星舰十一飞：二代星舰的完美谢幕

今天和大家一起来回顾一下星舰（Starship: SpaceX公司研发的巨型可重复使用火箭系统，旨在执行深空探测和点对点运输任务）的第十一飞。每一次星舰试飞后，第二天SpaceX官方和许多职业摄影师都会发布更多更高清、视角更丰富、直播时看不到的视频和照片，其中许多都非常漂亮，我也会在视频中和大家一同欣赏。星舰于美国中部时间10月13日下午6点23分，在德州的星舰基地进行了它的第十一次试飞。这也是二代星舰（Starship Gen 2: 星舰系统的第二代设计版本）的最后一次试飞，下一次飞行将使用载荷量更大的三代星舰（Starship Gen 3: 星舰系统的第三代设计版本）。之后还有四代星舰（Starship Gen 4: 星舰系统的第四代设计版本），其近地轨道载荷量预计将超过200吨。

星舰十一飞给我的最大感觉就是“丝滑”，一气呵成，没有任何意外。没有试飞或在轨的意外小爆破，也没有前几次载入大气层时翼关节的受热撕裂。用传统媒体的语言来说，就是终于都成功了。它的成功也体现在严丝合缝，每一个步骤都严格按照原定时间表进行。当然，星舰的试飞没有绝对的成功或失败，他们要做的是不断实验、迭代、搜集数据，测试星舰的极限在哪里。

二代星舰的首次亮相是在第七次试飞的时候。然而，第七飞和第八飞中，星舰的二级（Second Stage: 火箭的第二级，通常指载荷部分，在星舰系统中，它也是飞船本身，负责入轨和深空飞行）都在热分离（Hot Staging: 一种火箭级间分离技术，在第一级发动机关闭前，第二级发动机提前点火，利用推力将两级推开，以提高效率）后不久就爆炸了。第九飞进入了预定轨道，但之后失去了姿态控制，空中解体，信号中断。连续三次失败都是因为推进器系统不完善导致的燃料泄漏。当时让很多人质疑二代星舰本身的设计是否存在问题。但好在后两次都成功返回，给了二代星舰一个完美的收官，也为之后的三代星舰提供了宝贵的数据资料。星舰十一飞的这一天，刚好也是星舰首次尝试筷子夹（Chopsticks: 星舰发射塔上的两根巨型机械臂，用于捕捉返回的助推器和星舰飞船）火箭并一次成功的一周年。

助推器飞行过程与着陆测试

我们还是按照惯例梳理一下星舰十一飞的全过程和其中的精彩细节。星舰在起飞前1小时15分钟开始加注推进剂，即液氧和液态甲烷，然后准时点火升空。这次33台猛禽发动机（Raptor Engine: SpaceX为星舰系统专门研发的全流量分级燃烧循环液氧甲烷火箭发动机）全部正常工作。在点火前的几秒钟，星舰发射台下方的水冷系统会喷出大量的水，来吸收发动机产生的噪音和热量，同时又将这些水瞬间气化，形成了排山倒海的大白烟。二代星舰高123.1米，起飞推力大约有7600吨，相当于64架波音747（Boeing 747: 波音公司生产的宽体客机）推力的总和。这次的助推器（Booster: 火箭的第一级，负责将二级飞船推离地球表面，在星舰系统中，它被称为“超重型助推器”）在星舰八飞时也曾使用过，其中有24台猛禽发动机都是复用的。

星舰继续上升，粉紫色的尾焰依旧干净利落。到了分离1秒，经过了最大动压值（Max Q: Maximum Dynamic Pressure: 火箭飞行过程中，空气动力载荷达到峰值的点，此时火箭承受的结构应力最大）。这时星舰受到的空气阻力达到了一个峰值，即空气还没有变得稀薄，仍有一定密度，同时火箭上升速度又足够快，两者硬碰硬达到了一个巅峰值。如果火箭的结构有任何薄弱环节，在Max Q时就会被放大，舰体就有可能在空中撕裂。但是星舰从首飞开始，每次都顺利通过了最大动压值。

到了2分37秒，星舰按计划准备进行热分离。助推器先关闭了30台猛禽发动机，只保留了中间三台，以减少对星舰二级的推力。紧接着，二级上的6台发动机全部点火，把助推器推开。二级的发动机尾焰主要作用在助推器上方的热分离环（Hot Staging Ring: 在热分离过程中，用于隔离二级发动机尾焰对助推器顶部冲刷的结构）上。热分离环主要起到隔离作用，因为热分离时星舰的上下两级仍连在一起，二级就要点火了。热分离环自带大型的排气孔和分流罩，就是要把这些火焰和热量都向外排，避免直接冲刷到助推器的顶盖，导致助推器受热过多。二代星舰的热分离环是属于可抛弃型的。在4分多钟的时候，我们可以清晰地看到，热分离环游离在助推器的下方。热分离环有9吨重，高1.8米。到了三代星舰，SpaceX会优化和减轻热分离环的重量，让它和助推器连在一起进行重复使用。

热分离以后，助推器马上又点燃了中间一圈的猛禽发动机，翻转机动，准备返回到海面降落。3分38秒，发动机全部关闭，助推器靠俯冲减速。这时你会时不时看到助推器尾部喷出大量的白烟，这是在排出多余的推进剂，控制舱内的安全压力值，同时也减轻最后落地时的重量。再之后的画面就是上地制烟头了。这时下降速度在每小时3000公里左右，大气被大量挤压，在引擎的槽口处聚集起来，产生高温，形成了这种奇妙的效果。

这次助推器的一大看点，就是他们会测试一个用在下一代星舰上的新的着陆燃烧配置。前几次试飞采用的是13到3的发动机点火方案，即助推器着陆点火时，在离地2公里时，发动机先点燃13台。然后离地1公里时，再保留中间的三台，然后悬停，最后在离地200米的时候全部熄火。而这一次，或者说从下一代的三代星舰起，他们会选择用13到5到3的点火方案，中间多了一环。看直播画面，到了离地1公里的时候，发动机不是像以前那样保留三台，而是横向点燃了5个，然后到离地差不多400米的样子，再换成三台。这个时候的舰体已经非常稳了，然后同样是在离地200米的时候，再全部熄火。这么做的意义在于，以前从13台发动机立马降到三台，这个过程里，除了要把速度减下来，也要调节水平误差和精准对位，即推力大小和矢量角度的控制是一起做的，你既要刹车，又要并道。现在多了一个5台发动机的调度过程，等于是让你先并道，再刹车，让返回的动作更稳、更可控。5台发动机横向点燃，也给了一个相对平衡的推力矢量组合，搜集到的数据也能够测试，发动机失效时冗余极限在哪里。这种不减少推力的做法，也能在助推器下降的时候，降低地面的冲击和尾焰回流给舰体造成的伤害。助推器受到的冲击越少，落地之后，检修和维护的时间也就更加短，符合星舰要快速重复使用的初衷。

二级飞船的亚轨道飞行与再入大气层

说完了助推器，我们再来看星舰的二级。二级在热分离之后，按照计划继续上升，进入到了亚轨道（Suborbital Flight: 飞行器达到太空高度，但未获得足够速度进入稳定地球轨道的飞行）。星舰的试飞目前都是在亚轨道上的。为什么每次都是亚轨道，而不是正儿八经的轨道飞行呢？因为轨道飞行的用时太长，审批也更加复杂。而亚轨道能够得到的数据，目前已经足够用，比如星舰试飞的亚轨道最大速度也超过了26000公里每小时。星舰二级高52.1米，相当于一个17层高的楼。看直播的时候，你感觉不会很明显，但是你想象一下，我们头顶上就有这么一个庞然大物，飞行速度快到子弹是远远无法追得上的。

星舰二级这次的测试目标和十飞相类似，就是在轨部署星链模拟器（Starlink Simulator: 用于测试星舰部署星链卫星能力的模拟载荷）和在轨点火。不过这次呢，加了一个动态倾斜机动（Dynamic Tilt Maneuver: 星舰在再入大气层后期，通过调整姿态和翼面来控制飞行路径和减速的机动动作），这些动作都是下一代星舰需要做的。8分58秒的时候，二级上的发动机全部关闭，此时离地150公里，进入滑行阶段。你会看到星舰在排白烟，有时是因为星舰在排气，在排液氧，有时是因为在调整姿态，为之后的部署星链做准备。星链模拟器和真实的三代星链的规格是一样的。到了18分28秒的时候，开始打开舱门，这次部署比较顺利，不像十飞的时候卡了很久。直播的时候，那边刚好是夜晚，不是很看得清。星链出舱的镜头是在画面的最上方，这个星链的分配器叫PAS dispenser，PAS就是一个长形的糖果小玩具，里面的糖也是这样垂直叠加着放着的，然后你每一次可以拿一个出来，部署星链的操作也是这样子的。

十飞的时候就有网友问，这些星链最后都去哪里了？会不会成垃圾在太空中漂浮？肯定不会的，因为它们都是没有轨道速度的，所以最后都会被地球的引力拉回到地面，然后在reentry就是载入大气层的时候被烧毁。即使没有烧毁的部分，也会坠入到印度洋的指定区域。这次星舰的轨道飞行示意图换成3D版本的，所以更加直观一些，下方全是海洋。就算是轨道上正在运作的星链，到了要退役的时候，也是会先降轨，然后再指定的区域坠入到地面。到了37分49秒进行了在轨真空点火，这个没有什么特别需要说的，和上次一样很稳。

最后我们再来看一下我非常非常喜欢的reentry，就是最后载入大气层的镜头。星舰高速撞向大气层的时候，空气会被迅速挤压，产生电离（Ionization: 气体分子或原子因高温或高能碰撞而失去或获得电子，形成带电粒子）的现象，形成高温等离子层（Plasma Layer: 由电离气体形成的导电层，在航天器高速再入大气层时，因与空气剧烈摩擦而产生）环绕在星舰的周围。我们肉眼看到的，首先会是深紫，然后粉紫，然后逐渐变亮，变成橙红。每一次看到的光芒和形态还会有些不一样，这个和温度、大气密度和大气成分比例都是密切相关的。星舰十飞的时候，就是在这里离地大约90公里的时候，出现了一个小爆破。后来证实是由发动机冷却管的堵塞和随后的高温燃烧而引起的。他们显然在十一飞以前就把这个问题给解决掉了。

这次他们还用了一种新的弹性填充物来密封飞船和隔热瓦（Heat Shield Tiles: 航天器再入大气层时，用于保护船体免受高温烧蚀的特殊材料）之间的小缝隙，他们叫CRAP。这种白色的介于隔热瓦和舰体之间的隔热膜，其实SpaceX很早就说过要用的，但是中间有几次他们没有用，然后兜兜转转，最后还是需要用隔热这一块。为什么要反复地测试呢？每次都要变着花样去测试？因为星舰平安回来还不够，你要完好无损地回来才可以。星舰的目标是要快速重复使用，这是以后火星窗口期（Mars Transfer Window: 地球和火星之间相对位置最有利，发射探测器或飞船前往火星所需燃料最少的时期）发射和地面点对点运输的关键。你不能说星舰回来了，隔热瓦被烧得惨不忍睹的，然后还要花好几天去修补，那就没有意义了。

到了载入大气层的后半段，星舰进行了刚刚提到的动态倾斜机动，这是星舰配合4个向导翼调节的方向和升力，做一个侧滑的动作来确认返回阶段的线路。这是为之后星舰自己返回到发射塔，为了筷子夹星舰去做准备。57分54秒的时候，有一个很明显的动作，就是向导翼在调方向。因为星链摄像头就是镶在翼上的，所以翼移动，镜头也会跟着动。最后星舰二级的返回着陆也非常的平稳。软着陆以后，星舰启动了自毁装置（Flight Termination System: 航天器上用于在飞行异常时，由地面控制中心远程触发，安全销毁航天器的系统），完成了它的全部使命。上期就有网友留言说，为什么一定要自爆呢？这是监管部门规定要做的，而且SpaceX本来就不准备去回收，回收这个星舰可能比重新造一个成本更高。你也不能够把这么大一个星舰放任不管，会影响其他的船只和海洋生物，所以就要自爆。

未来展望：三代星舰与在轨加注的挑战

那三代星舰会不会在今年以内试飞还很难说，因为三代星舰还在打磨中。但是明年年底会是一个火星窗口期。星舰如果按照原定计划出发去火星，那在这之前就要先完成在轨加注（In-orbit Refueling: 在地球轨道上为航天器补充燃料的技术，对于深空任务至关重要）的实验，这又是一个前所未有的新挑战。我们就只能够拭目以待了，期待星舰的12飞。