SpaceX星舰原型再次触地爆炸,瞬间成碎片!一文读懂来龙去脉

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历经6个月建造磨砺、6次点火试射、FAA暂缓审批之后,今天星舰新先锋SN9终于掀起滚滚红尘,步SN8后尘,再度演绎一场高难度航空之旅。结果触地爆炸,重蹈覆辙。

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发射速览

发射时间:美中时间2021年2月2日14:25(北京时间2月3日4:25)

发射地点:德州博卡奇卡SpaceX星舰基地发射场Pad B

着陆地点:德州博卡奇卡SpaceX星舰基地发射区着陆场

测试星舰:第二艘功能完备的全尺寸原型星舰(编号SN9)

发动机:三台猛禽(SN49、新更换两台编号未知)

飞行时间6分26秒

最高飞行:~10000米(32800英尺)

测试目的:复制SN8成功之果,扭转SN8着陆之失。结果未能如愿。

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去年12月10日,SN8率先高飞,出乎大多数人意料,「差一点就成功」,仅在最后关头未能软着陆。马斯克给出失败原因:SN8在最后着陆阶段,因头锥燃料舱压力不足,使得反推力不足,降速过快,导致硬着陆爆炸(马斯克技术词语RUD)。

SpaceX解决方案:借鉴猎鹰9号成熟经验,利用氦气自动增压,取代之前氧气为推进剂加压。基于SN8、SN9硬件设备基本同款,短期内无法做到推倒重来重大调整,所以这个短期解决方案既是权宜之计,更要实际验证才行。

结果SN9仍然没有足够减速,再度触地爆炸,制造一个巨大火球!软着陆梦再次幻灭,SN9未能成功跳过SN8着陆失败劫。

SpaceX首席集成工程师约翰·因斯普鲁克(John Insprucker)在网络直播中表示:「我们还需要在着陆方面下功夫。」

不过他补充道:「我们得到很多宝贵数据,主要目标就是验证在亚音速再入时对星舰的控制——看起来非常好,我们从中获得很多。」

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为何降到10公里?

SN9与SN8飞行路径、测试难度大体相当,但飞行高度降低2500米,从SN8最高点12.5公里,降至SN9最高点10公里。这是为何?

在此之前,知名航天自媒体Everyday Astronaut就曾透露:SN9飞行高度降至~10公里。简单来说,测试团队希望通过降低飞行高度,降低着陆阶段下降速度,从而提高软着陆成功几率。

SN9测试最大目标就是:复制SN8成功之处,突破SN8着陆之败。之所以降低2500米飞行高度,就是要调低着陆难度。SN8由于在着陆阶段燃料舱压力不足,使得反推力不足,降速过快,从而导致硬着陆爆炸。要想让SN9成功着陆,除了利用氦气增压,取代之前氧气推进燃烧剂,避免重蹈SN8覆辙之外,测试团队还可以通过降低飞行高度,降低着陆阶段下降速度,从而提高软着陆成功几率。

我们知道,根据能量守恒定律,当物体从高空下落时,重力势能不断减小,动能不断增大,速度越快,冲击地面的力也就越大。动能定理1/2mv1^2-1/2mv0^2=mgh,当v0=0时,可以简化成v1 =2gh,这意味着:下落高度降低,下降速度越慢,冲击地面的力就越小,需要着陆反推力也就减小,从而提高软着陆成功率。

发射过程

这艘全尺寸原型星舰(Starship prototypes)采用颠覆传统航天材料的全不锈钢舰体(大部分采用304L,少量301),舰高50米,直径跨度达9米,这相当于波音747客机直径1.5倍。

SN9属于SpaceX开发第三代原型星舰SN系列(第一代星虫StarHopper、第二代Mark系列)第9款全尺寸测试飞船,序列号为SN9,也是作为SN8后继者在星舰测试之路走得最远的。从去年8月起开建,历经5个月建造、60天辗转磨砺、6次点火试射、FAA暂缓审批之后,终于迎来高飞时刻。

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美中时间2021年2月2日14:25(北京时间2月3日4:25),位于德州最南端博卡奇卡SpaceX星舰基地测试发射场B发射台上,今天的主角——原型星舰SN9,几乎同时启动三台猛禽发动机,凭借600吨推力,磅礴而起,掀起滚滚红尘,天高任你飞!

接下来越飞越快,直上云霄。航天史上最强大甲烷富氧发动机——三台猛禽喷射出长长的纯美尾焰,恰似为天空画上一个耀眼惊叹号!

起飞大约111秒,按照程序设定,第一台猛禽关闭。当起飞约两分17秒时,第二台猛禽也关闭,只留单台持续点火。随后飞抵最高点大约10公里,这比民航客机通常巡航高度还要高。

与此同时释放液氧,冷凝成大量白汽。之所以排放氧气,主要有两个原因:由于飞行过程中周围空气热量让部分液氧到达沸点,必须释放舱内压力,防止压力过大出现危险。陆续关闭发动机减少消耗液氧时,更需要释放压力,必须排放相当量的液氧;为星舰减轻重量,而且液态氧对环境无害,甲烷则不然。

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SN9越过最高点,当起飞约4分半,SN9关闭最后一台猛禽。凭借自带液氮气体推进器的前后翼进行姿态调整,星舰舰体逐渐倾斜,头锥朝下,直到与地面保持水平,开始以95%自由落体返航下降。

这种可控性空气动力下降(形象说法:腹部拍水式俯冲),就像翼装跳伞者张开手脚那样,利用前后翼进行姿态控制(俯仰、翻转、偏航等控制)……这是继SN8之后,SN9再度演绎史无前例的航空飞行,这一过程大约持续两分钟。

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当起飞约6分18秒,在距地面大约500米之际,SN9开始演绎令人咋舌的着陆翻转机动(形象说法:神龙摆尾),先后点燃两台猛禽发动机,同时自动调整前翼、后翼,使得船身最大摆幅120度,然后顺利旋转90度,让船身从水平姿态变成垂直地面。

但不幸的是,第二台猛禽未能正常持续点火,导致SN9仍没有足够减速。甚至飞溅出少许碎片,显然出现异常。

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就在发射升空6分26秒,以大角度触地爆炸(马斯克技术词语RUD),制造一个巨大火球!软着陆梦再次幻灭,SN9未能成功跳过SN8着陆失败劫。

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就在SN9高飞前几天,Everyday Astronaut每日宇航员自媒体账号搞了一项民调,让参与者预估试飞结果如何,结果有接近80%的人相信SN9能够成功软着陆。显而易见,大家对SpaceX神团队充满信心,对星舰先锋满怀期待。尽管事与愿违。但只有对待失败的态度越理性,才可能越接近成功。

就在SN9爆掉不远处,SN10不惧此情此景,依然冲天矗立,继承先驱者遗志,渴望挑战高飞,复制SN8成功之果,扭转SN8着陆之失。

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未来星舰有多神?

去年第一季度最后一天,SpaceX官方发布的《星舰用户指南1.0版》,让世人一窥星舰的霸气未来——

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1

前所未有的超级运力

作为下一代超级重载太空运输系统,超重型火箭(第一级)+星舰(第二级)这对黄金组,凭借两级运载模式就将实现前所未见、令人咋舌的超级性能。要知道,当年美苏打造的登月火箭都得三或四级模式。

星舰单次发射近地轨道LEO运力高达100吨以上,地球同步转移轨道GTO运力达21吨。最晃眼的是,利用停车轨道加油,星舰运载能力就会大幅增加,让其他发射系统望尘莫及。

无论是地球同步转移轨道,还是月球轨道、火星轨道,甚至是月球表面、火星表面,统统超过100吨。在此之前,这是航天界想都不敢想的超级运力。要知道,全球每年太空运量不过五六百吨。

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2

盛满未来的科幻飞船

载人版星舰一次可搭载100人,这相当于中型客机载客量的下限。而航天飞机最多载客量只有8人,即将开启的载人龙飞船最多7人,联盟号飞船区区3人。而豪华款载人版星舰搭载量<100人,更多空间用来打造「太空版豪华邮轮」,不仅内装私人舱室、大型公共区域、中央仓库和太空观景台,而且设有太阳风暴庇护所,避免太空高辐射。舒适安全两不误。

星舰绝不仅仅是一款登月飞船、火星飞船、深空飞船,而是充满未来主义的超级飞船,将来有望承载地球人变成月球人、火星人、太阳系人类的「科幻飞船」。

载人版星舰还会涉足轨道内交通,打造全球一小时点对点航班,大多数城际间飞行只需半小时,全球任意两地飞行理论上只要一小时。这是要颠覆现有运输规则的节奏,横跨航空航天两界的巨大创新。尽管这一疯狂想法早在三年前就已提出,但随着日新月异的星舰快进开发,变得越来越靠谱。

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3

一次部署整个星座

如果说载人版星舰用来承载深空遨游梦想,那么货运版星舰更多用来盛满现实需求。每次高达100吨的太空运量,意味着什么?

这意味着:单次发射入轨的星舰能够同时携带三颗地球同步轨道卫星(GTO运力21吨),或者部署一个完整的低轨道卫星星座(一次即可部署多达440颗星链卫星),还可以大小拼车放卫星(携带一两颗大型地球同步卫星,同时搭载小卫星共乘模式完成部署)。

另一项用途:太空快运特殊任务「太空演示飞船」,星舰提供长期跟踪式飞行或者一体化飞行。这种模式非常适合太空实验室平台、短期机动性太空天文台、绝密太空飞行任务等。某种意义上说,我们不妨把货运版星舰当成一个机动灵活的空间站。无论科研商业,还是军用国安,都会用得着。

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4

太空维修回收超级平台

星舰还有一项「附加功能」:拥有完全复用的星舰可以在轨道上捕获并维修人造卫星,也可以返回地球,或者转移至一个新的运行轨道。

这意味着:星舰可以变身充当一艘穿梭于天地间、各个轨道间的太空维修、回收卫星的超级平台。相比之下,前段时间诺斯罗普·格鲁曼创造的首颗太空救援卫星成功对接目标卫星,就不算什么了。甚至当年航天飞机维修哈勃太空望远镜也不算什么。毕竟,运力有限只能采取多趟运输多次维修的路子。

要知道,加满油的星舰有能力穿梭于各个轨道间,连人带设备地进行太空捕获、维修、带回各种航天器。这恐怕是美国宇航局、美国太空军、美国国侦局等最想要的太空神器!

5

打造全球化太空港

星舰指南透露,SpaceX初期为星舰建造两个发射场:佛罗里达州肯尼迪航天中心、德克萨斯州博卡奇卡星舰基地。这对于超级太空重载运输系统来说,两个或者两个以上发射场是必要的。

作为美国黄金发射位的肯尼迪航天中心39A,SpaceX正在加紧改造,为未来发射星舰打造基础设施(包括新型发射台、推进剂存储罐、着陆平台、运输通道等等)。

按计划肯尼迪航天中心39A将成为星舰承担政府部门任务的主发射场,主要客户包括NASA、五角大楼等。德州博卡奇卡星舰基地目前作为建造测试基地,未来还会扩建成为星舰纯商业太空任务的主发射场,包括近地轨道太空游、深空游、登月之旅、火星之旅的起始点。

未来SpaceX发射基地不再局限于美国本土四个发射场,而是触及各大洲、部署各大洋,遍布全球化的太空港,可能每天都有数班环球航班起降,每天都有往返穿梭于地球空间站、月球空间站、火星空间站、月球基地、火星基地之间的星舰舰队……

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星舰演化超简史

最近几年,SpaceX一直飞奔在新火箭新飞船研发的路上,又是ITS星际运输系统,又是FH重鹰,又是BFR大猎鹰,又是迷你版BFR,又是Starship星舰,又是SH超重型……它们之间到底啥关系?如何一步步演化的?一笔SpaceX箭船开发变形记,就是一部星舰演化超简史,一目了然——

2011年,马斯克公布重鹰开发计划。

2016年之前,火箭+飞船系统被称为火星殖民运输系统MCT。

2016年9月,更名为星际运输系统ITS。

2017年7月,改成大猎鹰箭船系统BFR。

2018年11月5日,提出迷你版BFR。

2018年11月20日,弃用BFR,推出超重型火箭+星舰飞船组合,Super Heavy Starship System(缩写SHS),常常简称为Starship星舰系统。

2019年1月,建成第一代原型星舰:跳虫/星虫(StarHopper)。后遭遇强风损坏。

2019年4月,没有头锥的星虫多次点火,两次系绳小跳跃。

2019年5月,德州佛州双线竞合模式开造第二代原型星舰(全尺寸测试飞船)。

2019年7月26日,星虫(昵称水塔water tower)首次不系绳跳跃,飞行高度约20米。同时意味着全球首款全流程分级燃烧循环发动机猛禽,首次试飞。

▲2019年8月28日,星虫最后一跳、也是最大尺度跳跃,飞行高度150米,飞行时间57秒。之后测试由第二代原型星舰Mark取代。

2019年9月~12月,SpaceX开外挂模式快速打造四艘原型星舰Mark1~Mark4。

2019年11月,首次进行燃料罐压力测试,加注液氮导致Mark1爆裂。弃用Mark1,改用Mark3测试。

2019年11月,SpaceX首次进行燃料舱加压测试,加注低温液氮导致Mark1爆裂,成为测试壮烈的第一艘原型星舰。改用Mark3测试。

2019年12月28日,Mark3更名为SN1。从Mark系列切换至SN系列,即第三代原型星舰SN阶段,开启高密集测试模式。

2020年2月28日,原型星舰SN1加注液氮时整体爆裂。由于不锈钢焊接问题所致。这是测试壮烈的第二艘星舰(SN1)。

2020年4月2日,原型星舰SN3加注液氮测试时舱体扭曲崩溃,由于气阀在超低温加压时泄漏。这是壮烈的第三艘星舰(SN3)。

2020年4月,原型星舰SN4成功闯过超低温压力测试,成为首个通过低温加压测试的全尺寸原型星舰。

2020年5月28日,美国联邦航空管理局商业太空运输办公室颁发为期两年的发射许可证,允许从博卡奇卡基地执行亚轨道飞行发射。

2020年5月29日,SN4第5次静态点火后突发爆炸,成为壮烈的第四艘星舰(SN4)。

2020年6月23日,壮烈第五艘星舰SN7。

▲2020年8月4日,SN5首次150米试飞。

▲2020年9月4日,SN6成功复制SN5低空飞(150米)。

2020年9月23日,壮烈第六艘星舰SN7.1。

2020年10月20日、11月10日、12日,SN8三次静态点火测试。

▲2020年12月8日,SN8首次高空试飞(最高点12500米)最终触地壮烈。

2021年1月14日SN9三小时三次试射。

2021年1月22日SN9两次试射。

2021年1月底至2月初,FAA迟迟未批SN9发射许可。

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▲2021年2月3日,SN9演绎高飞全过程(最高点10000米),未能软着陆。

NET2021年,计划全尺寸原型星舰首次轨道级试飞

NET2021年,计划原型星舰与超重型火箭合演轨道级试飞

NET2021年~2022年,1.0版星舰首次试飞

NET2022年,计划货运版星舰首飞火星

NET2023年,计划载人版星舰首次环月之旅

NET2024年,乐观预计载人版星舰首次火星试飞

NET2024年起,计划登月版星舰承运NASA载人登月任务

NET2026年,计划载人版星舰首次火星之旅

……

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原文出处:三体引力波 企鹅号

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