北京時間 3 月 4 日凌晨,馬斯克的 SpaceX 又完成了一次星艦 Starship 原型機試飛。
這次代號為 SN10 的原型機終于不負眾望,圓滿完成了起飛、空中轉體、空中引擎熄火并重新點火以及最困難的降落回收。胖胖的飛船穩穩地落到了指定地點。
可就當人們認為任務圓滿成功,SN10 創造歷史、功成身退之際,原本安安靜靜矗立在降落點的飛船突然爆炸,巨大的推力將其炸飛到半空中。
最后,在耀眼火光和直播觀眾的驚呼聲中,飛船摔得粉身碎骨。
圖 | SN10 爆炸瞬間(來源:SpaceX 官網)
飛船的爆炸是所有人都沒預料的意外狀況。當時是飛船落地后的 8 分鐘左右,SpaceX 官方直播已經停止,是一些航空航天愛好者的直播頻道捕捉到了這一瞬間。
飛船爆炸后,SpaceX 和馬斯克并未在第一時間給出回應或具體原因。許多人猜測,爆炸或許是甲烷泄露所致。
此前,SN8 和 SN9 兩次試飛均留下小遺憾,一次是降落速度太快,另一次是飛船船身傾斜角度過大,最終結局都是被炸得粉身碎骨。
SN10 似曾相似的謝幕方式,彷佛是 SN 系列飛船的命運在冥冥之中早已注定。
無論怎樣,這次 SN10 的成功著陸依舊值得慶祝。這標志著 SpaceX 又完成了一項具有里程碑意義的飛行測試,Starship 原型機的操控技術得到了系統性驗證。作為肩負 SpaceX 載人登陸月球和火星夢想的原型機,SN10 的成功降落無疑給了 SpaceX 莫大的鼓舞。
“一次漂亮的著陸,我們實現了此次試飛想要實現的全部既定目標,”SpaceX 在直播中表示,“祝賀我們的 Starship 團隊!SN11 測試也將在不久之后展開。”
除了如此戲劇性的結局,此次發射還有一個小插曲。發射日當地下午 2 點左右,SN10 第一次試飛努力在倒計時最后 0.1 秒突然中止,當時引擎已經點火,但電腦控制系統發出了中止指令。
SpaceX 對此進行了緊急調查,馬斯克隨后發推表示,問題出在火箭推力標準設定上,數值設置的有些 “保守”,因此需要提高火箭的推力限制。好在試飛窗口還有不少時間,最終完成了第二次測試。
從 SN1 到 SN10
從 2020 年開始,SpaceX 的星際飛船原型 SN 系列便開始了試飛之旅,從 SN1 到如今的 SN10 經歷了種種測試,也屢遭失敗。即便如此,SpaceX 也沒打算停止對星艦 Starship 的探索。
去年 2 月到 4 月,未裝載前錐和引擎的 SN1、SN2、SN3 相繼進行了液氮推進劑裝載和低溫壓力測試,但出現了爆炸、泄露和機身扭曲變形等問題,測試以失敗告終,原型飛船無法重復使用。
SN4 是首個通過低溫載荷測試的原型機,SpaceX 當時表示要用它進行飛行測試,但遺憾的是,SN4 未能完成后續的靜態點火測試,出師未捷身先死,一片火光將飛船撕成了滿地碎片。
時間來到 8 月份,繼承 SN4 衣缽的 SN5 和 SN6 進行了改良和升級,兩臺原型機均成功升空 150 米,試飛時間持續約 1 分鐘并成功落地。功成身退的兩臺原型機在 2021 年初被拆解。
到了 SN7 這一代,SpaceX 采用了與前幾代不同的材質用料,把此前原型飛船所使用的 301 不銹鋼,替換成了 304L 不銹鋼,也就是我們日常生活中常見的不銹鋼鍋的材質。測試成功后,將來的新星艦都將改用 304L 不銹鋼。馬斯克曾發文表示,“雖然它不是最輕的材料,但更便宜。”
按照馬斯克的說法,這與其他由碳纖維材料制成的火箭相比,讓星艦的生產更具成本效益,也更快。碳纖維的價格是每公斤 135 美元,在制造過程中 35% 的碳纖維都會變成廢料,綜合成本達到每公斤 200 美元以上;而不銹鋼每公斤才 3 美元,合理使用也能提供高強度和隔熱性能,每艘星艦的制造成本可降低至 500 萬美元,而且制造效率很高,堪稱是一次大膽的嘗試。
為了測試性價比最高的材質,找到星艦原型的性能極限數據,SpaceX 成功進行了數次 “故意爆炸試驗”,由代號為 SN7.1 和 SN7.2 兩臺罐狀測試機執行,鋼材厚度分別是 4 毫米和 3 毫米。
最終,經過長達 7 小時左右的低溫加壓測試,SN7.1 在巨大壓力測試下崩潰,而 SN7.2 通過了一次低溫加壓測試,但在第二次測試中出現泄漏問題,目前在等待下次測試,也可能是直接拆解。
SpaceX 星艦在經歷超過七次(SN 原型機之前還有更早的 Mk 系列原型機)的迭代升級后,于去年 12 月挑戰了 12.5 千米高空試飛,飛船代號 SN8。
試飛過程令人印象深刻,它的起飛、上升、空中轉體都十分順利,在達到既定高度后開始以 95% 的自由落體返回地面,正如體操運動員那樣,回落的過程中還在空中進行了一個優雅的翻轉。
然而在落地過程中,SN8 雖然調整為垂直姿態,但未能順利減速,導致落地速度過快,飛船徑直撞向地面并炸毀,功虧一簣。
SpaceX 事后表示,事故原因是裝有著陸推進劑(甲烷)的燃料箱出現失壓問題,因此用于著陸的引擎沒有獲得足夠燃料,未能產生有意義的推力。此外,一些人觀察到引擎產生了綠色火焰,SpaceX 解釋稱,這也是由于甲烷供給不足,導致一臺引擎內部的銅開始燃燒。
盡管 SN8 最終墜毀,可馬斯克和 SpaceX 一致認為試飛算得上成功,畢竟是試飛項目,除了著陸,其他部分都圓滿完成,成功展示了大多數主要的測試目標,拿到了許多寶貴的測試數據。
等到今年 2 月的 SN9,它和前輩 SN8 執行的任務幾乎一致,包括依次關閉發動機,將推進劑從主油箱轉移到降落用副油箱,通過 “Belly Flop” 腹部朝下的翻轉動作以實現空中轉身,以及通過火箭上的四個襟翼實現空中控制降落。唯一的不同點是 SN9 的飛行高度只有 10 千米。
人們期待 SpaceX 能從 SN8 的爆炸中吸取經驗,但并未得償所愿。在最后著陸階段,SN9 本應啟動兩個引擎控制姿態并減速,但其中一個未能正常啟動,導致飛船姿態出現了大角度傾斜,隨后在尚未垂直的狀態下高速撞擊地面,引發爆炸。
承載火星殖民夢想的星艦
盡管 SN10 最終以爆炸收尾,但它的成功著陸至少說明 SpaceX 解決了前兩次著陸失敗的問題,也標志著它離登陸月球和殖民火星的夢想更近了一步。
與 SpaceX 旗下的常規火箭垂直回收相比,SN 系列星艦的體型偏胖,因此需要一種特殊的空氣動力學來幫助其平穩降落。這就是安插四個 “小翅膀” 的作用所在,它們能夠在空中輔助滑翔,快速調整飛行器的姿勢和方向。
在人類航天史上,真正投入實用且帶著 “翅膀” 具備滑翔能力的太空飛船并不多,讓人印象最深刻的就是航天飛機,不過,航天飛機彼時還是參照了飛機的外形設計,而 SpaceX 星艦的設計就另辟蹊徑,它打破了固有的太空飛船樣式,然后與自家比較成熟的火箭回收技術相結合,形成了一套獨具特色的返航方案,且成本大大降低。
星艦作為 SpaceX 面向未來的下一代發射載具,在 2017 年 9 月由馬斯克正式公布了比較確切的計劃,它未來可代替獵鷹 9 號、獵鷹重型運載火箭以及載人龍飛船等,不僅可執行地球軌道任務,也可完成登陸月球以及火星的任務,該火箭系統曾被命名為 “BFR”,即 “Big Falcon Rocket” 的縮寫,到目前,SpaceX 官網已將這套發射系統統稱為星艦。
整個火箭的高度約為 120 米,該發射系統的第一級助推器稱為超級重型(Super Heavy),長 70 米,或將搭載 28 個猛禽火箭發動機,總共提供約 72 MN 起飛推力;第二級飛船則稱為星艦(Starship),長 50 米,能夠將裝有 100 噸的有效載荷送上地球軌道,不僅能夠往返地球大氣層重復使用,而且還能在軌加注燃料,該飛船將最終裝有 6 臺猛禽發動機,其中包括 3 臺針對海平面推力進行優化的發動機,以及另外 3 臺針對太空真空環境進行優化的發動機。
如果說登陸火星的目標仍然比較遠,那么重返月球可能是即將到來的壯舉,按照美國國家航空航天局(NASA)制定的阿爾特彌斯 (Artemis) 登月計劃,人類將有望在 2024 年再次登月。
2020 年 5 月,NASA 已將三份合同交給商業供應商,進行開發月球著陸系統。該系統將在五年內將宇航員帶到月球表面,SpaceX 的星艦飛船便是其中之一,在總額近 10 億美元資助中,藍色起源獲得 5.79 億美元,Dynetics 團隊獲得 2.53 億美元;而對 SpaceX 的資助最少 ,僅有 1.35 億美元。
NASA 授予 SpaceX 合同曾讓不少人感到驚訝,他們對 SpaceX 雄心勃勃的項目一直持懷疑態度,因為馬斯克曾表示要建造數百艘星艦來定居火星,這聽起來像是癡人說夢。不過 NASA 局長吉姆?布里登斯坦(Jim Bridenstine)對此曾回應稱,美國宇航局不能忽視這一系統的潛力。“為什么要給他們簽合同?答案是因為 SpaceX 確實擅長迭代測試和改進,他們的設計方案具有變革性,有望極大降低登月成本,增加開發月球的機會”。
星艦一體成型的設計集成了充沛的動力系統,較大空間的載人艙和貨倉,還能通過在太空中進行燃料補給往返月球,如果成功無疑是一種理想的星際旅行選擇。
SN10 的成功著陸,也正式揭開了星艦的新篇章,馬斯克距離實現自己的星際移民夢更近了一步。
-End-
原文標題:功敗垂成!SpaceX星艦SN10成功著陸,卻意外爆炸
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