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就今晚!马斯克的大火箭第四次挑战太空,速来围观| 果壳 科技有意思

北京时间今晚20点到22点,美国太空探索技术公司(SpaceX)研发的、代号为“星舰”的重型运载火箭,将在得克萨斯的“星际基地”(StarBase)发射场进行第4次试验性发射

此次发射的整个流程,与3月14日星舰的第3次试飞大体一致,具体细节略有不同。具体发射时序如下:

星舰第4次发射时序 | 数据来源:SpaceX

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星舰第4次发射流程 | TONY BELA

依照星舰前3次试射的表现推测,今晚的第4次发射在上升段大概不会遭遇什么波折,代号B11的一级火箭应该能够正常飞行到与二级分离,代号S29的二级飞船也应该能够顺利进入预定的测试亚轨道。

今晚的看点在于:

星舰一级缓降落海CG图 | Ryanhansen Space Renders

  • 二级飞船在亚轨道上能否保持姿态稳定,扛过再入地球大气层时的高温炙烤;

  • 如果扛过了上一关,二级飞船能否在落海前完成“神龙摆尾”,并点燃发动机反推减速,完整溅落海上

今晚19:30起,果壳视频号将开启直播,欢迎跟我们一起全程围观星舰的第四次试飞。

今晚19:30,走过路过不要错过~~ 

自上次发射至今近3个月的“归零”时间里,一直秉承“快速迭代”理念的SpaceX对星舰又做了哪些升级改造,星舰的不断推迟导致了哪些变故,后续星舰将如何提升改造,今天我们来逐一盘点。

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湿彩排中的星舰S29和B11 | SpaceX

盘点前3次试射——积跬步以至千里

星舰全箭直径9米,高121米,箭体材料主要采用不锈钢。

火箭第一级被称作“超重型助推器”,高达71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。第二级顶部设置有类似航天飞机的可开合式载荷舱,同时迎风面覆盖有隔热瓦,具备载荷下行和回收复用能力

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从左到右四次试飞的“星舰”组合体合影 | StarshipGazer

为了驱动庞大的箭体,星舰一级使用33台海平面推力230吨的“猛禽”液氧甲烷发动机,二级使用6台猛禽,其中3台为真空版“猛禽”,真空推力285吨。

作为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V2版星舰在猛禽发动机助力下,可实现近地轨道不低于100吨的重复使用运力。

2023年4月20日,星舰进行了首次发射,火箭升空不久即发现有3台发动机工作异常,火箭起飞仅正常飞行62秒,从第85秒开始失去推力矢量控制并开始旋转,最高飞行至距地面39公里高。当时发射团队选择自毁火箭,但系统作用延迟,耗时40秒才将火箭解体,发射宣告失败

首次试射时呈现倒栽葱状态的星舰 | NasaSpaceFlight

7个月后的11月18日,“星舰”进行了第二次试射,这次代号B9的一级飞行正常,多达33台发动机均成功点燃并正常工作至分离。随后,全新设计的火箭“热分离”系统成功分离火箭一二级。

但接下来火箭一级在回收点火过程中突然爆炸。之后,代号为S25的“星舰”二级正常飞行约6分钟,但在接近燃尽关机时突然自毁失联

这次发射虽然也未获成功,但成功打破了单芯级30台以上发动机并联工作不可靠的魔咒。

第二次试射时一级33台猛禽同时点燃并可靠工作 | SpaceX

今年3月14日星舰的第三次试飞则更进了一步,火箭两级上升段均一切正常,二级进入预定亚轨道

分离后,“星舰”一级像猎鹰9号火箭一级返场回收一样,完成调头、点火、反推等流程,但在落海前失控

星舰二级一次关机后,在轨首先开展了星链部署舱门开闭试验,但最初因舱门卡涩并不顺利。随后的低温推进剂转移试验则获得成功。但星舰姿态失稳,SpaceX团队不得不取消原定的离轨点火试验。

二级绕地球飞行约半圈后再入大气层,迎风面被粉红色等离子体包围,但因姿态失控,不能使隔热瓦有效对准再入方向,最终失去遥测信号解体坠海

星舰第3次试飞精彩回放 | SpaceX

试射结束后,SpaceX在美国联邦航空局的监督下开展调查工作。可喜的是,一级虽然软着陆失败,但仍在预定落区;二级也是预定弹道,虽然没扛住再入,解体了,碎片也是落入无人洋面。这些被视为不涉及公共安全,因此美国联邦航空局宣称后续的星舰发射审批流程可大幅简化。

瞄准全流程——死磕大气层

虽然整体发射计划架构未变,但一直秉承“以飞代试”理念的SpaceX,每一次试射都在融入更多的测试项目,逐步完善星舰的设计和试验数据。

根据SpaceX公布的流程图,星舰第4次试飞,相对上一次删减了舱门开启、推进剂转移、离轨点火3项试验,但又新增了3个新的试飞节点。

首先是起飞约4分钟后,星舰一级将抛掉9吨重的热分离环,以减少一级的回收重量。这个新增环节比较让人困惑,因为星舰的目标是完全可重复使用,自然不该抛弃结构件。有媒体分析认为,星舰目前受结构超重问题拖累,抛热分离环是临时为保回收成功的权宜之计。根据曝光的后续V2、V3版星舰设计,SpaceX会重新设计热分离结构。

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第4次发射中抛热分离环的CG图 | The Space Engineer

其次,此前的3次星舰试飞,二级均未撑过再入地球大气层,而第4次试飞则在默认撑过这一难关之后,新增了两项新动作:

  • 一是,在距离海面几公里处,利用4个翼面的组合动作,把自己“支棱起来”,从近水平姿态转换为垂直下落;

  • 二是,启动猛禽发动机进行反推减速,直至在距海面几十米处垂直悬停,然后再关机溅落海面。

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此前星舰SN10万米亚轨道试飞的落地前翻转过程,前翼面展开增大阻力,后翼面收起减小阻力 | SpaceX

其实这就是星舰轨道发射之前“五射四炸”的万米高亚轨道试飞的内容,这一翻转动作也被网友戏称为“神龙摆尾”。当时这一试验环节正是对未来二级回收的全面预演,如果不能可靠地翻转和点火反推,星舰就不能在发射台上被“大筷子”机构可靠捕获和回收。

为实现星舰的捕获回收,发射台上代号“大筷子”的捕获+吊装机构近期也开展了密集测试,开合速度明显提升,但对照发布会时公布的捕获回收模拟视频,夹持速度依然不够,想必后续还需要更多的测试。

马斯克本人此前表示,第4次发射中若星舰一级落海流程正常,最快将在第5次发射中尝试用发射台进行捕获回收。考虑到二级回收难度更高,将在后续成熟后再利用发射台进行捕获回收,至此才能完成星舰的两级完全回收。

在轨加注推明年,登月进度再推迟

2021年,NASA宣布SpaceX被选为美国“阿尔忒弥斯”重返月球计划中“载人登月舱”的首家供应商,将在“阿尔忒弥斯-3”任务中执行首次载人登月。其设计方案是,基于星舰的二级改造一款专用于月球登陆的改版“登月舱”。

为实现用星舰作为登月舱的目标,SpaceX需设计专门贮存和转运低温推进剂的在轨加注版星舰。4月26日,NASA在载人登月会议上公开了星舰登月前最关键试验——大规模低温推进剂在轨转移试验的情况。这是星舰完成发射-再入-回收循环后,所要面对的最重大挑战

根据最新计划,SpaceX直到2025年才能实施首次在轨加注试验,两艘星舰届时先后从博卡奇卡“星际基地”发射升空,第一艘船(Target)将在轨接收推进剂,同时拥有主动对接机构和导航设施。第二艘船(Chase)将在轨输出推进剂,拥有被动对接机构。两船将在轨对接并传输推进剂,随后分别再入大气层,返回发射场。

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NASA登月会议上公布的大规模低温推进剂在轨转移试验节点信息 | NASA

NASA登月会议上公布的大规模低温推进剂在轨转移试验流程图 | NASA

两艘星舰轨道对接转移低温推进剂的CG图 | Eric X

目前该项目2024年的各项准备已经完成,尤其是第3次星舰试飞中的在轨推进剂转移试验,NASA已认定试验成功。但针对2025年试验的准备工作中,包括对接机构、导航设备、在轨加注用快速脱插口(Quick disconnects)、甲烷推进器(Hot gas thrusters)都还在研发中。

其中最重要的是甲烷推进器,这实际是一款小型甲烷发动机,将用于星舰着陆月面过程中的姿态调整和减速。登月舱预计将以环形排布方式安装24台,且互为冗余,总计产生379吨推力。但该发动机一直是“神龙见首不见尾”,至今未露真容,直到NASA的这次会议证实该发动机仍在研发之中。

在轨加注若不能突破,星舰载人登月就无异于痴人说梦,载人登火更是天方夜谭。只有2025年这次试验搞定后,才能进行NASA要求的星舰无人登月试飞,成功后星舰才能进行首次有人登月试飞。根据目前进度,星舰无人登月试飞大概率要到2026年才能进行,因此业界认为星舰正式载人登月大概率会推迟到2027年甚至更晚

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NASA在3月公布的最新版“阿尔忒弥斯”任务时间表,星舰无人登月演示已延迟至2026年(红圈处) | NASA

绕月取消载人难,防热再入大挑战

为实现大规模推进剂转移,势必需要第二座轨道发射台进行周转和交替发射,因此SpaceX已正式开建第二座轨道发射台

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第二座轨道发射台建成后的示意图,图中左侧发射台为在建的新发射台,实际刚开工 | RGV航拍

正在施工的第二座轨道发射台地基 | RGV航拍

未来有望看到两座发射台交替发射星舰的壮观场面了,一如当年著名的双航天飞机并列图。

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著名的双航天飞机待命图 | NASA

如今看来,虽然星舰进度稳步推进,但此前预计的各项进度确实过于乐观,不仅登月推迟不断,其他围绕星舰的任务也被迫推迟,乃至直接取消。

2018年,日本亿万富豪前泽友作宣布和SpaceX合作,启动一项名为Dear Moon的任务,邀请10位艺术家和创作者一同搭乘星舰环绕月球飞行。当初,这项计划最早宣布的实施时间为2023年。然而6月3日,Dear Moon项目官方突然宣布该任务正式取消。因为众所周知,星舰别说载人绕月,目前连完整回收都未能做到,载人飞行更是遥遥无期,考虑到后续不确定性,项目取消也是情理之中。

实际上,星舰载人的主要难点和航天飞机类似,首先是缺乏主动逃逸手段,其次就是再入安全性,尤其是热防护系统的可靠性仍未得到有效解决

近期,马斯克亲自发推特专门解释了目前星舰遇到的隔热瓦问题,称目前星舰的绝大部分迎风面都无法抵御哪怕一块隔热瓦的脱落。马斯克称这是目前最棘手的问题,而且已经花费大量资源来解决,但目前仍毫无头绪。

航天飞机当年也在这个问题上栽了很大跟头,脆弱昂贵且维护困难的热防护系统直到航天飞机退役都未能彻底解决,而星舰目前也未能幸免。但坊间也认为马斯克这番“一块都不能少”的说辞可能有些夸张,毕竟航天飞机曾出现过几次部分隔热瓦脱落和破损,但仍安全再入的情况。

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Ebay上售卖的星舰隔热瓦实物,背面清晰可见三个固定点 | Ebay

星舰二级采用约18000块六角形隔热瓦,再入大气层时,二级箭体表面温度最高可达约2600华氏度(1430摄氏度),与航天飞机时代近似。

相对航天飞机采用的多种异形隔热瓦,星舰除翼面转角和头锥等部分外,采用了尺寸统一的六角形隔热瓦,每片隔热瓦下有三个固定点,中间夹胶,底层挂网。统一尺寸的隔热瓦减少了生产和维护压力。但隔热瓦在试验、点火、发射过程中依然经常破损、碎裂乃至脱落,该问题至今仍未能得到有效解决。

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S29首次静态点火后,SpaceX员工正在替换(加固)头锥的隔热瓦 | NasaSpaceFlight

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有媒体发现S29上直到发射都有部分隔热瓦未补齐,还安装有少量特殊隔热瓦,据传是为测试故意设置的 | StarshipGazer

虽然绕月任务夭折,SpaceX仍在坚定推迟自家的星舰载人进度。SpaceX自行立项了代号“北极星”的系列载人任务,从载人龙飞船入手,逐渐突破各项深空载人技术,最终实现SpaceX具备独立的深空载人能力。尤其是北极星项目的第三次任务,也是最后一次任务,将实现星舰的首次载人飞行

而北极星首次任务,也就是“北极星-黎明任务”,即将在7月发射,4位平民宇航员将由一艘改装的载人龙飞船搭载进入太空,并穿着SpaceX自研的新式舱外宇航服,执行SpaceX有史以来第一次舱外活动

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北极星-黎明任务的出舱CG图 | SpaceX

运力不足?拉长、增推,再改进!

虽然前4次发射的星舰已基本定型,但不能阻止SpaceX对星舰进行远期改进。4月7日,马斯克在“星际基地”开了一次“简陋”的发布会,不仅总结了正在发射的V1版星舰,还曝光了后续即将推出的V2、V3版星舰。

V2版最主要变化是级间段,热分离结构彻底集成化设计,而非V1的可拆式结构,这种排焰环形式在俄罗斯联盟系列和我国长征系列火箭中较为常见。此外,V2版二级稍微拉长(二级加注口在底部,因此位置未变),二级前翼面位置微调,隔热瓦分布随之微调。

V2星舰将在V1剩余库存发射结束后执飞,运载能力为复用状态不低于100吨。这一信息反倒坐实了目前V1版星舰结构超重导致运力水平低下的传闻。据媒体仿真结果称,V1版星舰实际运力可能仅有50吨左右。

远期的V3版星舰改进直观且夸张,火箭直径不变,一级有所拉长,而二级大幅拉长,整箭一级和二级的级间比变成了非常少见的近乎1:1,因此发射台必须做出适应性抬升。最关键的是,随着发动机推力持续增加,火箭一级起飞推力将飙升到万吨以上。二级真空发动机则从3台增设到6台,增加发动机是必须要做的,因为二级大幅拉长,起飞重量大增。这种设计会使一级的回收压力更小,分离高度速度都会降低,但是二级需要再入大气层后回收,难度也更大。

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三代星舰并排展示,长度逐代拉长 | SpaceX

除了星舰自身迭代,SpaceX还公布了猛禽的升级计划,并公开了3个版本猛禽发动机的推力参数。2代猛禽已较为稳定,第3代猛禽发动机将从V2版本星舰开始投用。

3代猛禽的结构高度简化,使发动机更轻,推力却更大。但是缺点也必然存在,那就是制造困难,可能要用3D打印予以解决。3代猛禽目前正在麦克格雷恩进行试车,还会有4代猛禽,推力继续提升,但这已经是远期规划。

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3代猛禽发动机并排展示,结构逐代简化 | SpaceX

说回到今晚即将进行的星舰第4次发射。

经过前3次正式试射和密集的改进,星舰虽未向近地轨道输送1克有效载荷,但其每次发射的进步都可圈可点,也不再有人怀疑SpaceX研发星舰的毅力和决心。作为一款发射规模如此之大,技术跨度如此之长,集成度如此之高的运载火箭,这些挫折和坎坷都是可以预见的。

但也要看到,就算今晚的第4次试飞取得了进步,但后续进入密集轨道试射的星舰仍有大量技术有待验证,尤其是大规模低温推进剂在轨加注这项登月“必修课”拦路在前,这也是星舰自身融合了过多新技术的必然弊端。

最关键的是,星舰巨额的研发经费持续投入,但目前仍不能发射任何有效载荷,尤其是不能服务自家的星链组网,这也是SpaceX亟需解决的问题。随着第二座发射台的兴建和回收的成熟,后续星舰的发射频率将逐步加快,有望在今年看到星舰实际发射有效载荷。

星舰何时才能被发射台完美捕获,在轨推进剂加注技术究竟是“深空之门”,还是“技术幻梦”?后续的技术挑战能否被一一攻克,这款SpaceX的“希望之箭”能否最终实现马斯克的“登月殖火”之梦?

今晚的星舰第4次发射,将是回答所有这些问题的下一步起点。让我们拭目以待吧!

作者:跆拳道大灰狼

编辑:Steed

封面图来源:SpaceX

 一个AI 

可以下注了,这回星舰试飞炸不炸呢?

本文来自果壳,未经授权不得转载.

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