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星舰推进为什么飞快?SpaceX干航天反着来

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  航天新观察2021/05/06

  第 321期

  【《航天新闻》5月5日报道】在此前4枚均于飞行过程中或着陆后不久被毁后,SpaceX公司星舰原型试验箭5月5日成功完成了一次短暂的亚轨道试飞。编号为SN15的试验箭飞到了约10公里的高度,然后转入下降阶段,并于起飞后6分钟落回到试验场。火箭底部着陆后出现了火情,但几分钟后被扑灭。

  SpaceX在其网站上说,SN15试验箭在结构、航电与软件和发动机方面均有改进,“从而允许在生产和飞行时提高速度和效率”。改进包括采用新的经强化的航电设备、升级后裙体内的推进剂架构以及采用新的“猛禽”发动机设计和配置。该公司尚未透露其是否打算让SN15再次升空飞行。编号为SN16的一枚新原型即将在该公司位于博卡奇卡的设施完工。

  星舰将作为SpaceX下一代运载系统的上面级使用。在执行轨道飞行任务时,它将由名为“超重”的一款大型助推器发射,而后者仍在研制之中。

  宙叔评论

  星舰原型机试飞,4枚爆炸才换来1枚稳稳的着陆。今天的试飞场景用吃瓜群众的语言可以描述为:跟马斯克身材差不多比例、大出N号的那个不锈钢全家桶,终于安全着陆在德州民工兄弟随手搭建的发射工地上了!马斯克也发出感叹“Starship landing nominal!”意思是试飞按既定计划顺利完成,可以称作一次真正意义上的成功了。

  先回顾下2021年3月SN10原型机试飞状态。SN10完成了着陆且刚着陆时没有爆炸,但箭体尾部小火苗从着陆过程中就开始燃烧,着陆后又烧了10分钟,最后箭体彻底爆炸了。当时业界对这种从未见到过的试飞结果给出的结论并不同统一,有的认为成功了,有的认为失败,也有说一半成功一半失败。当时确实不好定论,因为没见过这个炸法的。当然,相比之下,SN8、SN9、SN11是彻底的爆炸失败,前两者触地速度过快且触地姿势不对,SN11则还没触地,身处厚厚的云层下降过程中就发生了爆炸,就像一个空中引爆的炸弹,甚至有碎片击中了附近的汽车,目前给出的原因是燃料泄露烧毁了发动机电子部件导致发动机硬启动。硬启动意味着发动机在压力或其他指标不正常的情况下按照程序强行点火工作,结果发生了爆炸。

  实际上,SN15这次试飞从画面上看,同样出现了燃料泄露的情况。箭体在着陆前后都有火苗于底部燃烧,这个情况和SN10非常相似。好在SN15着陆触地瞬间速度控制住了,使得箭体结构等各方面保持了正常状态。此前SN10触地时速度并没有完全降下来,接近10m/s的对地速度对于星舰这个庞然大物来说是非常快的,因此导致了SN10的一个支腿被压碎,箭体尾部裙翼遭到部分破坏。若是速度没减下来,预计SN15的后果会与SN10相同。

  SN15原型机的试飞是马斯克“在试飞中发现问题并不断迭代”理念的进一步实践,所有SN系列原型机也都会依照这个思路进行。通过之前试飞的经验和教训,SN15上有大量的改进,改进瞄准方向很明确:发动机正常重启反推减速,触地时速度降为0,同时燃料别再泄露,避免烧毁箭上设备。

  根据马斯克的表述,如果NASA能在2024年前往月球,星舰可以帮助NASA将宇航员从月球轨道送至月球表面。虽然星舰+“超重”的系统组合自身就可以完成载人月球轨道观光、甚至载人登陆火星的任务,但NASA在4月16日授予SpaceX公司价值29亿美元的合同仅限于从月球轨道到月面的人员转移。根据目前研制进度,星舰实现这一能力会非常容易。而且,星舰的“超重”运载器凭借其超过7千吨的推力,再加上在近地轨道实施燃料接力加注,是完全可以把星舰先送到月球轨道的,工具就位的问题不用NASA操心。

  然而,这个合同因为遭抗议而暂停执行了。落选的抗议各方,也不知道他们抗议的底气是哪里来的。蓝色起源公司,“蓝月亮”着陆器目前仅仅拿出一架展示用的半模型原型机;Dynetics公司,着陆器还在PPT上,原型机的设计情况都没公布过。可以看出,研发理念的不同对于航天系统研制进度有着非常大的影响,蓝色起源公司和Dynetics公司还在用传统的航天工程模式和经费规模开展工作,落伍了。虽然NASA也希望百花齐放百舸争流,但各家差距实在太大,将有限资金投入SpaceX公司的运载器能够更快实现重返月球、探测火星,以及火箭系统和工业的划时代的转型。“敌军围困万千重,我自岿然不动。”SpaceX和马斯克有点这个劲儿了。你们干你们的,我干我的;炸或不炸,蓝图都在那里。

  星舰、以及SpaceX其他航天工程的推进为什么这么快?SpaceX通过颠覆式的航天系统研制模式不断突飞猛进,除它之外的全球航天实体都处于传统研究流程和模式下,概念阶段、方案设计、初样、试样、正样、地面试验等等在内的航天飞行器离开地面前的环节一个也不能少,而且每一环节都要由项目管理团队带领一批又一批专家团队反复评审从而认定技术状态并进入下一个环节。这么做就一个目的——确保试验飞行能够成功,证明设计、研制以及各个评审阶段和团队工作的正确性,最终完成项目工作。但马斯克是反着来的,都不是弯道超车了,而是逆行。根据他的对外释放的意思,SpaceX公司所有的试飞失败都为意料之中,正是要通过试飞发现问题。这个思路其实也不难理解,因为在地面上长时间地不断论证、推断和试验的过程也是消耗巨大成本的,不如飞上去直接发现问题,直接改进,这么做反而缩短了周期,也就节省了资金成本。道理虽然简单,但目前敢这样干的火箭公司只有SpaceX。

  今天还有一条新闻。蓝色起源的首次亚轨道商业飞行终于定下日子,7月20日,其中一个座位的所有权将通过网上竞拍确定。但它的热度似乎已经被星舰试飞压下去了。毕竟,蓝色起源的新谢泼德火箭(New Shepard)只能送人去距离地面100公里的高处,而星舰的下一站是火星。

  蓝色起源的火箭名字源自艾伦·谢泼德(Alan Shepard)。60年前的5月5日,他乘“自由7号”飞船升空遨游太空,成为美国第一位进入太空的宇航员。他的继承者们,正在以不同方式延续载人飞天梦想。

  是的,梦想贵在坚持,贵在胆大,以及有钱。

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