你又见证马斯克创造历史!SpaceX星舰从万米高空飘落稳稳站住

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腾讯科技乔辉

北京时间 2021 年 3 月 4 日 7 时许,SpaceX 星舰原型(代号 SN10)在得克萨斯州博卡奇卡(Boca Chica)成功进行了高空飞行测试,这是 SpaceX 星舰原型第三次挑战 10 公里级高度,也是首次成功软着陆,具有重要的里程碑意义。虽然 SN10 在落地后不久着火爆炸倒地,但试验的目的已经达到。不同于此前 SN8 和 SN9 落地就倾倒爆炸,SN10 是稳稳站立了数分钟后才发生爆炸。

本次飞行程序是这样的,首先星舰飞行到最高点,随后进行姿态调整,使腹部冲下,借助腹部增大与空气接触面积,加大空气对星舰的阻力,然后星舰徐徐向地面飘落,在距离地面一定高度时,发动机再次点燃,使星舰重新直立起来,靠发动机的反推成功进行了软着陆。

在本次试验之前,2020 年 12 月 10 日和 2021 年 2 月 3 日,星舰原型 SN8 和 SN9 分别进行了 10 公里级高度的测试飞行,发射和返回的前期都非常成功,但都是在最后着陆阶段发生了触地爆炸。其中 SN8 未能成功着陆的原因是飞船的燃料箱压力不足,发动机推力不够,未能让飞船成功软着陆。SN9 的三台发动机在着陆的最后阶段只有一台点火工作,推力不够,发生粉碎性爆炸坠毁事故。

图注:这是之前 SN8 触地爆炸画面。

图注:这是之前 SN9 触地爆炸画面。

从完成度上讲,SN8 甚至比 SN9 还要更好一些。SN8 虽然发生了爆炸,但已经非常接近成功,SpaceX 团队放出消息称,该拿到的数据都已经拿到,可看作是一次成功的失败。然而,谁也没想到的是,后续的 SN9 失败的还要更惨烈一些。因此,在本次 SN10 测试之前,马斯克也变得谨慎的乐观,称成功的概率只有 60%。

2021 年 2 月 24 日,SN10 成功进行了第一次发动机静态点火测试,并发现了一台发动机存在故障。

2021 年 2 月 26 日,在重新更换发动机之后,SN10 成功进行了第二次发动机静态点火测试,三部火箭发动机持续运转了几秒钟时间。

实用版 SpaceX 星舰什么样子?

从 SpaceX 给这艘航天器起的名字就可以看出其用途,这是一种能够重复使用,两级入轨的重型火箭发射系统。目标是能够搭载大宗物资往返地球和太空、地球和月球、甚至地球和火星之间,终极愿景甚至支持火星殖民。

图注:星舰飞船与超重火箭的组合体(艺术图)。

目前,我们在提到星舰这个称呼时,特指第二级的飞船部分,就是目前正在测试的部分。飞船部分高 50 米,直径 9 米,重约 1300 吨,安装有 3 台真空版猛禽发动机和 3 台海平面版发动机。托举飞船的是一枚更加强大的超重火箭(Super Heavy),这种火箭高 72 米,直径 9 米,重达 3500 吨,安装有 28 台猛禽发动机。飞船部分加上超重火箭后的总高度达 120 米,近地轨道运载能力超过 100 吨,一次性可将 100 名乘客送上太空。

星舰的核心部件:发动机

图注:星舰飞船原型 SN9 内部结构(来源:SpaceX)。

星舰使用的是以液氧甲烷为燃料的大推力发动机,单台最大推力可达 2000 多千牛,换算成直觉理解,就是能托举起 200 多吨的重物,相当于 4 节载满 50 吨货物的火车车厢。本次测试使用了 3 台这样的发动机,上面我们也有提到,完整版的星舰将装有 6 台这样的发动机,超重火箭则将安装有 28 台发动机。你可以自己估算一下总推力,非常惊人。

图注:星舰飞船的核心部件:猛禽发动机。

为什么要采用液氧甲烷发动机?

为了深入了解这个问题,我们首先要简单了解一下有关火箭的小知识作为铺垫。

从大类上来分,火箭发动机分为固体发动机和液体发动机。固体火箭发动机是目前小型火箭、火箭炮弹药、多数军用导弹的主流动力源,其燃料易于工业制成,同时便于存储和运输,基本没有挥发性和借助空气传播的毒性,所以安全性比较好,而且寿命很长,能够存储十多年,而液体燃料最多三个月就会变质。但固体火箭发动机的燃烧比冲较小、燃烧延续时间较短、同时整体的燃料质量很大、又受到固体燃料燃烧性质的影响,所以用途受到限制。

液体火箭发动机的优势在于燃料易于制取、通常从石油或化工原料中可以直接制成,燃烧的比冲大、推力强劲、持续性好,所以,世界上多数的大推力运载火箭都使用液体燃料发动机作为动力,像我国的长征系列运载火箭,绝大多数都使用液体发动机作为推进系统,少量采用的固体推进器也只是辅助手段。

主流的液体火箭通常使用的燃料包括,四氧化二氮/偏二甲肼;液氧/煤油,以及液氢/液氧,甚至液氧甲烷。

图注:SpaceX 猛禽发动机试车画面(来源:SpaceX)。

目前,SpaceX 星舰的猛禽火箭发动机,贝索斯蓝色起源公司的 BE4 火箭发动机以及中国民企蓝箭航天的天鹊火箭发动机都是液氧甲烷发动机。

液氧甲烷发动机有什么优点呢?首先,液氧甲烷发动机相较于液氧煤油发动机比冲要大,比冲是火箭发动机常用的衡量指标,其物理意义是,消耗单位质量的燃料,火箭所能获得动量的多少,显然这个数越大越好。其次,甲烷容易燃烧,不容易产生积碳,有利于火箭的重复利用。液氧甲烷发动机相较于液氢液氧发动机则易于设计和维护,而且物美价廉,非常令商业航天公司青睐。值得一提的是,厨房家用煤气罐里储存的就是甲烷。

图注:飞往火星的星舰飞船(艺术图)。

甲烷发动机或许是未来真正能用于星际旅行的发动机。我们知道,近几年不断传来在火星上发现甲烷的消息,这对人类未来登陆火星是个积极的信号。另外,未来登陆火星的宇航员或许能够在当地利用二氧化碳和水制造甲烷作为火箭的燃料。除了火星外,土星的卫星“土卫六”上甚至布满了甲烷湖泊,燃料简直是现成的。当然,要想利用那里的甲烷是非常遥远的事情了,只能畅想一下。

星舰测试的重要节点事件

2019 年 7 月 26 日,SpaceX 对最早的星舰原型机 “星虫”(starhopper)进行了高度 20 米的自由悬浮测试。

图注:SpaceX 星舰原型“星虫”完成 150 米高度飞行。

2019 年 8 月 27 日,SpaceX 再次对“星虫”进行测试,成功飞行到 150 米的高度并安全着陆。

2020 年 8 月 5 日,星舰原型 SN5 完成了高度 150 米的自由悬浮测试。由于没安装头椎,SN5 外观看起来就像是一个 30 多米高的圆柱形不锈钢大水塔。

图注:SN5 测试画面。

2020 年 8 月 25 日,星舰原型 SN6 同样完成了高度 150 米的自由悬浮测试。

图注:SN6 测试画面。

2020 年 12 月 10 日,星舰原型 SN8 进行了 12.5 公里高度的测试飞行,在最后落地的时候发生坠毁爆炸。

2021 年 2 月 3 日,星舰原型 SN9 再次进行了 10 公里高度的测试飞行,仍然是在最后落地的时候发生坠毁爆炸。

其他的星舰原型要么在地面测试中炸毁,要么完成历史使命,退出了历史舞台。目前,准备建造的星舰原型,已经排到了 SN19。

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