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历史头一回!马斯克用“筷子”夹住了太空飞船

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出品 | 网易智能

作者 | 小小

编辑 | 王凤枝

人类航天头一回!从太空回来的星舰飞船,被发射塔的“筷子”稳稳接住了。


图:飞船翻转并被塔架捕获(来源:SpaceX)

北京时间11月15日清晨,SpaceX星舰第15次试飞(Flight 15)的上面级飞船Ship 42走完了最后一段返航路:在轨绕地球飞行14圈、历时约22.5小时后,它重新闯入大气层,完成姿态翻转和着陆点火,最终稳稳落进发射塔机械臂的怀里。此前,SpaceX虽已多次用机械臂接住超重型助推器,但捕获经历完整轨道飞行和再入高温考验的上面级飞船,还是历史首次。

不过,这次试飞并没能实现SpaceX期待的“双回收”。同一次任务中,编号Booster 22的超重型助推器在返场途中自动中止塔架捕获,转向墨西哥湾备用海域,最终未能回收。

01绕地14圈、闯过三道检查关,57分钟精准返航

北京时间11月14日6时47分,星舰从美国得克萨斯州星港发射升空。Ship 42与超重型助推器完成级间分离后,继续飞向约275公里高的近地轨道。按照任务计划,飞船绕地球飞行约14圈,在释放26颗星链V3卫星后继续在轨运行,等待返航窗口。

图:星舰点火升空(来源:SpaceX)

真正困难的考验在返程阶段:飞船需要先执行离轨点火,降低轨道高度并切入大气层;随后依靠机身和襟翼产生的气动阻力减速,在接近发射场时调整姿态、重新点燃发动机,完成经典的“腹部翻转”和动力着陆,最后精准对准塔架上的机械臂。北京时间11月15日5时19分左右,Ship 42完成着陆点火并被机械臂稳稳夹住,从离轨点火到最终捕获全程历时约57分钟。

在此之前,SpaceX已在Flight 5、7和8等任务中实现过超重型助推器的塔架捕获,共有3枚V1版本助推器被成功接住,其中2枚还完成了复飞。但飞船的返回难度与助推器不在一个量级:助推器主要靠发动机完成回推和减速,飞船则必须扛过长时间在轨运行与高速再入大气层的极端高温,把速度和姿态控制在极窄的窗口内,才能安全进入发射塔的捕获区。

为降低风险,SpaceX在这次任务中设了三道关键检查关口,分别位于发射后约1小时27分钟、7小时15分钟和20小时41分钟。飞控团队会根据飞船状态决定是否放行返场程序:只要再入机动、着陆点火或塔架接近所需的关键系统有一项不达标,飞船就会放弃飞回星港,改去预设海域溅落。这一次,Ship 42顺利闯过了全部三道检查。

02助推器为什么没回来?燃料余量给出初步答案

相比Ship 42的顺利回家,首次尝试塔架捕获的V3版超重型助推器Booster 22却在半路折戟。

级间分离后,Booster 22正常执行了回推点火并转向星港方向。但在返场途中,飞控系统判定其位置不满足捕获条件,随即自动取消塔架捕获程序,将其引导至墨西哥湾备用海域。助推器在着陆点火结束、发动机关机后触发飞行终止系统,最终落入海中。SpaceX发言人丹·休奥特(Dan Huot)表示,制导、导航与控制系统均按预期工作,至于助推器为何偏离预定位置,团队仍在做进一步排查。

图:助推器改道后着陆点火(来源:SpaceX)

马斯克随后根据初步情况解释称,症结出在助推器的燃料余量略低于预期,而发动机表现稍逊于预期是导致燃料吃紧的原因之一。超重型助推器在返航阶段必须预留足够的推进剂,用来完成回推、姿态调整和最后的着陆点火;发动机性能只要稍有偏差,留给最后着陆阶段的燃料余量就会被压缩。

针对这一问题,马斯克提出的改进方向包括提升猛禽V3.2发动机的性能及一致性,同时将一级主发动机关机节点(MECO1)提前约1秒,为回推和着陆多留一些推进剂。他还解释了返场画面中绿色火焰的原因:发动机再生冷却回路中的燃料耗尽,主燃烧室进入富氧状态,铜质部件燃烧,因而出现绿色火焰。

这也是V3版超重型助推器第一次尝试塔架捕获。相比此前积累了回收经验的V1版本,V3对结构和回收系统做了不小改动:栅格舵从4片减为3片,单片面积增大约50%,安装位置和内部结构也做了重新调整。

马斯克表示,下一枚助推器已接近准备就绪。自动中止程序虽然让Booster 22未能返场,但避免了助推器带病撞向发射塔,否则一旦损毁地面设施,后续试飞进度可能要耽误2至3个月。

03 26颗星链V3入轨,其中3颗顺手给飞船拍“体检照”

除回收验证外,星舰还在这次任务中完成了商业载荷交付。发射约35分钟后,Ship 42开始释放26颗第三代星链(Starlink V3)卫星,整个过程持续约43分钟,全部部署到位。这是星舰继Flight 14之后,连续第二次一次送入26颗V3卫星。

Flight 14部署星链卫星的资料画面。

单颗V3卫星的体积和重量大幅增加,可为星链星座新增约1Tbps的通信容量。算下来,星舰这一趟放出的26颗V3卫星,新增容量抵得上猎鹰9号火箭发射约10次V2 Mini卫星。卫星释放后,还需展开天线和太阳能阵列,通过射频和激光链路组网,并靠自身推进系统爬升轨道,预计在数周内完成在轨检查并投入服务。

有意思的是,这批出舱的26颗卫星里,有3颗专门经过了改装,搭载着用于观察星舰热防护罩的摄像设备。它们在太空中从不同角度给Ship 42拍下照片并传回地面。这些照片与地面追踪相机的画面互为补充,帮助飞控团队判断热防护罩状态是否适合执行再入和返场。

04飞船被接住之后,真正的考验才开始

Ship 42被机械臂稳稳接住,只是走完了回收的第一步;要实现高频重复使用,接下来还得看地面检查和翻修要花多长时间。

热防护系统是翻修检查的头号难关。在早先的多次试飞中,星舰曾频频出现隔热瓦脱落、破损和局部过热等问题。Flight 15沿用了上一发的改进方案:在高风险区域增加隔热瓦固定机构,封堵可能让高温等离子体钻入瓦片背后的薄弱流道,并在更大范围内换用弧形隔热瓦,以降低瓦片接缝处的热负荷。虽然再入前卫星和地面相机拍摄的画面状态良好,但隔热瓦经受完整再入和动力着陆后的真实损耗,仍待飞船下塔后的实物拆检。

经历多次启停的猛禽发动机同样要接受严苛体检。星舰采用液氧和液态甲烷作为推进剂,飞船和助推器在单次任务中要多次点火和关机;要想把维护成本压下来,发动机必须扛住反复的热循环与高负荷运转。

在打磨V3回收稳定性的同时,SpaceX也在推进下一代星舰V4。马斯克此前透露,V4计划采用更长的飞船构型,并增加3台猛禽真空版发动机,使整套星舰系统的发动机总数从V3的39台增至42台,目标是争取在2027年首飞,完整的技术参数目前尚未公布。

05太空加油站,星舰必须建起来

如果说塔架回收解决的是发射成本,那么“在轨加注”决定的就是星舰能不能飞去月球。

由于星舰月球着陆器(Starship HLS)体积和质量庞大,从地球起飞时无法一次性带够全程所需的推进剂。SpaceX的方案是先往近地轨道发射一艘推进剂储存飞船,相当于在太空建一座“临时加油站”;随后连续发射多艘加油型星舰,在轨道上与储存飞船交会、对接并注入液氧和液态甲烷;等燃料攒够了,月球着陆器再升空与之对接加满燃料,启程飞往月球。

在微重力环境下给航天器加注燃料,远比飞机的空中加油棘手:液氧和液态甲烷必须在极低温下保存,转移过程中还要解决推进剂沉降、液体晃动、贮箱压力控制和管路冷却等一连串难题。

2024年3月的Flight 3任务中,星舰在飞行期间完成了内部贮箱之间的低温推进剂转移。但单船内部倒罐,与两艘飞船在太空中精准对接、连通管路并长期保冷传输,难度仍不在一个层级上。按照NASA监察长办公室今年3月审查报告披露的规划架构,为完成一次登月任务,SpaceX需要先发射1艘轨道储存飞船,再以大约每6天一发的频率,连续发射10余艘加油型星舰补给燃料,整套燃料汇集工作甚至要在载人发射前200多天就提前启动。

06 2028年登月,SpaceX还要赶时间

星舰的闯关进度,直接关系到NASA阿尔忒弥斯载人登月计划能否按期推进。

在2026年公布的最新安排中,NASA调整了任务节奏:计划于2027年执行的阿尔忒弥斯III不再直接登月,改为约14天的近地轨道测试,由4名宇航员乘坐“猎户座”飞船升空,与包括星舰测试船在内的商业月球着陆器进行交会、对接和通信控制验证(期间宇航员留在猎户座内,不进入星舰);真正的载人登月则顺延到了2028年初的阿尔忒弥斯IV任务。

即便时间表往后挪了一步,留给SpaceX的窗口依然很紧。NASA监察长办公室在今年3月的报告中指出,星舰月球着陆器仍面临不小的进度与技术挑战,尤其是低温推进剂管理与在轨加注的复杂度极高,其测试进展仍可能牵动2028年的登月大局。

而在去太空建加油站、去月球演练无人着陆之前,停在得州星港的Ship 42先得回答一个眼前的现实问题:经过结构检查、发动机维护和隔热瓦评估后,这艘第一次被“筷子”接住的飞船,到底要花多长时间才能再次点火升空?

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