--- author: 海伦子Hellen date: '2024-06-19' guest: '' layout: post.njk source: https://www.youtube.com/watch?v=o3gUUjDHkho speaker: 海伦子Hellen tags: - space-exploration - reusable-rockets - atmospheric-reentry - vertical-landing - space-technology title: 星舰四飞：再入大气层与垂直着陆的突破 summary: 星舰第四次试飞成功，标志着其再入大气层和垂直着陆技术取得重大突破。本文详细解析了此次试飞的关键节点，包括高速再入时的热防护、姿态控制，以及助推器与星舰二级在水面的精准着陆，并探讨了其对实现快速可重复使用和未来深空探索的意义。 insight: '' draft: true series: '' category: tech-trends area: tech-engineering project: [] people: [] companies_orgs: - SpaceX products_models: - Starship - Super Heavy media_books: [] status: evergreen --- ### 星舰四飞：成功验证核心技术 Hello, Ship! **星舰**（Starship）刚刚完成了它的第四次试飞，这次是目前为止最成功的一次。无论是**助推器 Super Heavy**，还是**星舰二级**，都完成了一次完整的飞行。这里说的完整飞行包含了两个极难攻克的点：一是成功**载入大气层**（Atmospheric Re-entry），二是完成**空中翻转**并**垂直落地**（Vertical Landing）。这是星舰试飞以来首次同时做到这两点。星舰是目前为止最大的载入大气层的航天器，比以前的 **Space Shuttle**（航天飞机）还要大。星舰二级相当于15层楼那么高，空箱返回时重量也至少要120吨。 在这次载入大气层时，星舰的最大速度达到了每小时26,700多公里。虽然这次属于**亚轨道飞行**（Sub-orbital Flight），但飞行速度已非常接近**低轨道速度**（Low Earth Orbit Velocity），足以达到测试目的。如此庞大的一个飞行器，能以高速冲向地面，最后还能在水上**软着陆**（Soft Landing），确实令人惊叹。 然而，目前为止发射的星舰都仍是原型机，主要用于迭代和测试。星舰的第五次试飞预计在一个月后进行，间隔时间不断缩短。每一次星舰的发射，都像是一场全人类可以观摩的大型太空探索实验，无论成功与否，过程都极具观赏性。例如，本次试飞中，星舰在**载入大气层**时发出高温等离子的光芒，给观众留下了深刻印象。过去，这种壮观景象只能通过动画模拟呈现，但从第三次试飞开始，星舰便能通过**星链**（Starlink）进行直播。本次星舰集成了6个星链终端，几乎覆盖了全程。 ### 再入大气层：挑战与工程智慧 能否顺利**载入大气层**，是执行载人任务的关键环节之一。没有人希望看到载有宇航员的星舰在空中解体。在星舰的第三次试飞中，二级就是在**载入大气层**时丢失的。而在此次试飞中，助推器成功分离后，星舰二级上的6台**猛禽发动机**（Raptor Engines）顺利点火，进入了**滑行阶段**（Coasting Phase）。随后，星舰二级也排出了多余的推进剂以减轻重量。 **载入大气层**的全过程大约持续20分钟。星舰并非头朝下直接冲向地面，而是以一个60到70度的**俯冲**角度，让飞船尽可能大面积地接触大气，利用空气阻力来减速。这个**载入大气层**的角度至关重要。在星舰的第三次试飞中，就是因为负责滚动控制的阀门堵塞，导致飞船姿态失控，可能在接触高压大气时，未覆盖隔热瓦的区域直接烧毁。显然，SpaceX 在这次试飞中改进了这一问题。此次星舰的**载入姿态控制**非常完美且稳定。 然而，**俯冲**本身会带来一个缺点：大量空气被迅速压缩并来不及散开，形成巨大的能量，进而产生高温。因此，航天器**载入大气层**时温度过高的最大原因并非简单的空气摩擦。若是仅有空气摩擦，还可以通过优化飞船表面材料来减小摩擦力。但星舰**俯冲**引起的空气挤压是自然物理现象，人类干预的空间极小。因此，唯一能做的就是承受高温，并确保航天器不被烧毁。 这使得**隔热瓦**（Heat Shield Tiles）成为了关键。在此次试飞中，**隔热瓦**表现基本过关。SpaceX 甚至在试飞前故意少装了部分隔热瓦，并在某些区域采用了极薄的隔热层，但星舰依然成功承受了高温。这表明星舰主体采用不锈钢材质是一个明智的决定。 还有一个细节值得关注：当星舰下降至离地面约57公里时，由于空气被剧烈挤压，前翼的折叠处可见一团高压气体窜出，瞬间导致高温，短短十几秒内就把翼烧断了一半。直播画面中 SpaceX 员工的惊叹声表明，当时所有人都感觉星舰随时可能解体。这次**载入大气层**的温度峰值约为1400摄氏度。若此高温直接窜入箭体内部，星舰将瞬间熔化。但令人意外的是，星舰顽强地坚持了下来。在整个过程中，那些被高温熔化的材料甚至喷溅到镜头上，导致镜头炸裂。尽管前翼持续燃烧，星舰仍能保持飞行控制，完成直播，并最终在水面**软着陆**。着陆时，镜头已因高温损毁严重，几乎无法辨认，只能通过引擎喷出的火焰来判断其是否成功着陆。 ### 史诗级着陆：从空中到水面的精准控制 重要的**前翼**（前翼是最后垂直落地时调整姿态的关键部件）几乎坚持到了最后一秒才断裂。在即将进行的星舰第五次试飞中，他们将更换**抗热性更高**的隔热瓦。具体改进是加厚隔热瓦还是更换材料，目前尚不清楚，但这一步至关重要。因为如果星舰从更远的太空返回地球，其**载入大气层**的速度会更快。例如，当年**阿波罗11号**（Apollo 11）从月球返回时，飞船表面的最高温度达到了3000摄氏度。目前的新舰，尤其是在前翼关节处，高压气流容易侵入缝隙，恐怕难以承受如此高温。 过去的航天器之所以没有这个问题，是因为它们不需要**垂直回收**，也无需配备**前翼**，因此缺乏相关经验借鉴。然而，**Elon Musk**（伊洛/伊龙）后来在 X（前 Twitter）上表示，未来会将前翼移至更能承受气流冲击的位置，以期解决这一问题。 星舰的最终目标是实现**快速重复使用**（Rapid Reusability）。关键在于确保星舰返回时损耗最小，检修时间最少。用 Elon Musk 的话说，火箭实现快速重复使用比在火星上生存的难度还要大。你可能会问，为何要实现快速重复使用？因为星舰的终极目标是作为探索和迁移火星的交通工具。火星的发射窗口每26个月才开启一次，每次窗口期仅1到2个月。星舰需要在如此短暂的时间内尽可能多地运载物资，因此“快”是核心。此外，未来的地球点对点运输也将使用火箭替代飞机。尽管火箭成本可能高于飞机，但其速度更快、飞行时间更短，频率可以更高。例如，飞机执飞澳洲至中国航线一天最多两次，星舰一天可执飞10次，这将带来巨大的利润空间。因此，“快”是王道。 与此形成鲜明对比的是，过去的航天飞机虽然能安全返回，但其隔热瓦和飞船本体损耗严重，需要大量时间和人力物力进行检修，效率低下，不具备可持续性。这是星舰坚决要避免的。 本次试飞的另一大看点是**着陆**。星舰首次实现了助推器和星舰二级一同进行**点火垂直着陆**，并最终**横躺溅落在水面**。关于着陆的垂直度，目前没有官方数据，但从画面看，助推器的表现尤为出色。助推器在大约离地1公里时才开始点火，一台猛禽发动机未工作，减速推力约5个 G。71米高的助推器（约20层楼）最终在水面**轻盈着陆**。 为了降低助推器着陆难度，本次试飞首次放弃了连接和固定两级的**热分离环**（Hot Staging Ring），该分离环重达9吨。不过，这只是暂时的。未来，SpaceX 将制造一个更轻盈的热分离环，并与助推器永久固定，实现星舰的100%回收。 相较于助推器的着陆，星舰二级的着陆则更加惊心动魄。在离地一公里时，它仍处于水平状态，头部甚至略微向下，一度让观众以为它将直接坠毁印度洋。然而，在最后不到一公里，即几百米的高度，猛禽发动机突然点火，开始了**着陆燃烧**（Landing Burn）。随后，星舰迅速执行**翻转机动**（Flip Maneuver），几乎垂直地立在水面上并成功降落。由于镜头损毁严重，后续判断主要依靠引擎火焰和前翼等细节。 屏幕上甚至无法清晰显示猛禽发动机的点火情况。**Flip maneuver**（翻转机动）这一术语，可能在**猎鹰9号**（Falcon 9）开始回收后才为人所知。中文直译为“翻转机动”，意指航天器在下降过程中快速将姿态从180度转变为90度。 星舰二级虽然顺利降落，但偏离了预定着陆点6公里。有讨论认为，这可能是故意为之，以规避潜在的着陆失败风险。当系统不确定能否精准降落时，可能会选择偏离目标方向。此次试飞中，助推器也设置了虚拟着陆坐标以验证其精度，但 SpaceX 官方并未详细披露具体数据。不过，Elon Musk 似乎对此充满信心，因为他计划在下一次试飞中，使用发射台的**机械臂**（Mechanical Arm）尝试抓取助推器。这暗示此次着陆点与预定坐标的差距应该不大。 ### 机械臂着陆：迎接未来的挑战 事实上，在助推器落地时，**机械臂**也同步进行了抓取动作演习。人们普遍期待看到**机械臂抓取助推器**的真实场景，但这面临一个挑战：目前只有一个发射台，另一个仍在建造中。如果抓取失误，损坏了仅有的发射台，那么星舰的下一次试飞将遥遥无期。 为何一定要使用**机械臂**？首先，是为了方便组装。星舰无需像猎鹰9号那样运回工厂检修组装，再运至发射台，这不符合快速发射的原则。助推器返回后，只需一个机械臂将其夹住，再由另一个机械臂夹起星舰二级，组合即可发射。其次，是为了减轻星舰本身的重量。如果星舰自带着陆腿，落地后能够站立肯定更方便，可以在任何地方降落。但是，安装着陆腿会增加重量，从而减小星舰的载荷量。鉴于发射成本固定，载荷量越大，效益越好。然而，使用**机械臂**抓取难度极大，Elon Musk 形容其“像是用筷子去夹苍蝇”。 好了，关于星舰的第四次试飞就聊到这里了。你有什么看法？欢迎留言。期待星舰的第五次试飞。