,破坏了推进器与主计算机之间的通讯,导致推进器上的大多数发动机失去控制。在星舰火箭开始翻滚后,自主飞行安全系统(AFSS)发出了销毁指令,但这个指令并没有立即起效,而是意外地延迟了40秒,飞船才发生爆炸。

这次试飞后,SpaceX给星舰发射加上了水冷板,还增强了AFSS的可靠性。不然满载燃料的星舰落到地上再爆炸,那可就真的是地对地导弹了。并且还在星舰和超重型推进器之间添加了热分离系统。

2023年11月18日,星舰开始第二次轨道测试。这一次星舰顺利起飞,发射场保持完好。星舰飞船(S25)在升空不到3分钟后,在大约75千米的高度,与携带着33台发动机的超重型推进器(B9)成功分离。而后飞船继续飞行,并达到了接近轨道速度的时速。但与计划不同的是,在点火升空后大约9分钟,团队与星舰飞船失去了联系。星舰失联前最后的高度为148千米,速度超过24 000千米每小时。此外,原本要溅落墨西哥湾的超重型推进器,在与飞船分离不到一分钟后便发生了爆炸。

SpaceX最终确定,超重型推进器与星舰分离并开始向预定着陆点移动后,其几个发动机开始关闭,随后其中一个发动机突然失效,最终导致了一连串的爆炸。SpaceX表示,最可能的原因是向发动机供应液氧的过滤器发生了堵塞。他们会在第三次试飞中进行针对性的调整。

在2024年3月14日星舰的第三次试飞中,星舰终于完成了热分离,成功进入太空,并在轨道上完成了燃料输送实验和载荷舱门开合实验。超重型推进器在返回地球时点火减速,但部分发动机未能点火,推力为达到预期,没能实现软溅落;而星舰飞船在再入大气层时滚动过快,未能用隔热瓦抵御高温冲击。最终星舰飞船信号丢失,在返回大气层的过程中烧毁。

SpaceX团队根据星舰第三次试飞的数据对火箭进行了改进,例如在星舰和超重型推进器热分离后,超重型推进器会将其顶部的热分离环抛弃掉,以减轻超重型推进器的质量,降低它着陆的难度。并且星舰飞船不受控制滚动是因为不能原本控制滚动的推进器发生了堵塞,所以SpaceX同时还在星舰飞船上添加了额外控制滚动的推进器,以控制星舰的姿态,让隔热瓦能抵御再入大气层时的高温。

现在看来,他们的尝试是成功的。而对本次试飞暴露出的问题,SpaceX又会做出那些改进,让我们继续期待星舰的下一次试飞,期待能尽快看到星舰飞船令人惊叹的着陆。

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指数下降的成本

在SpaceX的官网上,他们自豪地称星舰是“史上最强”的火箭。他们确实有这样骄傲的资本。星舰总高超过120米,相当于42层左右的居民楼。起飞总重量在5000吨左右,其中下面级超重型推进器干重(不加注燃料的质量)为200吨,可以加注3400吨的燃料,上面级星舰干重100吨,可以加注1200吨的燃料。作为对比,NASA“自家”最强的火箭“土星”五号起飞重量是3039.5吨,可重复使用的航天飞机起飞重量(包括燃料罐和助推器)约为2000吨,SpaceX之前最强的火箭“猎鹰重型”起飞重量为1428吨,长征五号起飞重量大约是870吨。

如果星舰最终研发成功,那么它可以一次性把150吨的货物送到近地轨道,或者把100吨的货物送到月球、火星。当然,如果货主运费足够充足,星舰也可以不回收,最多将250吨的货物送到太空。2018年,SpaceX在第一次测试猎鹰重型火箭时,将马斯克自己的特斯拉跑车送往火星转移轨道。星舰成功后,如果马斯克乐意,星舰能一次性往火星送50辆跑车,并且这之后星舰还能返回地球,继续送货赚钱。

2018年,SpaceX在测试猎鹰重型火箭时,把马斯克本人的特斯拉跑车发射到火星转移轨道上了。图片来源:SpaceX

从更实际的角度考量,猎鹰9号运载火箭现在可以一次性将60颗星链(Starlink)卫星送入近地轨道,星舰则可以一次性送680颗星链卫星。当然,星舰研发成功后,SpaceX会将星链卫星的重量提升一个数量级,升级成更强大、更可靠的“星链”2.0卫星。这样其实每次发射的星链卫星数量不会有太大改变,甚至会有所减少,但整体性能会更强。

猎鹰9号单次发射成本在6700万美元(2022年数据)左右,星舰目前每次发射成本约为1亿美元,马斯克估计在未来几年内单次发射成本会降低到1000万美元左右。 2023年11月2日,马斯克就在X上宣布星链现金流收支平衡,星链网络已经是目前发展最快的卫星网络了,星舰成功后,星链网络的进展可能再次超出我们的预期。

能力更强,成本更低,星舰有望将地球轨道的运货成本降低到100美元/千克的量级。这是什么概念?从北京飞往纽约的头等舱航班大约为10万元人民币,按照乘客加行李总共100千克计算,头等舱售价大约是138美元/千克。按重量计算,星舰的运输成本甚至可能比跨国航班头等舱的售价还便宜,并且速度快得多。

从1960年到2030年,向地球轨道运送每千克货物的运费(美元/千克),注意纵轴为对数坐标。从左到右单独标注的蓝点分别为土星五号(Saturn V)、航天飞机(Shuttle)、德尔塔-4重型运载火箭(Delta IV Heavy)、猎鹰9号(Falcon 9)、猎鹰重型(Falcon Heavy)和星舰预估数据(Starship est.)图片来源:CSIS Aerospace Security Project, PayloadResearch estimates | 2024

当大气层外的航天,在价格上能与大气层内的航空相比肩时,这会带来什么改变?星链网络肯定会得到大大增强,除此之外,更多科学家也有望将他们的实验室搬上太空,太空工厂或许也能提上日程。星舰甚至还能成为一种新的远距离交通工具,执行洲际航班。

图片来源:《环球科学》2023年12月刊封面文章《太空制造:合成完美材料?》

当然,在马斯克的愿望中,这种远距离不应该局限在地球上,而是从地球到火星之间。从地球到火星,这当然是一段漫长的旅程,并且还有很多问题亟待解决,比如星际辐射对人体的伤害,长期微重力导致的骨质疏松,当然还有最重要的问题——没钱。此前从地球到火星的运输成本太过高昂,让大部分火星探索任务都望而却步,为了安全和成本,火星探索任务往往只会派出探测器。当然,探测器就已经足够满足大部分科学家的需求了,是否有必要将人类派往火星也是一件值得商榷的事情。但是,如果星舰真的能以指数的方式降低发射成本,不断降低的预算总会挑拨着探索者的心弦——

万一,真能成呢?

来源: 环球网

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