就差最后一步!马斯克的星舰原型SN8高空测试落地爆炸,总结经验再出发!

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就差最后一步!马斯克的星舰原型SN8高空测试落地爆炸,总结经验再出发!
麻省理工科技评论 2020-12-10

2020-12-10

就差最后一步!马斯克的星舰原型SN8高空测试落地爆炸,总结经验再出发!
马斯克
就差最后一步!马斯克的星舰原型SN8高空测试落地爆炸,总结经验再出发!

有些遗憾。在全球粉丝的瞩目下,马斯克旗下 SpaceX 的星舰(Starship)最新测试型号 SN8 虽成功起飞,但在最终着陆时不幸爆炸!

骤然的火光中, SN8 瞬间成了一地碎片,官方宣布测试结果失败。

对于 SpaceX 来说,这次飞行成为了一次历史性的经验值积累,正如马斯克此前所估计的那样,SN8 首飞安全着陆的可能性仅为三分之一,失败率较高,但这个测试却必不可少,是未来星舰走向成功的垫脚基石。

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因此,测试结束后,马斯克还是发推文恭喜团队,找到了失败的原因,获得了所有想要的宝贵数据。

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在本次飞行前,就有一些不妙的插曲。北京时间 12 月 9 日早上 6:30,SpaceX 第一次尝试将 SN8 发射到 12.5 km 高空进行回收测试,但主引擎在预备点火最后 1.3 秒时,由于一些问题产生,系统自动中止了发射进程。

经过不到一天的紧张排查,12 月 10 日早上 6:40 左右,SpaceX 再次进行了发射,这次总算是成功点火起飞了,也满足了粉丝们积攒已久的期待,但这么短时间内启动第二次发射,节奏也略显匆忙。

倒计时结束后,三台猛禽火箭发动机成功点火,SN8 的飞行状态总体十分平稳。起飞后 2 分 15 秒,关闭了第一台发动机,改为两台引擎推动;在 3 分 15 秒的时候,改为一台引擎推动;4 分 40 秒到达预定 12.5 km 高度,三台发动机关闭,在襟翼和姿态发动机的配合下,迅速调整好滑翔姿态,开始自由落体。

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在 6 分 30 秒的时候,我们可以看到,三台主引擎也成功点火了,调整发动机矢量喷口角度迅速将 SN8 调成了一个接近垂直的状态接近地面。

但最后的着陆速度和角度控制依旧差一点,由于降落速度较快,SN8 最后更像是重重地砸倒了地面上,进而爆炸,马斯克发推特给出的原因是,着陆燃烧期间燃料总箱压力低所致,没控制好最后关键一步。

此次测试虽然失败,但无疑,也标志着 SpaceX 的星舰产品首次得到了一次系统性的技术验证,距离下一次成功或许不太远了。

毕竟,对于马斯克来说,SpaceX 至今取得的成就,都是一路摸爬滚打走过来的,失败几次并不可怕,后续的 SN9、SN10 已经准备的差不多了,这次权当让团队练练手。

一种难度系数飙升的回收方式

星舰的组装和测试工作,一直在位于得克萨斯州博卡奇卡镇的 SpaceX 基地进行,在此次高空测试之前,SpaceX 已经低调进行过两次试探性的低空飞行,都取得成功。

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图|SN8 吊装组合(来源:Twitter)

2020 年 8 月 4 日,经过 11 个月的原型设计、测试和多次爆炸,SN5 原型成功完成了 150 米的低空悬停,调整发动机喷嘴转向,完成横向移动,然后缓缓下降到安全区着陆,整个过程大约只有一分钟,星舰的着陆脚架在此原型中也首次出现,落地时可以起到缓冲作用。

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仅仅一个月之后,SpaceX 总结经验趁热打铁,很快就进行了第二次跳跃测试。

2020 年 9 月 3 日,SN6 原型在同样的场地进行了 150 米飞行测试,进一步验证了星舰基础部分的设计稳定性和猛禽发动机的性能。这些测试成为分水岭,使星舰研发团队掌握了比较全面的测试数据,以及动力控制,足以开始进行高空(最终目标是太空轨道)飞行。

这次的 SN8 直径为 9 米,首次搭载了 3 台猛禽火箭发动机,安装上鼻锥后,整体高度达到 50 米。在正式飞行之前,SpaceX 对其进行了多次静态点火和地面测试,另外,马斯克也透露,SN9 已基本准备就绪。换言之,SN8 如果没成功,也能较快启动下一次发射。

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图|SN8 的关键准备工作与飞行计划(来源:Tony Bela)

与 SpaceX 旗下的常规火箭垂直回收相比,SN8 体型略胖,它需要一种特殊的空气动力学来平稳降落,这就是安插四个 “小翅膀” 的作用所在,它们能够在空中辅助滑翔,快速调整飞行器的姿态和方向。

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想象和期待是美好的。不少星舰粉丝在猜想中为 SN8 制作了 3D 建模,以及飞行演示视频,大体过程与这次实际飞行十分接近:

在人类航天史上,真正投入实用且带着 “翅膀” 具备滑翔能力的太空飞船并不多,让人印象最深刻的就是航天飞机。

不过,航天飞机彼时还是参照了飞机的外形设计,而 SpaceX 星舰的设计另辟蹊径,它打破了固有的太空飞船样式,然后与自家比较成熟的火箭回收技术相结合,形成了一套独具特色的返航方案,成本大大降低。

但是相较熟练的猎鹰火箭垂直回收操作来说,星舰的回收难度系数也增加了几个数量级,对于 SpaceX 团队也是一次全新挑战。

在屡次爆炸中迭代改进

SN8 的爆炸谈不上多么让人吃惊,因为,关于星舰原型的爆炸已发生过多次,与 SpaceX 早期屡败屡战的猎鹰火箭研发与回收类似,打造一种新的飞行器类型一路布满挫折。

最早的一个星舰原型机 Mk1,也装有襟翼,于 2019 年 11 月 20 日进行了燃料负载测试,涉及向甲烷和氧气罐中注入低温液体,以查看它们在完全加压后星舰能否保持稳定,结果发生了爆炸,导致顶部舱壁破裂震飞,原型报废,冷冻的气体散布到整个发射区。

不过,SpaceX 在官方声明中乐观指出,这种情况并非不可预见,也不会长时间阻碍原型机的轨道飞行测试。

SN1,该原型去掉了襟翼,整体看上去像是一个高高的钢皮圆桶。2020 年 2 月 28 日夜间,地面人员将模拟推进剂(液氮)装入 SN1 后一个小时,液态氧储罐发生猛烈爆炸,整个原型被崩起了数十米高,然后坠落在发射台上并发生二次剧烈爆炸。SN1 原型尚未安装前锥和引擎。

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SN2, 鉴于 SN1 内部构造综合在一起测试的复杂性与失败率,SN2 将原型拆分进行了关键部分的测试,2020 年 3 月 8 日在低温压力测试中幸存了下来。

SN3,同样在低温压力测试中发生结构性故障,2020 年 4 月 3 日,似乎是因为出现泄漏问题,导致整个原型机身瞬间扭曲变形,难以重复使用。

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SN4,2020 年 4 月 27 日首次通过了关键的低温载荷测试,马斯克在 Twitter 上表示,测试达到了 490 kPa 的压力,这相当于每平方英寸约 72 磅,是海平面上正常大气压的五倍。正如马斯克所承诺的那样,跨过这一步,就足以展开飞行测试了。SN4 本来要担当 150 米的飞行任务,然而遗憾的是,在一次静态点火测试中突然爆炸,一片火光将飞船撕成了满地碎片。

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经过几次挫败与改良,最终在 SN5、SN6 上小有所成,到了 SN7 这一代,与前几代不同的是材质用料变了, 把此前原型版本所使用的 301 不锈钢,替换成了 304L 不锈钢,没错,就是我们日常生活中一些不锈钢锅的材质,测试成功之后,将来的新星舰或都将改用 304L 不锈钢,马斯克曾发文表示,“它显然更便宜,虽然不是最轻的材料。”

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图|SN8 发射场地航拍(来源:RGV)

按照马斯克的说法,这与其他由碳纤维材料制成的火箭相比,让星舰的生产更具成本效益,也更快。碳纤维的价格是每公斤 135 美元,在制造过程中 35% 的碳纤维都会变成废料,综合成本达到每公斤 200 美元以上;而不锈钢每公斤才 3 美元,合理使用也能提供高强度和隔热性能,每艘星舰的制造成本可降低至 500 万美元,而且制造效率很高,堪称是一次大胆的尝试。

2020 年 9 月 24 日,SpaceX 成功进行了一次“故意爆炸试验”,主要目的是测试星舰原型的性能极限数据,原型代号为 SN7.1,经过长达 7 小时左右的低温加压测试,SN7.1 终于在巨大压力测试下崩溃。

在这一次次经验累积后,至今,才到了 SN8 这个机身相对完整的星舰测试版本。

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星舰的未来备受 NASA 器重

如今已经没有人轻易嘲笑马斯克看似疯狂的太空移民计划,很多质疑声在 SpaceX 一次次的大胆尝试和阶段进展中被击碎。

星舰作为 SpaceX 面向未来的下一代发射载具,在 2017 年 9 月由马斯克正式公布了比较确切的计划,它未来可代替猎鹰 9 号、猎鹰重型运载火箭以及载人龙飞船等,不仅可执行地球轨道任务,也可完成登陆月球以及火星的任务。

该火箭系统曾被命名为 “BFR”,即“Big Falcon Rocket” 的缩写,不过目前,SpaceX 官网已将这套发射系统统称为星舰。

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整个火箭的高度约为 120 米,该发射系统的第一级助推器称为超级重型(Super Heavy),长 70 米,或将搭载 28 个猛禽火箭发动机,总共提供约 72 MN 起飞推力;

第二级飞船则称为星舰(Starship),长 50 米,能够将装有 100 吨的有效载荷送上地球轨道,不仅能够往返地球大气层重复使用,而且还能在轨加注燃料,该飞船将最终装有 6 台猛禽发动机,其中包括 3 台针对海平面推力进行优化的发动机,以及另外 3 台针对太空真空环境进行优化的发动机。

如果说登陆火星的目标仍然比较远,那么重返月球可能是即将到来的壮举,按照美国国家航空航天局(NASA)制定的阿尔特弥斯 (Artemis) 登月计划,人类将有望在 2024 年再次登月。

2020 年 5 月,NASA 已将三份合同交给商业供应商,进行开发月球着陆系统。该系统将在五年内将宇航员带到月球表面,SpaceX 的星舰飞船便是其中之一,在总额近 10 亿美元资助中,蓝色起源获得 5.79 亿美元,Dynetics 团队获得 2.53 亿美元;而对 SpaceX 的资助最少 ,仅有 1.35 亿美元。

但 SpaceX 在研发进度方面却一直在保持领先节奏。

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NASA 授予 SpaceX 合同曾让不少人感到惊讶,他们对 SpaceX 雄心勃勃的项目一直持怀疑态度,因为马斯克曾表示要建造数百艘星舰来定居火星,这听起来像是痴人说梦。不过 NASA 局长吉姆 · 布里登斯坦(Jim Bridenstine)对此曾回应称,美国宇航局不能忽视这一系统的潜力。“为什么要给他们签合同?答案是因为 SpaceX 确实擅长迭代测试和改进,他们的设计方案具有变革性,有望极大降低登月成本,增加开发月球的机会”。

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星舰一体成型的设计集成了充沛的动力系统,较大空间的载人舱和货仓,还能通过在太空中进行燃料补给往返月球,如果成功无疑是一种理想的星际旅行选择。

期待下一次 SN9 能正式揭幕星舰的新篇章和里程碑,也祝愿马斯克早日实现火星旅行梦。

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