大家好,我是Lens。SpaceX在10月13日进行了星舰(Starship)的第五次试飞。这次最令人激动和惊奇的一幕,是星舰的助推器成功地返回到了发射塔的“筷子”上。其实大家都知道,只要物理学上成立,这个操作是必然能成功的,但没想到SpaceX一次就做到了。
星舰助推器高71米,直径9米,全身不锈钢。返回时,包含推进器总质量约300吨。返回时的最大速度接近4倍音速,最终稳稳地降落在一个高14.6米的发射架上。我们在地面上看非常壮观,但对于从95公里高空下落的助推器来说,这个目标区域极其狭小。
这个发射塔的官方名字是 ‘Mechazilla’(机械怪兽)(English Term: 结合了‘mecha’和‘godzilla’的概念),其发射架上的大爪子还有一个外号叫“筷子”。但这次发射塔的成功回收,SpaceX并非毫无准备。在星舰四飞时,助推器已经基本做到了精准着陆,距离目标着陆点仅相差0.5厘米。因此,这次星舰助推器精准地落入了“筷子”之中,而非此前开玩笑说的“筷子夹苍蝇”。
“筷子”的移动范围其实并不大,约80%的功劳仍在于助推器自身的精确定位。助推器在最后靠近发射塔时,确实会有些许晃动。在最后关头,它进行了姿态调整,不偏不倚地稳稳落入“筷子”中,并被其环抱住。整个过程几乎没有悬停,仅靠4个小小的钢片支撑。
助推器在发射后约3分40秒,SpaceX才发出指令,确认允许发射塔进行回收。在此之前,SpaceX会反复确认助推器和发射塔的近千个条件及安全标准是否满足要求,才会启动捕获程序。如果条件不满足,助推器将直接降落在旁边的墨西哥湾水域。
从火箭发射到助推器返回,此次过程不到7分钟,未来有望缩短至5分钟。
星舰五飞的主要任务
星舰五飞的主要任务有两个:一是“筷子”捕获助推器,二是星舰二级在重返大气层后,能够更精准地降落在目标区域。该精准度要求在10米以内。此次星舰二级也做到了精确着陆。旁边待命的摄像头捕捉到了全部影像。最后,星舰二级在黎明微光中,以耀眼的火焰姿态完成了重返大气层过程,仿佛在庆祝它又一次成功执行了任务。在星舰四飞时,SpaceX也在水上布置了摄像头,但当时星舰二级距离目标地点太远,未能捕捉到任何画面。
发射过程与技术细节回顾
现在,我们再一起回顾一下这次发射的过程和一些精彩的细节。首先是点火升空。这是我将来一定想要去现场观看的画面。星舰从第一次试飞开始,点火升空就非常稳定,没有什么悬念。
起飞后,33台猛禽发动机(Raptor engines: SpaceX的下一代火箭发动机)都正常工作。在大约一分钟时,火箭到达了最大动态压力点(Max Q: 火箭在上升过程中,受到的空气动力学压力最大的点)。观看直播时,主播通常会强调Max Q这个节点,因为此时火箭承受的压力和气流震动最大,必须保证稳定性。再加上大量空气摩擦产生的高温,火箭可能发生变形或结构损伤,最坏情况是偏离轨道甚至解体。
起飞2分36秒,助推器关闭了30台猛禽发动机,仅保留3台,准备进行热分离。随即,星舰二级上的6台发动机全部启动。此时距离地面70公里,飞行速度约5200公里/小时。此次热分离、抛弃助推器、环和着陆点火等操作,都比上一次提前了约10秒。高度更低,飞行速度稍慢,这可能是为了提高后续发射台捕获的成功率。
星舰一二级分离后,二级继续飞行,准备进入轨道。助推器则立即启动了中间圈的10个发动机,调整姿态准备返回发射台。待姿态调整完毕后,助推器已达到最高点,离地96公里,随后关闭剩余的3台发动机,以俯冲姿态返回地面,利用大气进行减速。
在此阶段之前,发射台尚未正式确认是否要用“筷子”进行回收。若不行,则会启动水上溅落程序。在助推器返回过程中,可以看到其尾部持续冒出白烟。最初的白烟是由于发动机突然关闭,尾部区域气压和温度变化导致空气中的水分子凝结,呈现水雾状。后来更大的白烟则源于助推器使用小型冷气推进系统产生推力,以调整和稳定姿态与方向。
从星舰提供的另一视角镜头看,助推器后方有一条黑线和一个小白点。小白点是星舰二级,黑线是发动机燃烧后排放的颗粒物。在黎明反射光下,视觉上形成一条暗线。
助推器在离地5分56秒时,达到最高速度4394公里/小时,相当于接近4倍音速。助推器随后冲向地面。穿出云层时,其尾部呈火红色,形似一个烟头。这是由于大气在发动机槽口处大量聚集并被挤压,产生了高温。
在6分30秒时,助推器又相继启动了13台发动机,准备点火着陆。此时距离地面仅1公里,在约500米高度时,仅保留3台发动机,调整角度——这是整个星舰五飞最激动人心的时刻。我当时内心是准备看它爆炸的,却又矛盾地不希望它真的爆炸。此时火焰窜起很高,这是为了燃烧掉多余的甲烷,避免落地后更大的爆炸风险。助推器还有些不稳,在摇晃,在最后关头都在调整姿态。“筷子”为了接应它,稍微向左挪动了一下,然后稳稳地接住,助推器随即熄火。配合着SpaceX员工高昂的欢呼声,我也非常激动,相信观看直播的你们也是一样。这一刻的激动确实属于人类共同体,它跨越了政治和种族,是人类航天史上的一个巨大突破。
埃隆·马斯克(Elon Musk: SpaceX创始人及CEO)随后在X上发文称,助推器状态尚可,发动机喷嘴有些许变形,这些都是可解决的小问题。而且,星舰的迭代速度超乎了大多数人的期待。星舰助推器前三次试飞未能回收,第四次才实现垂直着陆,而这一次就成功精准落入了发射塔。星舰二级也每次都有明显进步。
星舰二级重返大气层与着陆
我们再来看一下星舰二级。星舰二级在热分离后立即点火,进入轨道滑行。此次它达到了亚轨道最高高度21.2公里,速度略低于第一宇宙速度,绕地球飞行了近半圈。理论上它可以完全入轨,但由于此次是测试飞行,没有必要。此次试飞主要目的是测试新安装的隔热瓦和星舰落地的精准度。
起飞约46分钟后,星舰开始重返大气层。我们再次看到了熟悉的等离子火焰。我第一次看到真实的等离子火焰时,感到非常惊艳。因为在星舰直播前,通常只有动画模拟,看不到实物。
星舰在离地约100公里时,火焰呈紫红色。随着下降,受到的挤压大气增多,高速挤压的大气会在星舰周围形成巨大能量,火焰转变为橘红色。燃烧最激烈的部分是在离地约42公里处,这里经历了最大动压值。星舰舰体火花飞溅。左前翼处,与上一次一样,有一团高压气体喷出。但结构并未损坏,不像上次那样“鱼”(此处原文可能为口误,意指箭体某部分)烧断,融化的材料喷到镜头上。此次飞行基本稳定,镜头也一直保持清晰。
此次星舰更换了全部隔热瓦。共计18000片,人工逐一安装耗时12000+小时。此外,还特意添加了几片铝材料包裹的隔热瓦,表面呈银白色。这是因为铝的熔点接近不锈钢开始失效的温度,用于测试结构受热情况。
在离地约20公里时,俯冲角度变得更大,最大程度地利用大气减速。最后在离地约800米时,三台发动机启动,进行着陆点火和翻转机动,以垂直姿态降落在南印度洋。精准度控制在10米以内。
按此进度,星舰二级很可能在明年也能返回发射塔。此次试飞的成功也是对FA(推测为FAA - 美国联邦航空管理局)的有力证明。因为FA此前一直在因各种评估和环境测试而拖延星舰的五飞。但此次试飞完全在安全要求之下完成了任务。第六飞的批准应该很快会到来。
未来展望
星舰实现快速重复飞行这一目标也越来越近。星舰预计将在2026年登陆火星,因为两年后正好有一个火星窗口期。这就是星舰需要实现快速重复使用的原因。火星窗口期每次仅1到2个月,需要在该时期内尽可能多地发送物资。当不去火星时,星舰将在地球上进行点对点运输。这也是我个人最期待的:星舰将替代飞机,将世界上任何两个点之间的飞行时间控制在30分钟以内。为了平衡成本,提高星舰船票对普通人的可负担性,增加飞行频率是关键环节。同样的航线,飞机每天最多只能飞两次,而星舰每天能飞20次,票价就可以相应下降。
好的,关于星舰五飞就聊到这里。谢谢各位观看,期待星舰的第六飞。
📌 文中提及的人物和组织
公司/组织: SpaceX
产品/模型: Starship, Raptor engines