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中國航天報：“星艦”首飛失敗，航天創(chuàng)新從來不易

2023-04-21 13:44:09 來源：交匯點

北京時間4月20日21時許，美國SpaceX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。火箭升空后即發(fā)現(xiàn)一級有多臺發(fā)動機工作不正常，升空2分30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)的確刷新了航天器的運載指標(biāo)紀(jì)錄，未來有望為航天發(fā)射事業(yè)提供更多可能。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”點火起飛

(資料圖片)

“星艦”首飛以爆炸解體

刷新紀(jì)錄任務(wù)多樣

“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(dá)69米，可加注推進(jìn)劑3400噸，起飛總推力達(dá)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(jìn)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，因此具備載荷下行能力。

豎立在發(fā)射臺上的“星艦”

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。

SpaceX公司宣稱，“星艦”在兩級全回收狀態(tài)下的近地軌道運力不低于100噸。

按照原定的首飛計劃，“星艦”此次首飛不同于傳統(tǒng)一次性運載火箭，兩級順利分離后，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(yuǎn)的海面上，再次啟動反推，并緩緩落海。“星艦”第二級則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(hù)第二級進(jìn)入大氣內(nèi)滑翔并最終墜海，完成驗證使命。

嚴(yán)格地說，在此次發(fā)射中，“星艦”第二級并未完全遵循繞地軌道，也無法驗證運力指標(biāo)，但“星艦”想要入軌，只需第二級稍微推遲關(guān)機即可。它選擇“半圈再入”，是為了更穩(wěn)妥地驗證防熱、再入等性能。

“星艦”局部隔熱瓦特寫

“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實用化的火箭型號。二是由于“星艦”設(shè)計理念非常激進(jìn)，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。可惜天不遂人愿，一二級尚未成功分離就折戟沉沙。

“星艦”的飛船與超重型助推器對接

“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SpaceX公司的巨型低軌互聯(lián)網(wǎng)星座組網(wǎng)發(fā)射。

不過，“星艦”的任務(wù)預(yù)計將遠(yuǎn)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(yuǎn)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SpaceX公司成立以來一直宣傳的載人登火藍(lán)圖的實踐者。由此可見，“星艦”是名副其實的“重任在肩”。

以飛代試迭代改進(jìn)

SpaceX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SpaceX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。

“星艦”前往火星想象圖

隨著獵鷹9火箭成功回收，SpaceX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，航天運載器改名為“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”規(guī)劃。不過，僅5個月后，SpaceX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”。

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，SpaceX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。總體來看，相關(guān)項目推進(jìn)迅速，但也代價高昂，僅在10公里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。

“星艦”靜態(tài)點火測試

不過，“星艦”項目團隊堅持采用長期被忽視的液氧甲烷推進(jìn)劑，這是為什么呢？

首先是液氧甲烷的推進(jìn)效率高，推進(jìn)劑的理論比沖高達(dá)390秒，僅次于液氫液氧推進(jìn)劑。第二個主要因素是液氧甲烷推進(jìn)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(dá)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(jìn)劑的重型火箭來說，液氧甲烷推進(jìn)劑的省錢效應(yīng)可謂“立竿見影”。

挑戰(zhàn)艱巨任重道遠(yuǎn)

代價高昂的迭代研發(fā)策略加速了“星艦”的進(jìn)度，但由于引入了大量仍需驗證的新技術(shù)，導(dǎo)致其首飛日期仍不斷推遲，此次首飛最早就原定于去年進(jìn)行，增大了“星艦”未來面臨的挑戰(zhàn)。

“星艦”進(jìn)度拖延不僅耽誤了第二代“星鏈”衛(wèi)星的組網(wǎng)進(jìn)度，還拖累了美國“重返月球”大業(yè)。傳統(tǒng)上，成功首飛入軌對于新型火箭算是“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(jìn)歷程仍將是道阻且長。

獵鷹 9火箭末子級攝像機拍攝的火箭與第二代“迷你版”星鏈衛(wèi)星在太空即將分離的照片

為達(dá)成預(yù)期目標(biāo)，“星艦”后續(xù)仍需大量試飛、改進(jìn)，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(jìn)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”的廉價化、快速制備和可靠的重復(fù)使用。可以說，這是“星艦”項目的最終挑戰(zhàn)，也是其不斷迭代的終極目的。

最后，SpaceX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(jìn)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(jìn)劑。結(jié)合在軌加注低溫推進(jìn)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。

“星艦”登陸火星想象圖

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(jìn)作用，但隨著“星艦”后續(xù)進(jìn)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。

而這次首飛失敗正是這種代價的集中體現(xiàn)，尤其是單芯級多發(fā)并聯(lián)技術(shù)這項堪稱運載火箭“魔咒”的挑戰(zhàn)，SpaceX公司必須要跨過去。

根據(jù)SpaceX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。這種愈炸愈勇的風(fēng)格或許正是SpaceX公司能在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(yuǎn)是機遇與風(fēng)險并存。“星艦”的未來道阻且長，其激進(jìn)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(jìn)“火星夢”成真，這一切都有待時間去驗證。

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