星艦“十飛”發(fā)射畫面

文丨蘇揚(yáng)

馬斯克還在追逐火星移民的夢想。

北京時間8月27日，星艦第十次綜合飛行測試（簡稱“十飛”）成功進(jìn)行，飛行測試原定8月25日進(jìn)行，由于地面系統(tǒng)故障、天氣原因等后延了兩天。

本次飛行由第二代星艦S37+B16助推器組成的組合體執(zhí)行。除了測試飛船和助推器的性能、可靠性測試外，星艦“十飛”的重要看點之一，即執(zhí)行此前因發(fā)射失利未能完成的“星鏈衛(wèi)星模擬器”部署任務(wù)。

需要注意，本次飛行不涉及助推器和飛船的回收。

從實際的結(jié)果來看，助推器成功完成了在著陸燃燒階段的測試任務(wù)，并濺落美國灣（墨西哥灣）。二級飛船的衛(wèi)星模擬器部署、猛禽發(fā)動機(jī)太空點火、再入大氣層及濺落印度洋等任務(wù)均順利完成。

“十飛”是星艦?zāi)陜?nèi)第四次飛行測試，前三次均以失敗告終，且任務(wù)都比較接近，這是“快速迭代驗證”的典型特征，但過去幾次持續(xù)卡在特定任務(wù)上，也反映出這種思路——靠真實發(fā)射驗證來定位問題的模式——存在局限性。此外，同類型任務(wù)的反復(fù)測試驗證，也在不斷地推高發(fā)射成本。

現(xiàn)在，星艦的迭代節(jié)奏，遠(yuǎn)遠(yuǎn)追不上馬斯克希望帶領(lǐng)人類走向星辰大海的時間預(yù)期。

而載人的前提，是保證高度穩(wěn)定、可靠的重復(fù)飛行能力，而在這之前，更前置的條件是至少保證具備有效載荷部署、飛船回收的能力。

01

星艦“十飛”看點

助推器不回收，飛船部署“衛(wèi)星”

星艦“十飛”從發(fā)射到S37飛船濺落印度洋，預(yù)計用時1小時06分鐘。

飛行測試過程中，S37飛船會執(zhí)行有效載荷部署任務(wù)——釋放“星鏈衛(wèi)星模擬器”（模擬衛(wèi)星與下一代星鏈衛(wèi)星尺寸相當(dāng)），模擬衛(wèi)星將在亞軌道飛行，再入大氣層時燒毀。飛船本身則需要收集隔熱、捕獲等相關(guān)部件改進(jìn)后的可靠性數(shù)據(jù)，為后續(xù)飛行順利返回發(fā)射場做準(zhǔn)備。完成數(shù)據(jù)收集后濺落印度洋。

星艦部署衛(wèi)星動畫演示

B16助推器主要是進(jìn)行飛行極限測試，包括在美國灣（墨西哥灣）近海著陸點上收集未來飛行剖面及非標(biāo)準(zhǔn)工況下的真實性能數(shù)據(jù)。

1)

S37飛船關(guān)鍵任務(wù)

在軌試驗

• 部署8顆模擬星鏈衛(wèi)星（“七飛”就有的任務(wù)，因各種問題未能成功實施）

• 計劃“猛禽”發(fā)動機(jī)二次點火（“七飛”就有的任務(wù)，測試發(fā)動機(jī)在極端環(huán)境，如極低溫、無氧下的可靠性，否則點不著火，未來登陸火星、月球就回不來了）

再入、返回實驗

• 移除大量隔熱瓦，測試易受損區(qū)域的耐受度、同時測試多款金屬防熱瓦性能（陶瓷隔熱瓦易碎、檢修成本高，未來可能也會減少甚至被完全替代）

• 驗證安裝在飛船上的功能性“捕捉連接件”的熱性能與結(jié)構(gòu)極限

• 驗證隔熱瓦邊緣設(shè)計優(yōu)化方案可靠性

• 再入軌跡在動壓最大時，測試后緣襟翼的結(jié)構(gòu)極限

• 濺落印度洋

2)

B16超重型助推器關(guān)鍵任務(wù)

不返回發(fā)射場“捕捉”（這次也沒有安排“筷子夾火箭”，起飛-一二級分離-助推器回收比較成熟了）

級間分離后先受控翻轉(zhuǎn)再啟動返回助推燃燒（沿用“九飛”技術(shù)，保證分配更多推進(jìn)劑至起飛階段，以提升運力）

著陸燃燒過程中主動關(guān)閉1臺中心發(fā)動機(jī)，測試中間環(huán)備用發(fā)動機(jī)補(bǔ)位能力，末期僅用2臺中心發(fā)動機(jī)實現(xiàn)海面懸停，之后關(guān)機(jī)墜海（驗證發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的冗余設(shè)計有效性，以及非標(biāo)準(zhǔn)化工作模式下的可靠性，否則突然1臺發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)就掉下來了，而這也是可重復(fù)回收的關(guān)鍵）

02

"S37+B16"星艦組合體

老助推器+新飛船

星艦組合體發(fā)射最直觀的畫面即“筷子夾火箭”——超重型助推器在返回過程中被發(fā)射塔上的兩個機(jī)械臂捕獲。

到目前為止，SpaceX已經(jīng)完成了三次“筷子夾火箭”試驗，最近一次是星艦“八飛”，B15助推器成功被捕獲，但這臺助推器未在“十飛”任務(wù)中復(fù)用。

此次星艦“十飛”，SpaceX采用的是一臺全新的B16助推器(33臺發(fā)動機(jī)均為全新)，該助推器于去年10月下旬開始組裝，基于以往飛行測試數(shù)據(jù)做了優(yōu)化。

B16于今年2月進(jìn)行低溫測試，并于6月份在得州星艦基地完成全時段靜態(tài)點火測試（固定在發(fā)射臺上點火，全功率運行8-12秒），模擬真實發(fā)射的起飛階段狀態(tài)。

根據(jù)官方資料，B16助推器搭載了33臺第二代猛禽發(fā)動機(jī)，單臺起飛推力可達(dá)到230噸，33臺引擎總推力超過7500噸。

B16超重型助推器實拍

相比超重型助推器“筷子夾火箭”的成功和光鮮，飛船的發(fā)射任務(wù)進(jìn)行的就沒有那么順利——“七飛”提出的星鏈衛(wèi)星部署、猛禽發(fā)動機(jī)太空二次點火都因為飛船失控、解體等未能成功實施。

“十飛”原計劃采用S36+B16組合體，但S36飛船在6月18日裝填燃料出現(xiàn)故障損毀。

S36飛船測試失敗后，SpaceX將星艦“十飛”的組合體調(diào)整為S37+B16，其中S37飛船于8月23日完成了“模擬星鏈衛(wèi)星”的裝載，并與B16助推器完成堆疊。

你看，就是這種問題頻繁出現(xiàn)，拖了星艦的迭代節(jié)奏，以至于馬斯克曾經(jīng)表態(tài)過“未來三次發(fā)射，每三至四周一次”暫時還不能兌現(xiàn)。

關(guān)于飛船頻繁爆炸，也有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為SpaceX沒解決二級，也就是飛船部分“分離-入軌”的問題——兩級火箭分離后就進(jìn)入高超音速飛行階段，這時候還在大氣層里，火箭會有很大的氣動壓力，進(jìn)而帶來振動，可能會導(dǎo)致燃料管破裂、螺絲斷裂等等。

一般情況下要在地面振動臺上模擬這一段過程找出風(fēng)險點，制定解決方案。但是星艦二級太大了，沒有振動臺可以承載，所以只能一發(fā)一發(fā)的碰運氣，現(xiàn)在碰到第10發(fā)了，事實證明沒有運氣可以碰，所以看他要不要調(diào)頭回去造振動臺。

S37+B16星艦組合體

最后再說說星艦的規(guī)模，整個星艦組合體高123米，直徑9米，就像一個不銹鋼“巨獸”，其有效載荷能力100-150噸，其中助推器高71米，推進(jìn)劑容量3400噸。按照官方預(yù)估的目標(biāo)，星艦飛船可搭載100人進(jìn)行長時間星際飛行，也包括衛(wèi)星發(fā)射、月球基地建設(shè)以及地球上的點對點飛行運輸。

03

光鮮靚麗的助推器

一路坎坷的飛船

“九飛”采用了B14.2S35組合，但未能完成火箭濺落的任務(wù)，飛船也爆炸解體。

SpaceX的官方調(diào)查報告顯示，助推器的飛行故障主要集中在著陸燃燒后的下降階段，該階段采用了比以往飛行任務(wù)大得多的攻角，最大攻角約17度，這一飛行實驗旨在收集數(shù)據(jù)以探究助推器性能的極限。

攻角示意圖，翼弦線（ChordLine）與相對氣流（RelativeWind）之間的夾角

翻譯過來就是，通過氣動減速減少發(fā)動機(jī)燃料消耗，同時收集數(shù)據(jù)優(yōu)化未來設(shè)計。

不過，助推器抵達(dá)計劃濺落區(qū)域時，為執(zhí)行著陸燃燒，按計劃需重啟13臺發(fā)動機(jī)，實際成功重啟12臺，隨后觀測到助推器尾部附近發(fā)生劇烈能量釋放事件。

SpaceX在推測原因可能是大攻角飛行使得助推器承受的壓力超預(yù)期，導(dǎo)致燃料結(jié)構(gòu)失效，甲烷與液氧混合進(jìn)而引發(fā)S14.2助推器著火爆炸。

對于這一問題，SpaceX的解法也比較直接，既然大攻角不行，就降低一點，從而最大限度降低結(jié)構(gòu)失效的可能性。

前面我們也提到，助推器因為有多次“筷子夾火箭”而顯得比較光輝和順利，但飛船部分問題就比較多，“八飛”時SpaceX提交給FFC的文件，當(dāng)時就說如果任務(wù)順利，“九飛”就測試回收飛船，但是大家也可以看到�！笆w”才開始測試功能性“捕捉連接件”的熱/結(jié)構(gòu)性能。

關(guān)于“九飛”S35飛船，未能部署模擬星艦衛(wèi)星，官方解釋是在二級發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)后，鼻錐部位的高壓+計劃中的鼻錐排氣操作，共同導(dǎo)致了嚴(yán)重的姿態(tài)偏差，使得飛船自動跳過了有效載荷部署任務(wù)。

SpaceX還強(qiáng)調(diào)，鼻錐高壓導(dǎo)致載荷艙艙門故障，即便飛船未跳過部署任務(wù)，也無法完成。

另外，飛船后續(xù)修正了姿態(tài)偏差，鼻錐排氣功能重啟，但液態(tài)甲烷進(jìn)入鼻錐內(nèi)部，導(dǎo)致傳感器、控制器溫度下降，隨后觸發(fā)自動鈍化指令（passivationcommands），跳過在軌燃燒步驟，并將所有剩余推進(jìn)劑排入太空，以非標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)（off-nominalattitude）再入地球大氣層，隨后解體。

比起前面B14.2助推器略微不確定性的結(jié)論，SpaceX強(qiáng)調(diào)S35飛船的故障最可能根本原因被追溯至主燃料箱增壓系統(tǒng)擴(kuò)散器的失效，工程師通過模擬飛行工況成功復(fù)現(xiàn)了該失效過程，并且對燃料擴(kuò)散器進(jìn)行重新設(shè)計，以更有效地將增壓氣體導(dǎo)入主燃料箱，并大幅降低擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)所承受的應(yīng)力。

對于S36飛船在測試臺上的故障，SpaceX則解釋稱，此次事故最可能的根本原因被確定為：星艦有效載荷艙段的一個復(fù)合材料纏繞壓力容器存在無法檢測或未被充分篩查出的損傷，該壓力容器失效后引發(fā)飛船結(jié)構(gòu)失效，進(jìn)而導(dǎo)致推進(jìn)劑混合并點火燃燒。

關(guān)于壓力容器失效的解決方案，則包括在未來飛行任務(wù)中的壓力容器將降低工作壓力，同時在向飛船加注活性推進(jìn)劑前，增加額外的檢查和驗證測試等。

04

高頻發(fā)射還未兌現(xiàn)

火星移民計劃需要加速

星艦飛船部分的進(jìn)化演示圖

最近幾次發(fā)射，SpaceX和馬斯克都在強(qiáng)調(diào)，未來星艦的發(fā)射頻率會越來越高，短期目標(biāo)是“未來三次發(fā)射，每三至四周一次”

馬斯克曾表示，2025年將發(fā)射25次星艦。未來的標(biāo)志性的看點還有：星艦飛船的返場捕獲試驗以及真正開始部署星鏈衛(wèi)星等。

SpaceX也頻繁地在新聞稿中提及“失敗-重新驗證”這種反復(fù)的循環(huán)，強(qiáng)調(diào)星艦?zāi)芰Φ奶嵘⒎且怀幌湍軐崿F(xiàn)，但飛行測試持續(xù)為下一代星艦與“超重型”助推器的設(shè)計提供寶貴經(jīng)驗。

另外，SpaceX也透露隨著星艦基地“星艦工廠”（Starfactory）的產(chǎn)能不斷提升，以及得克薩斯州和佛羅里達(dá)州新發(fā)射與測試基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)建設(shè)，以支持這種高頻發(fā)射。

只不過現(xiàn)在“失敗-重新驗證”這樣的循環(huán)，有點多，拖慢了馬斯克火星移民的節(jié)奏。

附：2019年以來星艦發(fā)射的重要節(jié)點：

2019年7月26日

SpaceX對最早的星艦原型機(jī)“星蟲”（starhopper）進(jìn)行了高度20米的自由懸浮測試。

2019年8月27日

SpaceX再次對“星蟲”進(jìn)行測試，成功飛行到150米的高度并安全著陸。

2020年8月5日

星艦原型SN5完成了高度150米的自由懸浮測試。由于沒安裝頭椎，SN5外觀看起來就像是一個30多米高的圓柱形不銹鋼大水塔。

2020年8月25日

艦原型SN6同樣完成了高度150米的自由懸浮測試。

2020年12月10日

星艦原型SN8進(jìn)行了12.5公里高度的測試飛行，在最后落地的時候發(fā)生墜毀爆炸。

2021年2月3日

星艦原型SN9再次進(jìn)行了10公里高度的測試飛行，仍然是在最后落地的時候發(fā)生墜毀爆炸。

2021年3月4日

星艦原型SN10第三次進(jìn)行了10公里高度的測試飛行，穩(wěn)穩(wěn)落地，但在落地數(shù)分鐘后，還是發(fā)生了爆炸。

2021年5月6日

星艦原型SN15在得克薩斯州博卡奇卡（BocaChica）成功進(jìn)行了高空飛行測試，這是SpaceX星艦原型第五次挑戰(zhàn)10公里級高度，也是首次沒有發(fā)生爆炸事故的完美著陸。

下面進(jìn)行的歷次測試飛行進(jìn)入了全新的階段，就是所謂的“綜合測試飛行”（IFT），也就是星艦和超重助推火箭的合體飛行：

2023年4月20日

星艦曾首次嘗試軌道級發(fā)射飛行試驗，但剛起飛就發(fā)現(xiàn)三臺發(fā)動機(jī)沒點燃，在飛行過程中又有三臺發(fā)動機(jī)陸續(xù)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致箭體發(fā)生異常旋轉(zhuǎn)而失控，最終不得不主動引爆銷毀。

2023年11月18日

星艦在進(jìn)行第二次飛行試驗時，超重助推火箭由于液氧管道發(fā)生堵塞，在返航時發(fā)生了爆炸，星艦已飛到了太空的高度，但由于在排放多余的液氧時發(fā)生了起火墜毀，沒能完成既定任務(wù)。

2024年3月14日

星艦進(jìn)行第三次軌道級飛行試驗，星艦和超重助推火箭成功分離，助推火箭濺落在大海。幾分鐘后，星艦成功進(jìn)入太空，并在軌道上完成了“在軌燃料輸送試驗”以及“載荷艙門開合試驗”，但遺憾的是，星艦離軌點火沒成功，燒毀在大氣中。

2024年6月6日

星艦進(jìn)行了第四次軌道飛行試驗，助推火箭按計劃成功降落在海面。星艦飛行約一個小時，在進(jìn)入大氣層的時候隔熱瓦發(fā)生掉落，翼面被燒穿，但最終還是堅持到降落海面，幾乎完成了所有的既定任務(wù)和目標(biāo)。

2024年10月13日

星艦進(jìn)行第五次測試飛行。在星艦發(fā)射約6分50秒后，發(fā)射塔架上的捕獲裝置首次成功抓住了從天而降的幾百噸重的助推火箭，這是人類首次用這種方式回收火箭，網(wǎng)友形象地稱之為“筷子夾火箭”。

2025年1月17日

星艦進(jìn)行第七次綜合測試飛行，成功完成了“筷子夾火箭”試驗，但星艦飛船由于氧氣泄漏和推進(jìn)劑系統(tǒng)故障發(fā)生解體，沒能完成既定任務(wù)。

2025年3月7日

星艦第八次綜合飛行測試，本次發(fā)射一級助推火箭順利返回發(fā)射塔架，復(fù)現(xiàn)了“筷子夾火箭”的操作，但星艦飛船部分還是出了問題，發(fā)生了解體爆炸，沒能完成入軌。

2025年5月28日

星艦第九次綜合飛行測試，本次發(fā)射使用的B14.2助推器實現(xiàn)成功復(fù)用，但在著陸過程中發(fā)生爆炸。S35飛船由于艙門異常，也未能完成8顆“星鏈衛(wèi)星模擬器”的部署任務(wù)，并在再入大氣層過程中爆炸。

>End

本文轉(zhuǎn)載自“騰訊科技”，原標(biāo)題《一文讀懂星艦“十飛”：沒有筷子夾火箭，飛船完成“關(guān)鍵一躍”》。

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