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马斯克星舰这次能开启航天新纪元吗

来源:北青网 时间:2023-12-18 14:28 阅读9435次

当地时间 11 月 15 日,美国联邦航空管理局(FAA)表示,已向太空探索科技公司(SpaceX)颁发了许可证,允许该公司“星舰”超重型运载火箭的第二次发射。

SpaceX同时宣布,计划于当地时间 11 月 17 日,进行“星舰”的第二次发射,发射窗口将于美国中部时间上午 7 点(北京时间 21 点)开始,持续两个小时,当地居民可能会在火箭升空过程中听到巨大的噪音。

当大家都满怀期待时,根据SpaceX创始人埃隆·马斯克今天稍早在X上发布的消息,该公司计划于当地时间 11 月 18 日,进行“星舰”的第二次发射。“星舰”被推迟至 18 日发射,原因是需要更换格栅翅片执行器(grid fin actuator)。

早在 2023 年 4 月 20 日,SpaceX的星舰,曾尝试挑战首次入轨级测试。按照计划,此次飞行最大轨道高度超过 200 千米,史上最强运力火箭将正式登上航天舞台。不幸的是,发射几分钟后,星舰在空中逐渐失去控制,随后解体爆炸。通过事后的记录视频可明显看出,并联的发动机连续出现了异常关机,最终导致星舰失去稳定、剧烈爆炸。

星舰共有33台猛禽发动机。图为上一次发射时,舰体爆炸前发动机的工作情况。图片来源:SpaceX

经过几个月的蛰伏,改进后的星舰有望在明天再次尝试入轨级轨道飞行。如果这次飞行能够成功,星舰能否开启航天新纪元?

航天史新纪录

相比此前的各种飞“船”,星舰的确大到了可以用“舰”来形容。单看账面指标,星舰整体高达 120 米,直径 9 米,总重 5000 吨,起飞推力达到 7500 吨,已经远超传奇登月火箭土星五号和正在服役的登月火箭太空发射系统。

测试中的星舰,图中的塔架高度相当于60层高的楼。图片来源:spaceflight

从运载能力方面来看,它可以运输 150 吨载荷到近地轨道,如果不考虑回收复用,可达 250~300 吨。此外,星舰还可执行百吨级地球同步转移轨道、地月转移轨道和地火转移轨道任务,是个多面手。在完成载人任务时,星舰最多可容纳 100 名宇航员工作生活,也大幅超过了普通载人飞船的 3~6 人。

基于 SpaceX 的猛禽系列发动机和火箭回收复用技术,星舰再进一步,可实现全箭复用,是航天史上首创。结合廉价的不锈钢主体结构、更易获取的液氧甲烷推进剂、相对简单的发射塔架,星舰的单次发射成本有望低于普通火箭。

按照马斯克的说法,未来目标是把平均发射成本压缩到 100 万美元。这意味着货运为单价 10 美元/千克,客运单价为 1 万美元/人。目前的国际航天货运和客运报价约为 1 万美元/千克和 8000 万美元/人。对比来

早在此前的 SN10 测试任务中,星舰已初步验证了回收着陆技术。图片来源:SpaceX

星舰的设计理念基本颠覆了传统的载人航天任务执行方式。在与重型火箭一级分离后,装有 6 台猛禽发动机的星舰依然拥有很强的自主飞行和变轨能力。猛禽发动机也是世界上首款实用化的液氧甲烷火箭发动机,从技术上看也是首款全流量分级燃烧火箭发动机,在变推力控制方面有着较大灵活度。

在返回地球表面时,星舰将通过这些可变推力发动机精准控制垂直降落过程,最终落回发射塔架,被大型机械臂夹住或降落于地面。这基本摆脱了传统飞船对于气动减速的依赖,也不再需要庞大的降落伞系统。在经过简单改进后,星舰可用于月球着陆和火星着陆,通用性极强。

综合看来,星舰是航天领域内的一个新的“物种”,在很多方面实现了颠覆性的创新,达到了新的高度,对于整个人类航天事业都有很大的启发作用。

应用潜力广阔

正因较强的着陆能力,在美国宇航局(NASA)正推进的“阿耳忒弥斯”重返月球计划中,星舰拿到了至关重要的载人登陆月球合同。

按照设计,星舰的 HLS 版本将会在深空中与月球空间站(或猎户座飞船)分离,携带宇航员和大量科研设备登陆月球表面,再从月球表面起飞返回,成为空间站与月球表面的定期“航班”。设计的星舰 HLS 版本的往返月球总重达到 100 吨,远超 NASA 提出的 1~2 吨级别,更多的运力空间将会大幅提升宇航员在月表执行任务的复杂性,有助于更全面、更深入地开发利用月球。

星舰的HLS版本,将会是“重返月球”的关键一步。图片来源:NASA

在马斯克一直提到的“移民火星”梦想中,星舰也是决定成败的核心运载工具。

按照这个疯狂的想法,廉价的星舰配合近地轨道执行推进剂补加任务的“油舰”,将逐批次运送物资到火星着陆,日积月累后最终达到百万吨物资级别,足够维持小型社群的可循环生活。如果再辅以火星原位资源开发技术,逐渐改造火星并非奢谈。火星着陆技术,一直是这一切的最大掣肘。星舰若能成功测试,意味着马斯克离这个梦想走了不小的“一大步”。

当然,从设计方面,目前版本的星舰还是以服务于近地空间为首要目标。

从科学研究方面来看,一个有很大尺寸和运输能力的运载器具,将对天文观测和行星探索等任务有颠覆性改变,且低廉的发射价格将让科学家把有限的预算集中于研发科研载荷。

例如,星舰可搭载超大尺寸空间望远镜升空,远超此前。对于木星、土星等遥远星球的探索,无论是星舰“空中加油”,还是星舰运输一个独立上面级的方式,都有助于大幅增加探测器的质量预算,从而携带更多先进仪器深入探索这些神秘的行星,揭开太阳系的面纱。

未来星舰的常态化发射模拟效果图。图片来源:SpaceX

而以测试目标来看,星舰成为地球上“洲际运输系统”的理念可行性也很大。按照测试计划,星舰组合体从美国南部的博卡奇卡起飞,在 172 秒后完成使命的火箭一级与星舰分离后返回并着陆,星舰开始自主飞行,最远距离地表约 250 千米,在测试完一系列技术,约 75 分钟后在夏威夷附近海域开始受控再入,全程约 90 分钟。

如果把这次旅程想象成一架民航客机,效果如下:改装后的可乘坐 200—300 名乘客的洲际客运版本星舰,可在两小时内完成到地球任一地点的飞行,如果机票价格控制在 1—2 万美元,附带一次地外失重俯瞰地球之旅,相信这个特殊的“民航客运”市场将会吸引众多消费者体验。

总体而言,低价格、强运力、适用性是星舰的三大核心竞争力,有望在多个航天领域改变游戏规则。

“炸”出来的火箭

星舰的研发并非一切顺利,一大特色就是“炸”。由于绝大部分是自筹经费, SpaceX 并没有太多讨好投资人的压力,基本是边极限测试边快速迭代的研发理念。从一开始,很多研发条件就基于这个逻辑建立。

星舰的测试环境和场地远不是传统航天研发留给大众的高精尖印象。图片来源:SpaceX

例如,测试场地选择了美国南部得克萨斯州的博卡奇卡海滩,这里基本是一片荒芜,员工吃饭都要从半小时车程外的小镇订餐。星舰的简陋组装车间、发射塔架和保障系统,就在这个便宜又荒凉的地方开展。已经建造完毕的星舰,也被直接拉出去暴露于室外,节省了不少仓储的成本。

很多测试注定是要把火箭测试到爆炸,星舰因而广泛采用了相对廉价的不锈钢材料建造,批量生产的猛禽系列发动机价格低至 25 万美元,SpaceX 还研发了更廉价但性能更好的隔热瓦,总体上大幅节约了星舰的建造成本。再开个玩笑,不断炸掉老版本,也节省了不少维护和储存费用。

在这种逻辑下,SpaceX 从星舰最早的星虫版本,共计炸掉或退役了 32 个测试原型机,甚至曾经首飞测试的星舰也仅是一个编号“SN24”,已经炸掉。与它相近的版本“SN25”已完成了各种测试,“SN26”和“SN27”也建造完毕,进入测试流程,后续的各测试版本也在设计迭代中。因而,飞行测试的爆炸并不意味着星舰的研发到此结束,还会有更多“爆炸”在路上。

星舰,很有可能开启航天领域的新纪元,未来人类航天会走向何方,我们仍会拭目以待。(科普中国)

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