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炸了!马斯克的星舰首飞失败,但火星梦更进一步

开发技术 开发技术 2023-04-24 次浏览

4 月 20 日晚,SpaceX 的星舰首飞失败了。

星舰在空中发生爆炸,未能成功与超重型助推器分离,出现「计划外快速拆解」。

SpaceX 在 Twitter 回应,好像首飞还不够精彩,团队将继续审查数据,并努力进行下一次试飞。

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马斯克说过,首次试飞的成功率在 50%,甚至没炸毁发射台就值得庆幸。

不管结果如何,这场发射都是太空探索历史上的重要一章。

炸了!马斯克的星舰首飞失败,但火星梦更进一步

▲ 夕阳下的星舰.

今晚的主人公星舰,是 SpaceX 研发的、具备划时代意义的火箭,甚至有「人类最强火箭」之称。

它也承载着马斯克的火星梦想。就在最近,SpaceX 官网发布了星舰飞向火星的模拟视频,展现了星舰发射、加注和到达火星前哨站的场景。

千呼万唤始出来的星舰首飞,究竟有什么特别之处?

接下来,让我们从几个重要的问题切入,快速了解星舰的过去、现在与未来。

🚀为什么是星舰

2021 年 4 月,SpaceX 打败蓝色起源,赢得了 NASA 近 30 亿美元的登月舱合同。

按照计划,SpaceX 将在 2025 年使用星舰,将阿耳忒弥斯 3 号的宇航员送上月球。

为何它会被 NASA 看中,又被马斯克寄予厚望?

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🔗目前最高的运载火箭

整个火箭系统称为星舰(Starship),总高度约 120 米,由两部分组成:

  • 顶部配备 6 台猛禽发动机的星舰航天器(Starship spacecraft),火箭系统的第二级,高约 50 米;
  • 底部配备 33 台猛禽发动机的超重型助推器(Super Heavy booster),火箭系统的第一级,高约 69 米;

星舰的火箭发射和捕获塔也是世界最高的,高约 146 米。

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🔗目前推力最强的运载火箭

星舰是 SpaceX 倾尽全力研发的下一代重型运载火箭,被称为人类历史上体积最大、推力最强运载火箭。

星舰助推器最多产生 7590 吨推力,是 NASA 土星五号火箭的 2 倍多。

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▲ 配备 33 个发动机的助推器.

🔗向火星梦更进一步的火箭

星舰的使命是将宇航员、货物等有效载荷送入地球轨道、月球、火星以及更远的地方,对 NASA 重返月球的计划也至关重要。

未来,星舰将能够搭载 100 人进行长时间的星际飞行,还将用于卫星传输、开发月球基地和地球上的点对点传输。

星舰在低地球轨道以外的飞行,需要在轨加注技术,但这一技术还有待研发。

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🔗可完全重复使用的火箭

星舰是第一个被设计为可完全重复使用的火箭,从而用来降低成本,实现航天飞行商业化。

马斯克认为,这是实现火星移民和其他太空探索所需的关键技术突破。

  • 如果火箭不可复用,那么航空旅行将无法负担,「每次飞行后扔掉价值数百万美元的火箭,就像扔掉一架波音 747 一样」。
  • 如果火箭完全可重复使用,那么每次发射的成本将主要是燃料,星舰的发射成本可能会降至 1000 万美元以下。对于重达 100 公吨的有效载荷来说,每公斤成本不到 100 美元。

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▲ 模拟视频里,发射台使用特殊机械臂「筷子」捕获助推器.

🔥星舰首飞时间线

4 月 20 日,也就是昨晚,是完全组装的星舰首次试飞的日子。

或许冥冥之中自有安排,420 这个数字和马斯克还有些渊源。2018 年,马斯克提出以每股 420 美元的价格将特斯拉私有化,结果惹了很多麻烦。

在科幻小说《银河系漫游指南》中,42 则被视作「生命、宇宙以及任何事情的终极答案」。

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🔗首次试飞预计持续 90 分钟

昨晚的发射窗口时长 62 分钟,北京时间 21:28 打开、22:30 关闭,期间任何时间都可能尝试发射。预期试飞时间表如下:

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其中比较关键的节点是:

  • 助推器和航天器在发射后 3 分钟左右分离。
  • 助推器在第 8 分钟左右,在受控状态下垂直落入墨西哥湾。
  • 航天器则在环绕地球的大部分地区后,重新进入地球大气层,在发射后 1 个半小时,于夏威夷附近硬着陆坠入海中。

首飞的失败,将时间表再次清零。

🔗4 月 17 日曾取消首飞

因为压力阀冻结,原定在 4 月 17 日的星舰首飞取消,转为「湿彩排」(Wet Dress Rehearsal),流程几乎与正式发射一样,只是最后不点火。

马斯克在当天晚上说,自己学到了很多,先卸下推进剂,过几天再尝试。

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在 4 月 16 日晚上的 Twitter Spaces 讨论中,马斯克已经一再预警,对这次发射降低期望值,首飞推迟的可能性很高。

如果我们在出现问题之前离发射台足够远,那么我会认为这是成功的,只是不要炸毁发射台。

👨‍🚀过去为首飞所做的准备

4 月 14 日,美国联邦航空管理局(FAA)向 SpaceX 颁发了星舰发射许可证,许可证有效期为五年。

对于 SpaceX 来说,这是程序上的最后一步,他们为这盏绿灯已经等了一年多。

在最关键的装备上,SpaceX 自然也筹备良久。

🔗大力出奇迹的助推器

SpaceX 对星舰系统第一级的助推器进行了多次测试,包括越来越复杂的静态点火。

今年 2 月的静态点火测试,是首飞前的一个关键节点。

助推器的 33 个发动机有 31 个点火成功,创下火箭发动机同时点火次数最多的历史,因为节流 50%,实际产生 3600 吨推力。

这次试验也说明发动机依然不够可靠。马斯克对此保持乐观,表示推力足够入轨。

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🔗靠爆炸开路的原型机

除了助推器,SpaceX 对星舰系统第二级的航天器,也经过了多次亚轨道飞行测试,验证它们能否重新点火、翻转、垂直着陆。

在这个过程里,屡战屡败、屡败屡战,事故、错误和爆炸是常态。

2019 年,SpaceX 对星舰航天器原型进行「跳跃测试」,即将航天器升空一段距离后再在附近降落,飞行高度往往不到 150 米。

2019 年 4 月到 8 月间,它们不断进步,从能够升空,到在 150 米悬停并顺利降落。

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▲ 跳跃测试.

2020 年 12 月到 2021 年 5 月,星舰原型机的一系列亚轨道高空试飞 5 射 4 炸:

  • 2020 年 12 月,星舰 SN8 达到约 12.5 公里的目标高度,但落地速度过快导致炸毁。
  • 2021 年 2 月,星舰 SN9 没能完成最后的翻身动作,倾斜着砸向地面,又一次炸毁。
  • 2021 年 3 月,星舰 SN10 终于实现垂直着陆,但舰体内的结构被撞坏,几分钟后爆炸。
  • 2021 年 3 月,星舰 SN11 在大雾里强行起飞,因为一台发动机故障而当空解体。
  • 2021 年 5 月,星舰 SN15「神龙摆尾」后平稳落地,虽然燃起了小股火焰,但很快就被扑灭。这次,星舰原型机成功实现软着陆。

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▲ SN8.

这次首飞的「计划外快速拆解」,也在过去一次次地发生。

在一次次爆炸声里,SpaceX 坚持着「从失败中总结经验并快速迭代」的思路。不过,SN8 等星舰原型机主要是用不锈钢制造的,说炸就炸也没那么肉疼了。

爆炸是艺术也是科学,它能够带来有用的一线数据,利于快速改进问题。从「事后诸葛亮」的角度看,各个版本之间的技术跨度也确实很大。

🪐首飞开启的是一个可能的未来

🔗首飞的主要目的

就像上面所提到的多次爆炸,SpaceX 已经使用星舰原型机进行了各种高空试飞,不过仍然停留在地球大气层内。

但这次的首飞,是第一次尝试将星舰送入太空,即地球大气层以外的宇宙空间。

首飞的主要目的是提供测试数据,帮助工程师改进未来的发射,并解决飞行过程中出现的任何问题。

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🔗首飞无法做的事情

首飞只是一次初步的尝试,有很多设想无法实践:

  • 首飞没有任何有效载荷;
  • 星舰在低地球轨道以外的飞行,需要在轨加注技术,但这还只是一项规划;
  • 星舰的设计虽然是可完全重复使用的,但这不是首飞的任务,首飞不打算在发射场回收助推器,也不让航天器垂直着陆,而是让它们落入海中;

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▲ 火星旅程中途需要在轨加注.

🔗首飞是否算入轨

首飞是否算入轨也略有争议。

如果一切按计划进行,这次航天器本该达到轨道发射要求的速度和高度,但没有绕地飞行一圈以上,只是飞越了大半个地球,构不成真正的轨道飞行,某种意义上可称为轨道级发射。

也有人称之为跨大气层轨道(Transatmospheric Orbit)发射,因为它所进入的轨道属于亚轨道和轨道之间的临界区域。

🔗首飞的意义

如果首飞成功,那么就是将人类带到火星等遥远目的地的一个重要里程碑。

不过,只有星舰实现可靠、快速、廉价的可重复使用,才有可能满足载人任务等需求,但这显然还需要多年时间。

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🔗 SpaceX 的里程碑

SpaceX 在星舰首飞之前,已经在航天史上留下了不少里程碑:

  • 猎鹰 1 号:2008 年设计、制造并发射了世界首个由私人投资的轨道级液体燃料火箭猎鹰 1 号。
  • 猎鹰 9 号:2010 年 6 月 4 日,SpaceX 发射了更大、更强大的火箭猎鹰 9 号。
  • 龙飞船:2010 年 12 月 8 日,SpaceX 成功发射并回收了 Dragon 空间货运飞船,这是当时世界唯一可重复使用的货运飞船。
  • 空间站补给:2012 年 5 月 22 日,SpaceX 成为第一家成功向国际空间站(ISS)运送补给的私营公司。
  • 可回收火箭:2015 年 12 月 22 日,SpaceX 首次实现了猎鹰 9 号火箭的垂直着陆,从而为可重复使用的火箭技术迈出了重要的一步。
  • 猎鹰重型火箭:2018 年 2 月 6 日,SpaceX 成功发射了当时最强大的火箭——猎鹰重型火箭。
  • 载人龙飞船:2020 年 5 月 30 日,SpaceX 成功执行「Demo-2」任务,将 NASA 宇航员送上国际空间站,这是人类史上首次实现商业载人航天发射。
  • 星链:自 2019 年开始,SpaceX 开始部署星链 Starlink 卫星网络,并在 2020 年 1 月成为世界上最大的商业卫星运营商。

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▲ 猎鹰重型火箭发射.

在首次发射猎鹰重型火箭之前,马斯克预计成功的几率也只有五五开,他在当时说:

来自世界各地的人们,将观看一场伟大的火箭发射,或者他们见过的最好的烟花表演。

上一次,他成功了。这一次的失败,也是意料中事。

在此之前,马斯克反复强调了这次发射的实验性质,首次试飞的成功率在 50%,不保证顺利,但一定不会无聊。

Success maybe, excitement guaranteed.

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这仿佛就是太空探索的一句注脚。人类经常徒劳无功,但仍然热切地在群星之间探索。

毕竟,太空探索本就是一场兼具瑰丽与冷酷的冒险,就像 NASA 在《为什么要探索宇宙》里所说的那样:

我忧心忡忡地看待未来,但仍满怀美好的希望。

程序员灯塔
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