马斯克的“星舰飞船”这次没炸
2021-05-06 15:58

马斯克的“星舰飞船”这次没炸

本文来自微信公众号:果壳(ID:Guokr42),作者:酸奶神教副教主,原文标题:《没炸!马斯克的星舰飞船这次试飞成功了!》,头图来自:视觉中国


星舰SN15成了!


北京时间今天一早,星舰SN15从美国得克萨斯州Boca Chica的测试场点火升空,6分钟后稳稳落地。


没炸,这次真的没炸!


立在发射台上的星舰SN15 | Jack Beyer/NASASpaceflight.com


屡飞屡炸


星舰,SpaceX正在研发的下一代航天载具,直径9米,高122米,建成后总重将超过5000吨,近地轨道运载能力达100吨以上,成为有史以来最强大的运载火箭。


星舰飞船,则是星舰的第二级,高约50米。按照设计,未来的星舰飞船可分为货运和载人等不同版本,都将拥有从地球轨道甚至更远深空返回并垂直着陆的能力。


按照SpaceX创始人埃隆‧马斯克的设想,这样的能力对于运载火箭的完全回收重用,以及未来载人登陆月球甚至移民火星,都至关重要。


星舰飞船一次又一次高空试飞所要验证和演练的,正是重返地球最终垂直着陆的过程。正因为如此,高空试飞才设计得如此花里胡哨,导致星舰原型机一炸再炸。


星舰SN8落地时“计划外快速拆解” | SpaceX


去年12月9日,星舰SN8首次高空试飞。落地时燃料罐压力不足,导致发动机推力不够,触地速度过快最终“计划外快速拆解”。


今年2月3日,星舰SN9再次试飞。燃料罐倒是没问题了,但一台猛禽发动机落地前点火失败,同样导致推力不足,飞船无法摆正,最终歪着落地,摔得比前辈更惨。


星舰SN9炸在当场,星舰SN10在旁边瑟瑟发抖 | LabPadre


3月3日,星舰SN10第三次尝试高空试飞。这回着陆时倒是站住了,但由于落地速度过快撞坏了舰体内的结构,几分钟后它还是原地“计划外快速拆解”了。


星舰SN10成功落地几分钟后,原地爆炸 | NASASpaceflight


至于3月30日大雾里强行起飞的星舰SN11,在落地前翻身的瞬间,就因为一台发动机故障而当空解体,碎片散落了一地。


星舰SN11当空解体,碎片差点砸中摄像机…… | NASASpaceflight


屡炸屡飞


今天一早,星舰原型机又一次尝试了高空试飞,这回登场的是全新升级的星舰SN15。


北京时间6:24,当地时间下午17:24,星舰SN15点火升空,几秒钟后冲入云层。


星舰SN15点火升空 | SpaceX


一招飞龙在天,直冲云霄 | SpaceX


升空4分钟后,3台猛禽发动机按计划关机,SN15翻转成水平姿态,肚皮向下可控坠落。


一招鱼跃于渊,平沙落雁 | SpaceX


升空6分钟后,仍在云层里的SN15点燃两台发动机,将星舰的姿态从肚皮向下迅速改为尾部向下,堪称神龙摆尾。


一招神龙摆尾,翻身摆正。这是之前星舰SN10试飞的画面,SN15的神龙摆尾被云给挡了…… | SpaceX


姿态调整为垂直的星舰SN15从云端落下,在两台发动机的反推下缓缓落向着陆场,很快便没入了被尾焰吹起的烟尘之中。


一招反推落地,震惊百里 | SpaceX


烟尘散尽,星舰SN15稳稳立在当场。


星舰SN15成功着陆,没炸,真的没炸!| SpaceX


终于,在连炸了4台原型机之后, SN15完成了星舰飞船的高空试飞!


全新升级


话说回来,星舰原型机的编号怎么就从SN11直接跳到了SN15,中间的12、13和14去哪了呢?


这是因为,相比于之前的星舰原型机,SN15进行了一系列升级改造,可以说是星舰从诞生以来推出的第四个新版本了。中间的SN12、13和14,由于前辈们的屡飞屡炸,已经提前完成了测试使命,干脆就拆掉或者跳过了。


稍微了解星舰的朋友,一定都对星舰的样貌印象深刻:比例类似漫画中火箭的箭体,加上上部的一对前襟翼和底部的一对襟翼。SN15并没有大改这一布局,但在细节上,可以称得上是“唯一的不同,是处处都不同”。


SN15最早为人所知的改进是着陆支架。


之前的SN10本来已经实现了受控软着陆,奈何接地时下降率过大,冲击力让着陆支架直呼吃不消,传导破坏了箭体内的结构,导致燃料泄漏,最终还是毁在了巨大的爆炸中。


这样的错误当然不能犯,除了改进控制逻辑以实现柔和降落之外,着陆支架也加强了耐冲击能力。


SN15的着陆支架非常粗壮,设置于箭体底部四角,每个都有加强撑杆,提高了强度和缓冲能力。支架的顶部安装点很高,基本达到储罐顶部。


看起来,为了让SN15安全着陆,SpaceX的确煞费苦心。


SN15襟翼细节的改进 | RGV Aerial Photography/WAI


除此之外,SN15在气动外形和制造工艺、规范等方面也有改进。


比如,两对翼面与箭体的连接过渡都进行了修改,翼根的整流罩外形更加流畅,目的应该是在减阻的同时,增强翼面的姿态控制能力,使得星舰更不容易出现姿态调整不过来、歪斜着撞击地面爆炸的丑态。


SN15顶部气体喷射口位置更高 | RGV Aerial Photography/WAI


箭体的顶部原本设有利用气体喷射来调整箭体姿态的喷射口,在SN15上也得到了改进,高度更高,喷射的力矩会更长一些,调整姿态更有劲儿。


SN15上增加了星舰系统天线 | RGV Aerial Photography/WAI


除了外形和工艺等方面的改进,SN15身上还增加了马斯克的星链系统天线。看来SpaceX很想在能用的地方都用上自家的技术,真是肥水不流外人田呐!


SN15上安装的3台全新的猛禽火箭发动机 | considercosmos


还有最重要的改进,就是猛禽火箭发动机。


前几次试飞炸机,根源都出在发动机工作异常。这一次,SpaceX把SN15上的动力系统从头到尾进行了优化,储箱、管路到喷管都调整了设计。发动机的矢量喷管控制单元从星舰头部设备舱下移到了动力系统顶部,以此简化控制环节,降低通信延迟。同时,发动机的甲烷管路也调整回了更稳定的舱壁走线原始设计,避免重演SN11的甲烷泄漏大爆炸。


星舰SN15试飞全程回放 | SpaceX


经过了大大小小号称上百处升级的星舰SN15,也果然不负众望,在星舰飞船研制道路上又向前迈出了坚实的一步。


指定唯一载人登月舱?


其实,在这次SN15试飞成功之前,星舰就已经在美国商业航天领域引发了极大的震动。起因在于4月17日,NASA选择星舰作为美国未来载人登月计划的唯一指定登月舱。


NASA的阿尔忒弥斯登月计划,旨在载人重返月球并建立基地长期驻留。去年,NASA公开招标商业载人登月着陆器方案。


除了SpaceX的星舰方案以外,一同参与竞标的还有:由蓝色起源牵头,联合诺格公司、洛马公司和德雷珀公司组成的所谓“美国国家队”,以及由Dynetics公司领衔的25家小企业联队。特别是前者,可谓阵容梦幻,是夺标的头号热门。


参与竞标载人登月舱的三套方案 |NASA


而星舰方案,根本不被人看好,理由是它过于奇葩:


  • 星舰体型巨大,相当于一幢16层大楼,只能由SpaceX尚在研制的超级重型火箭才能发射升空;


  • 升空后,星舰必须在轨道上多次加注燃料才能飞向月球,而在轨加注超低温燃料的技术仍有待研发;


  • 与另外两家相对传统的方案相比,星舰方案太过激进,而且过于庞大,甚至可以把另外两家登月舱打包装进来一起登月……


更不用说在今天之前,星舰原型机一直炸炸不休,高空试飞就没有一次成功的。


这样的飞船,载人?开什么玩笑!


然而,就在所有人都以为蓝色起源牵头的美国国家队要赢得这一竞标时,NASA选中了SpaceX的星舰,而且是唯一指定胜出者,并非之前说好的三选二。


原因无他:星舰方案太便宜了!


SpaceX给出的项目报价还不到30亿美元,和其他两家的报价相比简直低得离谱。


而在报价更低的情况下,NASA评估后认为,SpaceX星舰方案的技术水平达到了与蓝色起源方案同样的水平,在管理水平上更是三家中最强的。


此外星舰方案在数十项指标上还远远超出NASA提出的要求,指标可实现性是一流的。


更不用说SpaceX作为一家已经经营了数年的民营商业航天公司,自身具有丰富的金融和市场经验,对预算风险问题来说也是重大利好。


当然,更深层次的原因还是NASA经费不足,原本应该是连一家的方案都采购不起的,也多亏了SpaceX临时下调报价,才勉强能够签下这单合同。


在NASA竞标中胜出的星舰登月舱最新设计方案 | SpaceX


登月版星舰的外表平滑,由于无需返回地球,前襟翼和襟翼因为没有用武之地而被取消,着陆支架也比SN15原型机娇小许多,这是由月球的低引力所决定的。


所以从外表上看,相比目前的原型机,登月版星舰更像是一艘符合星际飞行的大型飞船,工业设计水平十分诱人,科技感满满!


为了让宇航员从十几层楼高的星舰上下到月面,星舰登月版还将配备一部月球电梯。注意,这可不是什么比喻,而是货真价实的厢式电梯,用于运送人员和货物进出顶部舱。对宇航员来说,这可要比蓝色起源国家队方案中又高又长的恐怖梯子友好多了。


星舰登月舱将配备一台月球电梯。注意,图中星舰登月舱的设计已经过时了丨SpaceX


如此看来,马斯克拿下这一订单,虽出乎意料,倒也顺理成章。


不过贝索斯和其他巨头们又怎么可能轻易认输呢?


输掉第一轮竞标后,蓝色起源公司在4月底提交了一份长达175页的抗议书,称NASA对他们的登月舱充满了误解和成见,没有正确评估,而把这一重任交给SpaceX是在打压美国商业航天市场的正常竞争,会导致SpaceX的垄断地位,使得上下游产业链对单一企业产生依赖,等等。


而后,Dynetics领衔的小企业联队也提出抗议,称NASA只选一家胜出并不公平,毕竟之前说好是三选二的;如果经费不足以签下两家,那应该撤回标书重新开标才对。言外之意,大概就是——没钱你别买呀,一家都不许买,买就是不公平!


这轮抗议确实产生了不小的影响,据称NASA已经暂停了签给星舰的载人登月舱合同,准备重新开始评估工作。


对于蓝色起源的抗议,马斯克发推嘲讽 | 推特截图


马斯克对此的反应倒是相当不屑一顾,只发了一条推特嘲讽。毕竟蓝色起源公司折腾了这么多年,至今还没有把任何载荷送入外层空间,亚轨道火箭依然在大气层中上上下下,以目前的技术水平来看,两家根本不在同一层级。


算上今天星舰SN15试飞成功,在商业航天领域,SpaceX实在是过于成功了;而在另一方面,站在蓝色起源公司背后的巨头们也不是吃素的。NASA商业载人登月方案这份大单最终将花落谁家,还是拭目以待吧。


从毫无美感和气动可言的粗糙不锈钢筒,到历经数次迭代成功试飞的SN15原型机,再到几乎吃定NASA登月计划的科幻登月器,星舰已经走过了一段路,但之后的路还很长。


SN15之后,基础稳定性将是下一步星舰原型机的测试目标,比如:新的储罐和燃料供应体系能否解决之前频繁出现的燃料供应问题;飞控和气动面等因素调整之后能否改善星舰的姿态控制能力;新的着陆支架能否承受之前那样猛烈的冲击,等等……


星舰的未来是未知的,毕竟目前它还从未冲出过大气层的束缚。但新生的婴儿总是值得祝福和期待的,航天作为人类未来前进的必然方向,更是如此。


按马斯克的疯狂计划,今年7月,星舰SN20就要进行一次全流程测试,进入近地轨道,并和他的前辈航天飞机一样,以25倍声速冲入大气层,尝试完成一次完美的滑翔返回。


星舰SN20入轨试飞的渲染图 | Bowen Cameron


星舰,冲鸭!


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