星舰第九飞:里程碑式的进步与严峻的挑战
Hello, SpaceX的星舰(Starship)于北京时间5月28日上午7点36分进行了它的第九次试飞。这次飞行虽然在观赏性上可能不如以往,例如没有上演“筷子挟火箭”的惊险场面,但其重要性却不容忽视。前两次试飞中,星舰二级均在上升阶段爆炸,未能成功入轨,而这两次恰恰是使用了备受期待的二代星舰。因此,第九飞的关键任务是证明其设计方案依然是行得通的,这直接关系到美国接下来的登月计划,乃至整个太空经济。据此前特朗普总统公布的NASA预算,原负责登月的Space Launch System已被削减,使得所有重任都落在了星舰身上。
若用一句话总结这次第九飞,可谓是“进了一步,又退了一步”。“进一步”体现在二级终于顺利进入了预定轨道;“退一步”则是因为入轨后出现了推进器泄露的问题,导致星舰失控,最终在离地约59公里处爆炸。前两次试飞的爆炸同样与推进器泄露有关,尽管触发原因不尽相同。不过,星舰失控燃烧的最后几个画面依旧相当震撼,其直播效果极佳,每次都让人以为信号已断,画面却又重新出现,仿佛支撑到了解体的最后一刻。
发射、分离与回收尝试:一次惊心动魄的旅程
按照惯例,我们来梳理一下第九飞的全过程,并精选其中的细节与精彩之处。首先是点火升空,过程一如既往地稳定壮观,每一个画面都堪称桌面壁纸。尤其这次的4K直播,近距离展现了火箭发动机启动燃烧的瞬间:高温气体高速喷射,周围水分子迅速受热膨胀,加上发射塔下的水冷系统喷出的水雾,瞬间形成了巨大的白色烟雾。
星舰的起飞推力高达7500吨,相当于66架波音747的总和。本次试飞的助推器是复用的第七飞助推器,33台**猛禽发动机(Raptor engines)**仅更换了4个。细心的观众可能会注意到,这次直播画面有所不同:左侧的助推器仅显示姿态和发动机点火情况,而移除了海拔、速度以及液氧和液态甲烷的存量状态。个人更偏爱旧版本,因为它显示了许多重要信息,特别是在观察助推器返回、翻转机动和着陆时,这些数据直观且关键。
此次助推器点火升空过程非常顺利,33台猛禽发动机全部正常工作,姿态稳定。这与前两次发射升空时有2到3台发动机熄火的情况形成对比,但由于总数庞大,容错率较高,只要熄火的发动机不集中在一侧,问题通常不大。相比之下,历史上载人登月的土星5号仅有5台发动机,任何一台熄火都可能导致火箭无法入轨。
火箭继续升空,在分离前5秒经历了Max Q(最大动压值)。在2分34秒时,星舰准备进行热分离(Hot staging)。此时,助推器关闭了30台猛禽发动机,仅保留中间三台以减小推力,同时星舰二级上的6台猛禽发动机全部点火,将助推器推开。分离后,助推器立即点燃了中间那一圈的10个发动机,并开始翻转机动,以4倍音速(约每小时4500公里)的速度尝试返回墨西哥湾降落。当时助推器应离地约65公里。
这次助推器选择在墨西哥湾降落,是为了测试一种新的回收任务:使用更大的腹部接触地面,即更平躺的状态,让箭身尽量俯冲,利用大气进行减速。在最后的着陆点火阶段,他们故意关闭了中间三台猛禽发动机中的一台,仅用两台发动机着陆。这项测试的两个目的:一是验证助推器在极端或异常情况下能否顺利着陆,探寻其极限;二是利用大气减速减少燃料消耗,从而在装载更少推进剂的情况下,能够携带更多有效载荷。
在3分28秒时,助推器开始陆续关闭所有发动机并俯冲减速。此时,不时能看到助推器尾部喷出大量白烟,这是在排出液氧,以减轻落地时的重量。在上升后5分47秒,出现了令人印象深刻的“大气之矛”画面——这是因为大气在引擎的槽口处大量聚集、挤压,产生极高温度,形成短暂的燃烧状。此时助推器离地约10公里。然而,最终结果不尽如人意:助推器在着陆点火阶段(离地约1公里处)发生了爆炸。爆炸原因需等待SpaceX的最终分析,但基本可以推测,以更大的腹部面积返回地面,受力面积增大,空气阻力增强,箭身结构可能难以承受,姿态也更难控制。保持箭身姿态稳定需要导流翼、RCS冷气推进系统和火箭本身控制系统的协同工作,任何环节出错都可能导致翻滚失控甚至被空气撕裂。尽管如此,SpaceX很可能从中获得了他们想要的信息。助推器的问题相对较小,毕竟“筷子挟火箭”已有三次成功经验。
星舰二级:入轨后的困境与失控
我们再来看星舰二级。分离后,二级按照原计划继续上升,准备进入预定轨道。与前两次不同,这次二级顺利完成了整个上升阶段,直到三个真空发动机和三个海平面发动机陆续关闭。发动机的关闭意味着二级已达到预定的高度和轨道速度,可以进行轨道运行。这次我们还看到了一个新画面:二代星舰的货舱内部,这里未来将放置星舰月球和火星基地的物资,以及私人空间站的模块。
然而,此次任务本计划部署8个二代星链的复制品,但货舱门无法打开。这是星舰首次尝试在轨打开舱门,外界太空温度极低,可能是金属受热变形导致门被卡住,也可能是机械故障,甚至可能是星舰姿态失控后系统自动锁定了舱门。画面中漂浮的白点是小的冰块,它们朝着一个方向运动并集体改变方向,表明星舰此时正在旋转或翻滚。
推进器泄露的问题似乎在此刻开始暴露。推进剂泄露会导致星舰上的**RCS(Reaction Control System: 反应控制系统)无法正常工作。RCS是控制飞船在轨姿态的小型推进装置,如果一边有推力而另一边没有,星舰就会朝着一个方向不停旋转。直播中,导播也直接告知星舰已失控,剩余时间不多。由于姿态失控,星舰会提前进入Re-entry(再入大气层)**阶段。
值得注意的是,星舰并非全身都覆盖了隔热瓦(格尔瓦)。它是一面有,一面没有。正常情况下,不接触大气的侧面无需隔热瓦。但此次为了测试,还拆除了100多块隔热瓦。因此,在姿态不受控的情况下,没有隔热瓦的一面承受了剧烈高温,直播画面显示一侧的箭翼融化极快,燃烧的景象依然震撼。在星舰出现之前,我们很难看到航天器在轨的真实状态。正常的再入大气层过程也很壮观,等离子发出的橙黄或粉紫色光芒同样级别堪比电脑桌面。
总结与展望:迭代的道路与火星的召唤
在X(前Twitter)上,许多人对星舰第九飞的评价不高,认为这是一次失败的试飞,因为推进器泄露的问题仍未解决,相当于“三连败”。埃隆·马斯克(Elon Musk)之前投入了大量精力在政治领域,但他对星舰采用的是迭代式研发。只要物理定律成立,不停试飞,总有一天会成功。
然而,最大的问题是,这样的迭代速度不一定赶得上明年的火星窗口期。马斯克明年登陆火星的愿景实现起来时间相当紧迫,毕竟还有几个关键技术需要反复测试,例如推进器的在轨转移、星舰二级返回发射塔,以及隔热瓦的性能等。希望接下来的星舰发射能够顺利,我们期待星舰的第10次试飞。
📌 文中提及的人物和组织
公司/组织: SpaceX
产品/模型: Starship, Raptor engines, Space Launch System