出師不利 星艦重整旗鼓備復(fù)飛

文/田豐

北京時間4 月20 日21 時許，美國太空探索技術(shù)公司研制的新型運載火箭“星艦”在美國得克薩斯州博卡奇卡的自建發(fā)射場點火起飛?；鸺蘸蠹窗l(fā)現(xiàn)一級有多臺發(fā)動機工作不正常，升空85 秒后火箭姿態(tài)失穩(wěn)并開始旋轉(zhuǎn)，最終解體爆炸，發(fā)射宣告失敗。雖然未能完成首飛目標(biāo)，但“星艦”技術(shù)指標(biāo)的確刷新了運載火箭的指標(biāo)紀(jì)錄。那么“星艦”采用了哪些新技術(shù)、新設(shè)計？這款運力強悍的運載火箭有著怎樣的應(yīng)用前景呢？

▲ 星艦首飛

▲ 升空85 秒后火箭姿態(tài)失穩(wěn)并開始旋轉(zhuǎn)，最終解體爆炸

首飛不順，自毀解體

“星艦”全箭直徑9 米，高約120 米，箭體材料主要采用不銹鋼。第一級被稱作“超重型助推器”，高達69 米，可加注推進劑3400 噸，起飛總推力達到了驚人的7590噸，是“阿波羅計劃”使用的土星5 號重型火箭的2 倍多。第二級實際上是特殊的飛船，高約50 米，可加注推進劑1200噸，推力1500 噸左右。此外，“星艦”取消了整流罩，在第二級頂部設(shè)置有類似航天飛機的可開合式載荷艙，因此具備一定的載荷下行能力。

為了驅(qū)動龐大的箭體，“星艦”全箭共使用了36 臺海平面推力230噸的“猛禽”液氧甲烷發(fā)動機和3 臺真空推力285 噸的真空版“猛禽”，這也是人類首款實用化的全流量分級燃燒循環(huán)發(fā)動機。太空探索技術(shù)公司宣稱“星艦”在兩級全回收模式下的近地軌道運力不低于100 噸，一次性發(fā)射模式下運力最高可達250 噸。

▲ 此次首飛的“星艦”一級B7 進行靜態(tài)點火的實拍畫面 來源：SpaceX

▲ 此次首飛的“星艦”二級S24 進行靜態(tài)點火的實拍畫面 來源：SpaceX

▲ 左：海平面版猛禽發(fā)動機，右：真空版猛禽發(fā)動機 來源：SpaceX

▲ “星艦”二級頭部密布的隔熱瓦 來源：Nasaspaceflight

按照原定的首飛計劃，“星艦”在火箭一二級順利分離后，其第一級像獵鷹9 火箭第一級返場回收一樣，完成調(diào)頭、點火、反推等流程。不過，出于安全性考慮，此次“星艦”第一級實際上不回收，而是下落至距發(fā)射場不遠的墨西哥灣海面上，再次啟動反推，并緩緩落海?！靶桥灐钡诙墑t在繞地球飛行大半圈后再入大氣層，并以類似航天飛機的姿態(tài)返回，隔熱瓦在承受再入高溫后，保護第二級進入大氣內(nèi)滑翔并最終墜落于夏威夷附近海面，完成驗證使命。嚴(yán)格意義上，原計劃中“星艦”第二級并未完全進入繞地軌道，但“星艦”若想入軌，只需第二級稍微推遲關(guān)機并抬高軌道近地點即可。選擇“半圈再入”，是為了更穩(wěn)妥地驗證防熱、再入等性能，避免猛禽二次啟動失敗帶來的風(fēng)險。

但實際發(fā)射中火箭一二級尚未分離就已告失敗，而發(fā)射過程也確實有多處異常。根據(jù)馬斯克公布的初步調(diào)查情況，起飛階段就有3 臺發(fā)動機因狀態(tài)不佳而沒有啟動，因此導(dǎo)致火箭推力損失。從直播視角可見，火箭升空離架過程緩慢，推力不平衡也導(dǎo)致火箭起飛姿態(tài)傾斜，好在后續(xù)飛控進行了修正。起飛后27 秒，一臺猛禽發(fā)動機發(fā)生爆炸，并殃及周邊發(fā)動機防熱板，導(dǎo)致其他發(fā)動機也異常關(guān)機。根據(jù)設(shè)計，“星艦”一級發(fā)動機的中圈10 臺和內(nèi)圈3 臺發(fā)動機可在液壓裝置驅(qū)動下進行雙向擺動，加之飛控的自適應(yīng)控制，實現(xiàn)箭體轉(zhuǎn)彎，維持姿態(tài)以及彌補推力不平衡的作用。然而該系統(tǒng)在發(fā)射后第85 秒出現(xiàn)致命問題，液壓裝置失效導(dǎo)致發(fā)動機無法擺動，之后箭體姿態(tài)開始發(fā)散并旋轉(zhuǎn)。隨后發(fā)送自毀指令，但系統(tǒng)效果未達預(yù)期，延遲40 秒后才使火箭凌空爆炸并解體。

“星艦”首飛堪稱2023 年最受關(guān)注的航天發(fā)射活動。一是因為“星艦”刷新了重型火箭諸多紀(jì)錄，從推力、起飛重量、運力等方面全面超越了航天史上所有實用化的火箭型號。二是由于“星艦”設(shè)計理念非常激進，集成了多項未經(jīng)驗證的新技術(shù)。此次發(fā)射若是成功，則“星艦”將成為航天史上第一款可完全重復(fù)使用的運載火箭，又是首款成功入軌的液氧甲烷火箭?？上觳凰烊嗽?，一二級尚未成功分離就折戟沉沙。

以飛代試，迭代改進

“星艦”的主要目標(biāo)是在獵鷹系列火箭回收技術(shù)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)以指數(shù)級降低發(fā)射成本，提高發(fā)射頻率，同時加速太空探索技術(shù)公司巨型低軌互聯(lián)網(wǎng)星座“星鏈”的組網(wǎng)發(fā)射。

不過，“星艦”的任務(wù)預(yù)計將遠不止“星鏈”項目，利用快速復(fù)用發(fā)射和在軌加注設(shè)計，有望載人駛向更遙遠的深空。2021 年4 月，“星艦”在競標(biāo)中擊敗了強勁對手，將改造為“阿爾忒彌斯計劃”的載人登月艙。此外，“星艦”還是美軍“全球快速投送”項目的目標(biāo)載具，試圖將80噸載荷在1 小時內(nèi)投送到全球任何地方。更重要的是，“星艦”將是太空探索技術(shù)公司成立以來一直宣傳的載人登火藍圖的實踐者。由此可見，“星艦”是名副其實的“重任在肩”。

▲ 直播畫面顯示最多有6 臺失效，但仔細看火箭尾部照片即可發(fā)現(xiàn)，箭頭所指還有2 臺發(fā)動機火焰偏暗

太空探索技術(shù)公司對“星艦”的研發(fā)幾乎是傾其所有。可以說，整個公司的命運都系于“星艦”項目的成敗之上。

自2002 年太空探索技術(shù)公司成立以來，馬斯克就不斷宣傳“火星夢”，變相提升了執(zhí)行載人登火任務(wù)的重型火箭關(guān)注度。隨著獵鷹9 火箭成功回收，太空探索技術(shù)公司羽翼漸豐。在2016 年國際宇航大會上，馬斯克首次公布了用于載人登火的“行星際運輸系統(tǒng)”。但因發(fā)射規(guī)模過大，技術(shù)指標(biāo)過高，導(dǎo)致后期設(shè)計方案一變再變，火箭規(guī)格也一縮再縮。

2017 年，火箭改名為“大獵鷹火箭”，指標(biāo)初步確定為近地軌道運力100 噸級，貯箱使用高強度、低密度的碳纖維復(fù)合材料。2018 年，日本富豪前澤友作斥巨資買票，宣布了“繞月之旅”計劃。不過，僅5 個月后，太空探索技術(shù)公司再次推翻了設(shè)計方案，將貯箱材料改為當(dāng)前火箭型號上少有的低成本商用級不銹鋼，并正式更名為“星艦”。

▲ 在2016 年國際宇航大會上，馬斯克首次公布了用于載人登火的“行星際運輸系統(tǒng)”。

▲ 2018 年的“繞月之旅”發(fā)布會，右側(cè)為日本富豪前澤友作

不銹鋼方案敲定后，“星艦”研發(fā)正式駛?cè)肟燔嚨馈?018 年底，“星艦”原理樣機“星跳者”曝光，試飛高度僅有數(shù)十米。從此，太空探索技術(shù)公司沿用“快速迭代”和“以飛代試”模式，建造了大量“星艦”原型箭，并開展各種試驗?？傮w來看，相關(guān)項目推進迅速，但也代價高昂，僅在10千米亞軌道試飛階段就遭遇了重大挫折，連續(xù)4 次試飛爆炸，直到原型箭SN15 才首次成功著陸。至于其他原因?qū)е抡ǖ艋驁髲U的各類試驗品、原型箭，更是數(shù)不勝數(shù)，就連理論上可以發(fā)射的SN20 與B4 組合體都因為設(shè)計快速迭代而廢棄。

不過，“星艦”項目團隊為何堅持采用長期穩(wěn)坐“冷板凳”的液氧甲烷推進劑呢？首先是液氧甲烷的推進效率高，推進劑的理論比沖高達390秒，僅次于液氫液氧推進劑。第二個主要因素是液氧甲烷推進劑燃燒無積碳，點火機構(gòu)設(shè)計更容易，便于發(fā)動機回收復(fù)用。第三，甲烷的比熱容較高，綜合冷卻性能達到煤油的3 倍以上。第四，甲烷與液氧的沸點相差不到20攝氏度，貯箱間的隔熱需求大幅下降，可以更方便地引入共底設(shè)計，減輕結(jié)構(gòu)重量。

除了以上4 點外，還要考慮到甲烷成本低廉，目前主要由天然氣提純獲取，相比液氫，堪稱“白菜價”。尤其是對于“星艦”這種需要加注數(shù)千噸推進劑的重型火箭來說，液氧甲烷推進劑的省錢效應(yīng)可謂“立竿見影”。

直播“歸零”，準(zhǔn)備再試

星艦首飛結(jié)束僅一周后，太空探索技術(shù)公司創(chuàng)始人埃隆·馬斯克舉辦了一場在線“歸零”直播，公布了部分首飛情況?？偟膩碇v，馬斯克認(rèn)為這次發(fā)射很接近他的預(yù)期。

▲ 高120 米的完整火箭，因為迭代太快，直接報廢

談及備受關(guān)注的發(fā)射臺受損情況時，馬斯克表示團隊并沒有預(yù)料到發(fā)射臺下的混凝土?xí)淮碉w，因為前期靜態(tài)點火并未導(dǎo)致類似情況發(fā)生。不過，太空探索技術(shù)公司認(rèn)為星艦發(fā)射臺的受損情況實際較小，底部坑洞可以快速填補修復(fù)。此外，發(fā)射塔狀況良好，塔架雖被多塊混凝土擊中，但并未出現(xiàn)明顯損壞。針對后續(xù)，馬斯克稱仍不考慮修建通常發(fā)射臺配備的導(dǎo)流槽，而是選擇在現(xiàn)有發(fā)射臺下方鋪設(shè)鋼板，并在鋼板下配備水冷管道。并解釋稱因為星艦的有效載荷遠離發(fā)動機（高120 米），因此導(dǎo)流槽的降噪效果并不重要。此外，研發(fā)團隊還決定加速火箭啟動和起飛過程，以防止超預(yù)期沖蝕底座的情況出現(xiàn)。

針對火箭本身，馬斯克透露星艦的結(jié)構(gòu)強度裕量超出預(yù)料，這從最后階段翻滾多圈而不解體中可見一斑。此外，星艦起飛階段允許的最小發(fā)動機數(shù)量為30 臺，而此次發(fā)射中未能啟動的3 臺發(fā)動機是因不能達到滿推力，被主動關(guān)閉。而星艦起飛偏航正是因為發(fā)動機失效導(dǎo)致的推力不平衡，好在飛控系統(tǒng)及時予以修正。

火箭未能順利分離的核心原因正是中途失去了發(fā)動機矢量控制系統(tǒng)（擺動裝置），最終導(dǎo)致火箭姿態(tài)失穩(wěn)不?！胺^”，同時高度、速度均不滿足分離條件，才導(dǎo)致火箭一直未能分離。針對此次發(fā)動機擺動裝置失效，自B9 開始將從液壓驅(qū)動改為分立的電機驅(qū)動，以防止單點失效。還有為減少發(fā)動機失效，后續(xù)將選用更穩(wěn)定批次的猛禽發(fā)動機。

根據(jù)太空探索技術(shù)公司的一貫風(fēng)格，公司絕不會止步于此次挫折，公司事前就已預(yù)料到首飛的巨大風(fēng)險，而后續(xù)的試飛“星艦”已經(jīng)在廠房內(nèi)總裝。針對后續(xù)的試飛，馬斯克透露后續(xù)任務(wù)目標(biāo)是獲得盡可能多的數(shù)據(jù)，因此暫時不會有任何有效載荷，而且2023 年的“星艦”研發(fā)和試驗預(yù)計將耗資20 億美元。但其也一再聲稱，“星艦”不會成為“阿爾忒彌斯-3”登月任務(wù)中最“拖后腿”的項目。復(fù)飛準(zhǔn)備耗時最長的可能是自毀系統(tǒng)的重新鑒定，因為此次發(fā)射中自毀系統(tǒng)啟動40 秒后貯箱才解體，這顯然是監(jiān)管部門難以接受的。

挑戰(zhàn)重重，未來可期

代價高昂的迭代研發(fā)策略加速了“星艦”的進度，但由于引入了大量仍需驗證的新技術(shù)，導(dǎo)致其首飛日期不斷推遲。此次首飛最早原定于去年進行，然而因監(jiān)管和發(fā)射臺改造進度一直延誤至今。專門適配“星艦”的二代星鏈衛(wèi)星已經(jīng)等不及，太空探索技術(shù)公司推出一版可以適用于獵鷹9火箭整流罩的mini 版二代星鏈衛(wèi)星，并已開始組網(wǎng)。

二代星鏈mini 版單星質(zhì)量高達790 千克，是現(xiàn)有1.5 版本的兩倍還多。當(dāng)然適配“星艦”版本的重量更大，消息表示單星重量已經(jīng)逼近2 噸，但受限于“星艦”進度，至今只能堆在廠房里。“星艦”進度拖延不僅耽誤了第二代星鏈衛(wèi)星的組網(wǎng)進度，還拖累了美國重返月球大業(yè)。傳統(tǒng)意義上，成功首飛入軌對于新型火箭就算是“大功告成”，但對“星艦”來說，即使首飛成功也只是萬里長征第一步，其后服役、改進歷程仍將是道阻且長。

▲ 馬斯克認(rèn)為這次發(fā)射很接近他的預(yù)期

▲ 發(fā)射臺下部被噴出的大坑

▲ 星艦開始翻滾

▲ 猛禽發(fā)動機試車

▲ 從網(wǎng)友拍攝的視頻可見，星艦起飛就是歪的

為達成預(yù)期目標(biāo)，“星艦”后續(xù)仍需大量試飛、改進，首先要攻克的難關(guān)就是兩級分別被精確地捕獲、回收。接下來，針對載人任務(wù)，“星艦”團隊必須積累足夠的可靠性數(shù)據(jù)，增設(shè)必要的維生和逃逸設(shè)備，定型載人版“星艦”。

為執(zhí)行深空任務(wù)，滿足在軌加注需求，團隊需要設(shè)計專門貯存和轉(zhuǎn)運低溫推進劑的在軌加注版“星艦”。而為了兌現(xiàn)給美國宇航局的合同承諾，團隊要打造精簡掉所有大氣層再入設(shè)備的登月版“星艦”。以上構(gòu)型想要成真，最關(guān)鍵的前提是實現(xiàn)“星艦”的廉價、快速和可靠的重復(fù)使用?？梢哉f，這是“星艦”項目的最終挑戰(zhàn)，也是其不斷迭代的終極目的。

▲ 星艦待發(fā)

▲ 此次“星艦”首飛最早原定于去年進行，然而因監(jiān)管和發(fā)射臺改造進度一直延誤至今

▲ 太空探索技術(shù)公司還需要打造載人登火版“星艦”

最后，太空探索技術(shù)公司還需要打造載人登火版“星艦”。它將驗證原位資源利用技術(shù)，即不攜帶返程推進劑，“輕裝”著陸火星表面，然后就地取材，通過薩巴蒂爾反應(yīng)制取返程推進劑。結(jié)合在軌加注低溫推進劑技術(shù)，載人登火版“星艦”有望將單次向火星表面投送載荷質(zhì)量從1 噸級提升至100 噸級。

總體來看，“星艦”完全回收、快速復(fù)用的設(shè)計理念對其他火箭型號發(fā)展起到了積極的示范和促進作用，但隨著“星艦”后續(xù)進入軌道級發(fā)射階段，大量創(chuàng)新理念和設(shè)計有待落地，各項飛行試驗的成本也將以指數(shù)級上升，這是“星艦”融合了過多新技術(shù)的必然代價。

太空探索技術(shù)公司還宣稱有信心在今年完成入軌發(fā)射，這種愈炸愈勇的風(fēng)格或許正是其在20 年間迅速崛起的原因之一，同時也警示人們：航天創(chuàng)新永遠是機遇與風(fēng)險并存?！靶桥灐钡奈磥淼雷枨议L，其激進的設(shè)計思路能否使其實現(xiàn)目標(biāo)，基于“星艦”的登月艙能否讓航天員安全往返月面和出發(fā)站，“星艦”能否幫助仍在虧損的“星鏈”項目渡過難關(guān)，“星艦”又能否促進“火星夢”成真，這一切都有待時間去驗證。