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不完美、但成功!SpaceX 星舰 No.3发射的真正意义

2024-03-20 来源:迷奇科技网

「事不过三」,这句中国谚语在国外一样通用。至少,对于伊隆·马斯克和他的「星舰」火箭来说确实是这样。在两次发射失败后,2024 年 3 月 14 日,SpaceX 打造的完全可重复使用火箭——星舰 Starship,在得州发射。

该火箭有两部分,分别是一级助推器和二级飞船,按计划都要回收。点火后,一级助推器全部 33 台发动机稳定工作。随后,一二级系统成功实现热分离;一级返回时点火不正常,姿态失控,未能顺利回收。

二级飞船顺利进入预定轨道。SpaceX 官方宣布开/关舱门和推进剂转移测试成功。40 分钟时,飞船再次点火;10 分钟后,开始离轨再入地球。不过这一过程中,飞船直播信号丢失,未能看到降落印度洋的画面。

这第三次试射虽然未能「善终」,但对于 SpaceX 团队来说,依然是一次巨大的成功。

01星舰 No.3 成功了吗?

官方消息中,SpaceX 列出了 8 点「成功」来总结这次试射:

1、这是第二次,超重型助推器上的 33 台猛禽引擎全部成功启动,并在上升过程中保持全程燃烧状态。

2、第二次成功执行热分离,关闭 30 台超重型助推器上的猛禽引擎(3 台未关闭),并在分离飞行器之前成功点燃了第二级的六台猛禽引擎。

3、分离后,超重型助推器成功完成翻转动作,并完成了返航燃烧,抵达墨西哥湾的溅落点。

4、第一次着陆燃烧中,超重型助推器成功点燃了几台引擎,之后飞行器经历了 RUD(这是 SpaceX 的说法,意为「快速非预定拆解」)。

在大约 462 米的高度和任务开始后将近七分钟时,助推器结束飞行。

5、六台第二级猛禽引擎全部成功启动,并将飞行器推向了预定轨道,成为第一个完成全时长上升燃烧的星舰。

6、在滑行过程中,成功完成其他几个目标的飞行测试,包括开启和关闭其有效载荷门(未来计划装星链)和启动推进剂转移演示。

由于在滑行过程中的飞行器滚动速率,星舰没有尝试计划中的单个猛禽引擎在轨重点火。

这些演示的结果将在飞行后数据审查完成后公布。

7、随后经历了其首次从太空返回的过程,为高超音速重返时的加热和飞行器控制提供了宝贵数据。

通过安装在星舰上的星链终端,实现了重返过程的实时观看。

8、飞行测试在重返过程中结束,任务进行约 49 分钟时,通过星链收到来自星舰最后的遥测信号。

02史上「最强火箭」

尽管试飞没有完美结束,但从实践的角度来看,这次试飞仍标志着一次重大成功。相比于前两次试飞的经验,SpaceX 对火箭进行了诸多改进。

2023 年 4 月 20 日,星舰在万众期待中首次点火发射。升空约四分钟后,因星舰和推进器未能分离,使得星舰在空中爆炸解体,发射失败。没有炸毁发射台,是马斯克最大的庆幸。

七个月内,历经 1000 多次更改,2023 年 11 月 18 日,星舰尝试第二次发射。发射时 33 台发动机均正常启动,顺利升空。但 3 分钟后,直播出现爆炸画面。SpaceX 公司表示,二级火箭发生故障,被迫触发其自毁系统,发射失败。

星舰的每次试射,都吸引了无数人的眼球。星舰每往前成功推进一步,也展现出无比的压迫感。这种压迫感主要来自三点:

1、有史以来,最大最强

星舰是人类有史以来最大的飞行器,起飞质量约 5000 吨,起飞推力 7500 吨,均为人类史之最。可实现近地轨道不低于 150 吨的重复使用运力,一举超越全球各国现役火箭,是人类历史最强火箭。

2、完全可重复使用

星舰总高度约 120 米,直径约 9 米,火箭由两部分组成,分别是一级助推器「超重型推进器」(Superheavy)和二级飞船「星舰」(Starship)。星舰的目标是一枚完全可重复使用的火箭。也就是说,一级助推器和二级飞船,都要回收。

不仅要能回收,还必须要便宜。星舰用了不锈钢作为主要材料,与合金材料相比,具有更高的强度和耐用性,同时成本更低。

3、单芯级多发并联

将多个发动机捆绑在火箭的同一个级别(芯级),这些发动机并行工作,提供推力将火箭送入太空,称为单芯级多发并联。在航天历史上,捆绑式火箭的名声并不好。前苏联 N-1 重型运载火箭 4 射 4 炸,让大家对这条路没什么信心。

有人问马斯克 N1 火箭没能成功,为什么你坚信星舰能成功?马斯克的回答是:如果苏联人有钱搞十次试射,N1 也能成功。但 N1 太贵,苏联人觉得成本太高玩不起。此次试射,SpaceX 成功打破了单芯级多发并联不可靠的魔咒。

航天有一个专业术语叫定型。一旦一枚火箭完成定型,能够稳定发射,将产生规模化效应,形成行业优势。

以中国商业航天企业星河动力的谷神星一号为例,这枚火箭定型后,在此后三年时间相继完成 10 次发射。虽然后续仍有一些失败的插曲,但不影响火箭整体的稳定表现。这也让星河动力快速占领了小型固体运载火箭市场,后来者只能在大型固体和液体火箭之间寻找更多机会。

SpaceX 的猎鹰 9 号也是同样的故事。马斯克计划,2024 年保底 6 次,争取发射 9 次星舰。按照这个计划,星舰很可能在一到两年完成定型,然后在 2027 年开始进行 NASA 的载人航天测试。

凭借强大的工业体系,一旦星舰完成定型,近地优质轨道资源将迅速被其占领,留给竞争对手的时间窗口,正在一步步缩小。

03火星,还有多远?

星舰为卫星通导遥应用开辟了无穷的想象空间。之前,许多人曾质疑星链项目补网的高昂成本及其商业可行性。然而,随着星舰的成功定型,星链的部署成本预计将大幅下降,卫星通信应用将快速发展。

通导遥虽然是当下的主流应用,但大规模载人航天计划,才是马斯克真正的目标。早在 2007 年,马斯克就已经宣布了他的宏伟计划——使人类能够探索并最终定居火星。

他曾预言,人类将在 2025 年前踏上火星。虽然现在看起来希望渺茫,但 2023 年 12 月 7 日,马斯克在社交媒体上更新了他的预测,表示计划在 2033 年实现人类登陆火星。

星舰设计的多功能性使其能够在地月轨道间执行长期的飞行任务,并且在执行火星任务时既能作为货运船舶也能作为载人飞船。

未来,星舰将逐步取代当前的猎鹰 9 号火箭、猎鹰重型火箭以及龙飞船,执行大部分太空任务。星舰作为人类历史上最大的载人飞船,可容纳一百人。这将成为马斯克实现人类定居火星的关键。

预计星舰飞船将在明年年底前实现捕获技术,目标是每年数千次发射,计划在 5 年内将每年 100 万吨有效载荷送入地球轨道,并最终实现将 100 万吨有效载荷送往火星的壮志。

据马斯克的愿景,星舰最终版将能够以每人 2 万美元的成本,单次运送 100 人前往太空,单次总成本控制在 200 万美元以内。当前国际航天的报价大约为每千克货运 1 万美元、每人客运 8000 万美元。

若马斯克的计划成功,其报价可能达到货运每千克 10 美元、客运每人 1 万美元。自 2009 年 SpaceX 首次发射可复用的猎鹰 9 号火箭以来,发射成本已从每千克一万美元降至约 1500 美元,成本显著下降。

如果星舰能够批量发射,成本将进一步大幅下降。在 2024 年,SpaceX 计划进行 144 次发射,这将占到全球入轨质量的 90% 以上。

理想很有戏,现实很丰满。在 SpaceX 成立 22 周年之际,马斯克的火星梦想又向前迈进了一大步。

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