马斯克10年前吹的牛,试飞14次终于入轨

果壳 · 经八阕原文

北京时间昨晚23时57分,星舰飞船最后一次点燃发动机减速,缓缓落在夏威夷以北的太平洋上。它是昨晚20点49分从美国得克萨斯州的星舰基地起飞的,前后只飞了3个小时左右,比原计划少了将近7个小时。

星舰在北太平洋完成水上软着陆丨SpaceX

这是星舰的第十四次试飞,也是它第一次真正进入轨道。途中,它放出了26颗V3版星链卫星。这也是星舰第一次把有效载荷送进轨道。

这一趟飞得并不完美。一级和二级在上升途中都有发动机熄火;飞船原计划在太空绕地球飞行6圈,最后只绕了不到两圈就提前返回了。

前13次试飞,SpaceX给星舰制定的飞行计划,都只让它加速到差一点就能入轨的程度,其中好几次,它还没飞到这一步就炸了。

SpaceX不让星舰入轨,是因为一艘52米长、上百吨重的不锈钢飞船,如果进了轨道却回不来,就只能拖着一身隔热瓦,在稀薄的大气里越飞越低,最后落在哪里,谁也说不准。

所以昨晚这次试飞,真正的考题在最后,也就是北京时间23点左右的离轨点火。发动机点着了,飞船开始减速,坠回大气层,星舰这才算过了关。

星舰再入地球大气层丨SpaceX

从这款火箭第一次公开算起,已经过去了整整10年。

2016年9月27日,美国太空探索技术公司(SpaceX)创始人伊隆·马斯克,在墨西哥瓜达拉哈拉的国际宇航大会(IAC)上做了压轴演讲。他公布了殖民火星的计划,以及执行这个计划的火箭。这款火箭当时叫“行星际运输系统”,后来改名星舰,起飞推力达到万吨级。按当时的设计,它在回收复用的状态下,能把300吨货物送进近地轨道。

而在当时,SpaceX最强的火箭是猎鹰9号,一次性发射最多只能送22吨货物上天。

2016年IAC大会上的压轴演讲丨SpaceX

业内和媒体大多把这个计划当成天方夜谭。此后10年,星舰被叫作“PPT火箭”,被指是融资骗局,还被比作“N1再世”。N1是苏联上世纪60年代研制的登月火箭,第一级装了30台发动机,4次试射全部失败。星舰早期研发时也确实炸得天昏地暗,原型机接连在试车和着陆时爆炸。

现在,它已经把卫星送进了轨道。按最严格的标准衡量,星舰都已经是一枚真正的运载火箭了。

13次试飞不入轨

把一块石头水平扔出去,扔得越快,落得越远。如果快到一定程度,石头往下掉的同时,地面也顺着地球的弧度弯了下去,它就永远落不了地,只能一圈圈绕着地球转。

这就是入轨。在几百千米高的地方,需要的速度大约是每秒7.8千米。

星舰前13次的轨迹,最低点(近地点)都落在稠密的大气层里,绕不完一圈就会一头扎回来。这叫亚轨道飞行。就算发动机在太空里点不着,飞船也会在起飞后1个小时左右,自己落进印度洋。这等于给飞船上了一道保险。

入轨之后,这道保险就没了。飞船要回来,必须在太空里重新点燃发动机,把速度降下来。

一旦离轨点火失败,飞船就会困在轨道上。几百千米高的地方还残留着极其稀薄的空气,会一点点拖慢飞船,让它越飞越低,最后在无法预测的时间和地点坠入大气层。

星舰飞船本来就是按扛住再入高温设计的,不会像大多数退役卫星那样在空中烧光,大块残骸落到地面的可能性不小。

星舰第七次试飞时坠入大气层的壮观场面丨Alex Davenport

航天史上出过这样的事。天空实验室(Skylab)是美国的第一个空间站,重约77吨,1973年发射。按原计划,等航天飞机造好后,要么把它推到更高的轨道,要么引导它受控坠毁。可航天飞机一再推迟,太阳活动又比预想的剧烈,把高层大气加热、撑大,天空实验室受到的阻力越来越大,轨道降得越来越快。

1979年7月11日,天空实验室坠入大气层。大部分结构在空中烧毁,但仍有不少残骸落在澳大利亚西部,所幸没有伤到人。当地的埃斯佩兰斯镇还给美国国家航空航天局(NASA)开了一张400澳元的乱扔垃圾罚单。这笔罚款直到2009年,才由一位美国电台主持人向听众筹钱付清。

天空实验室是史上质量最大的失控再入航天器。此后,让大型航天器在寿命末期受控坠毁,逐渐成了航天界的通行做法。而星舰飞船的个头比天空实验室更大,重量也不输它。

10分钟回顾星舰此前的13次试飞丨Steed

门槛前的这13次,星舰也走得磕磕绊绊。

2023年4月首飞,两级火箭没能分离,最后在空中自毁。第二飞,飞船在发动机即将关机时出了故障,同样自毁。第三飞,飞船在返回大气层时失联。直到2024年6月的第四飞,一级和二级才第一次都完整落进海里。

2025年,全面升级的第2代飞船(V2)登场,却接连失败3次。第七、八飞,飞船都在上升途中炸毁;第九飞进入了预定轨迹,随后失控翻滚,在返回大气层时解体。这一年星舰发射了5次,只成功了两次。

2026年,第3代星舰(V3)登场。它的首飞,也就是第十二飞,飞船在上升途中有一台发动机提前关机,其余发动机延长了工作时间,才勉强把飞船送上预定轨迹。原定的太空点火测试因此取消,飞船最后还是平稳落进了印度洋。

第十三飞是星舰飞船此前最顺利的一次。它在太空中完成了发动机点火测试,第一次放出了20颗真正的星链卫星,最后完整落进印度洋,稳稳漂在海面上。只是那20颗卫星也跟着亚轨道轨迹,很快就落了回来,烧毁在了大气层里。

昨晚的第十四次试飞,SpaceX终于决定跨过入轨这道门槛。

V3版超重助推器首次完整落水

星舰起飞丨SpaceX

昨晚20点49分,编号B21的星舰一级,托着编号S41的星舰二级,从得克萨斯州南部星舰基地的2号发射台起飞。星舰的一级叫超重助推器(SuperHeavy),二级就是星舰飞船。

整枚星舰直径9米,高124.4米,是一枚不捆绑助推器的两级火箭,两级都用液氧和液态甲烷作推进剂。如果两级都回收复用,它能把不少于100吨的货物送进近地轨道。

一级高72.3米,相当于24层楼,装着3650吨推进剂,屁股上是33台第3代猛禽发动机,起飞推力8240吨,是迄今推力最大的火箭。

二级高52.1米,相当于17层楼,装着1600吨推进剂,也用第3代猛禽发动机,共6台。中间3台是海平面版;外围3台是真空版,喷管更大,适合在几乎没有空气的太空里工作。

星舰S41与超重B21在2号发射台完成堆叠丨Max Evans / NSF

起飞两分多钟后,两级分离。

星舰一级的回收,要过两道点火。第一道叫返场点火,让一级调头飞向回收区域。第二道叫着陆点火,在落地前把速度降下来。

老一代星舰一级曾经3次飞回发射塔,被塔上两条巨大的机械臂在半空中夹住,这对机械臂被昵称为“筷子”。可换成V3版星舰一级之后,连这两道点火都没过好。

星舰第十四飞一二级分离画面,注意一级发动机没能全部点燃丨SpaceX

第十二飞的一级,起飞时就有一台发动机熄火,返场点火时发动机也没能全部点燃,最后炸毁。第十三飞的B20,首次让全部33台发动机都参加了返场点火,可点火后段,3台中心发动机出现结冰迹象,提前关机,返场点火也跟着提前结束。到了着陆点火,原计划点燃的13台只点着了8台,B20高速砸进了墨西哥湾。

针对这些问题,B21在液氧贮箱通往中心发动机的管路上,换装了重新设计的过滤器,还修改了软件,让发动机重新点火更可靠。可B21也没能完全甩掉老毛病。上升途中,它有1台发动机熄火;返场点火时,又有2台没点着。

好在它还是完成了着陆点火,缓慢落到了墨西哥湾的海面上,这在3枚V3一级里还是头一回。只是落水后不久,B21就发生了爆炸。

B21缓慢落入墨西哥湾后发生爆炸丨SpaceX

来源:果壳(经八阕转载) · 查看原文
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