星艦SN-8 試飛：萬(wàn)里長(zhǎng)征邁出第一步

文/ 田豐

▲ 登月版星艦動(dòng)畫(huà)示意圖

2020 年12 月9 日，在美國(guó)太空探索技術(shù)公司位于得州博卡奇卡的試驗(yàn)場(chǎng)，公司正在研發(fā)的代號(hào)“星艦”（Starship）的SN-8 原型試驗(yàn)箭進(jìn)行了首次12.5 千米高度試飛?；鸺晒ζ痫w，但約7 分鐘后在嘗試著陸時(shí)因著陸發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后推力不足發(fā)生爆炸。

“星艦”是太空探索技術(shù)公司正在研發(fā)的一款兩級(jí)可完全重復(fù)使用的重型火箭，全箭采用公司自研的代號(hào)“猛禽”的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，貯箱主要采用不銹鋼材料制成，近地軌道運(yùn)力不低于100 噸。其中，火箭二級(jí)被稱(chēng)之為“星艦飛船”（Starship spacecraft），火箭一級(jí)則稱(chēng)為“超重型火箭”（Super Heavy rocket）。此次試飛的是其二級(jí)“星艦飛船”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“星艦”）高50 米，直徑9 米，干重約110 噸，可加注約1200 噸推進(jìn)劑。

飛得完美 炸得漂亮

9 日的試飛中，“SN-8”安裝有3臺(tái)代號(hào)“猛禽”的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，點(diǎn)火后“星艦”迅速離架升空。升空后“星艦”基本垂直向上爬升，過(guò)程中3 臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)漸次關(guān)機(jī)。起飛后1 分40秒開(kāi)始，第一臺(tái)“猛禽”關(guān)機(jī)，關(guān)機(jī)過(guò)程中短時(shí)引燃了發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)設(shè)備，好在并未影響后續(xù)飛行。第二臺(tái)于起飛后3 分15 秒關(guān)機(jī)，隨后進(jìn)行了部分液氧的釋放。最后一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)則于起飛后4分40 秒關(guān)機(jī)。隨后，“星艦”靠慣性到達(dá)此次飛行的最高點(diǎn)。在前后可動(dòng)翼面的控制下，火箭從垂直轉(zhuǎn)入水平姿態(tài)，隨后“星艦”維持水平姿態(tài)，進(jìn)行了約一分半鐘的平穩(wěn)滑翔。起飛后6 分32秒時(shí)，前翼面展開(kāi)，“星艦”頭部氣動(dòng)阻力上升，后翼面收起，尾部氣動(dòng)阻力下降。同時(shí)，兩臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)重新點(diǎn)火并調(diào)整方向。在翼面和發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合作用下，箭體迅速?gòu)乃睫D(zhuǎn)為垂直姿態(tài)，以嘗試最終垂直著陸。但發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后，噴管火焰間歇性異常變綠，同時(shí)箭體減速不足，下落速度過(guò)快。收起在發(fā)動(dòng)機(jī)艙裙段內(nèi)的著陸支腿還未展開(kāi)，箭體即已墜地爆炸，星艦SN-8 徹底報(bào)廢。

回顧整個(gè)發(fā)射過(guò)程，“星艦”的起飛、關(guān)機(jī)、轉(zhuǎn)身、滑翔，以及最終的“神龍擺尾”都符合試驗(yàn)預(yù)期。太空探索技術(shù)公司也表示，已經(jīng)收集到了所有預(yù)期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，尤其是采用新型控制翼面進(jìn)行姿態(tài)控制的數(shù)據(jù)，雖然公司之前已經(jīng)進(jìn)行過(guò)仿真分析和風(fēng)洞試驗(yàn)，但實(shí)飛驗(yàn)證的數(shù)據(jù)仍然難能可貴。對(duì)于最終階

段的著陸失敗，公司稱(chēng)是由于著陸專(zhuān)用的甲烷貯箱的增壓系統(tǒng)異常，未能向發(fā)動(dòng)機(jī)壓送足夠的甲烷推進(jìn)劑，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)推力不足，減速過(guò)慢，最終墜地。

對(duì)于著陸前發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的綠色火焰，公司僅稱(chēng)是因?yàn)榧淄楣┙o不足，發(fā)動(dòng)機(jī)富氧燃燒導(dǎo)致。業(yè)界猜測(cè)其具體原因在于猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)采用全流量分級(jí)燃燒循環(huán)，其配置有富燃、富氧兩個(gè)預(yù)燃室，雖然甲烷供應(yīng)不足，但由于兩個(gè)預(yù)燃室燃燒富燃、富氧比例很大，未能對(duì)其造成明顯影響。但經(jīng)過(guò)預(yù)燃室的推進(jìn)劑最終匯入主燃燒室時(shí)，甲烷總量不足導(dǎo)致液氧注入量相對(duì)過(guò)大，發(fā)生了富氧燃燒，高溫富氧燃?xì)鉀_刷含銅內(nèi)壁發(fā)生焰色反應(yīng)致使火焰變綠，同時(shí)異常的混合比也導(dǎo)致了推力未達(dá)預(yù)期。

▲ 星艦SN-8 升空

▲ 發(fā)射臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)航拍

“天價(jià)船票”引發(fā)的飛速迭代

“星艦”從最初藍(lán)圖到此次試飛狀態(tài)經(jīng)過(guò)了4 年的迭代。早在2016 年的國(guó)際宇航大會(huì)上，太空探索技術(shù)公司創(chuàng)始人埃隆·馬斯克在壓軸演講上首次公布了公司構(gòu)想的載人登陸火星用運(yùn)載火箭——行星際運(yùn)輸系統(tǒng)。但因發(fā)射規(guī)模過(guò)大，技術(shù)指標(biāo)過(guò)高，其設(shè)計(jì)方案一變?cè)僮儯鸺?guī)模一縮再縮。2017 年時(shí)改名為“大獵鷹火箭”，規(guī)?？s水至近地軌道運(yùn)力百?lài)嵓?jí)，但當(dāng)時(shí)貯箱材料為復(fù)合材料。2018 年，日本富豪前澤友作斥巨資購(gòu)買(mǎi)船票，并聯(lián)合太空探索技術(shù)公司進(jìn)行了“繞月之旅”發(fā)布會(huì)。當(dāng)年末，公司再次推翻“大獵鷹火箭”的設(shè)計(jì)方案，將貯箱材料從高強(qiáng)度低密度的碳纖維復(fù)合材料變成目前火箭貯箱中鮮有應(yīng)用的市售級(jí)301 不銹鋼，并改為現(xiàn)用名稱(chēng)“星艦”。

▲ “星艦”一級(jí)正在總裝中

不銹鋼方案敲定后，“星艦”研發(fā)才真正駛?cè)搿翱燔?chē)道”。2019 年7 月，太空探索技術(shù)公司就在得州博卡奇卡開(kāi)展了“星跳者”（Starhopper）的首次試飛，飛行高度約20 米，同時(shí)也是全流量分級(jí)燃燒循環(huán)的猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)首次試飛。但“星跳者”貯箱壁厚達(dá)14 毫米，系統(tǒng)高度簡(jiǎn)化，只能稱(chēng)之為低空跳躍試飛平臺(tái)，而非運(yùn)載火箭原型。同年9 月，該公司的開(kāi)建“星艦”的MK 系列，不但在博卡其卡制造MK-1，同時(shí)還在佛羅里達(dá)州的肯尼迪航天中心附近制造“星艦”MK-2，二者齊頭并進(jìn)。然而2 個(gè)月后，太空探索技術(shù)公司首次進(jìn)行MK-1 的貯箱加壓測(cè)試時(shí)，MK-1 焊縫強(qiáng)度不足發(fā)生破裂，前箱前底被炸飛。此次試驗(yàn)后MK-1 被認(rèn)定為不適合飛行，由于MK-2 的工藝與MK-1 幾乎相同，兩者直接退役。隨后公司裁撤佛州團(tuán)隊(duì)，“星艦”生產(chǎn)和試驗(yàn)全部集中于得州博卡奇卡，并開(kāi)展SN 系列的生產(chǎn)和試驗(yàn)。然而出師不利，2020 年2 月28日，星艦SN-1 原型機(jī)在開(kāi)展加注液氮進(jìn)行低溫高壓壓力測(cè)試時(shí)發(fā)生爆炸，隨后SN-2 壓力測(cè)試獲得成功。2020 年4月3 日，SN-3 在加注液氮進(jìn)行低溫壓力測(cè)試時(shí)，由于排氣閥在超低溫加壓時(shí)泄漏，貯箱壓力不足導(dǎo)致箭體失穩(wěn)崩潰，這是損毀的第三艘星艦原型機(jī)。同年5月29 日，SN-4 在進(jìn)行第5 次靜態(tài)點(diǎn)火測(cè)試后約2 分鐘后發(fā)生爆炸。2020 年6 月15 日，太空探索技術(shù)公司對(duì)SN-7進(jìn)行壓力測(cè)試，在對(duì)貯箱加壓持續(xù)8個(gè)多小時(shí)后，貯箱出現(xiàn)了泄漏降壓，最后壓力0.76MPa，測(cè)試終止。一連串的挫折并沒(méi)有阻撓其前進(jìn)的腳步，8 月5日，星艦SN-5 的150 米試飛成功，隨后SN-6 進(jìn)行了同樣的150 米跳躍測(cè)試，亦獲成功。

▲ 星艦SN-8 起飛瞬間

▲ 星艦SN-5 即將著陸

▲ SN-9 貯箱貼敷的隔熱瓦

今年的挑戰(zhàn)——平穩(wěn)著陸和成功入軌

在前期大量原型機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持下，SN-8 安裝了全套控制翼面和頭錐，開(kāi)始挑戰(zhàn)12.5 千米試飛。之所以說(shuō)SN-8 的試飛相對(duì)于SN-5、6 有大幅進(jìn)步，主要在于以下三點(diǎn)：首先是3 臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)首次組合工作，著陸用的“頭部貯箱”首次用于著陸反推，最關(guān)鍵的是“星艦”首次具備了與日后實(shí)飛狀態(tài)一致的完整氣動(dòng)外形和氣動(dòng)翼面。因此在SN-8 試飛更貼近“星艦”服役后再入大氣層過(guò)程中的滑翔階段，該階段中發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，而是僅依靠前后兩對(duì)可動(dòng)翼面來(lái)控制飛船姿態(tài)。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，3 臺(tái)“猛禽”的組合控制和滑翔的氣動(dòng)控制基本成功，但“頭部貯箱”的增壓設(shè)計(jì)仍存問(wèn)題。

太空探索技術(shù)公司目前已經(jīng)準(zhǔn)備好SN-9 號(hào)原型機(jī)，其配置與SN-8 基本相同，但“頭部貯箱”增壓方式從SN-8 的自生增壓變更為冷氦增壓，以期避免SN-8 的增壓?jiǎn)栴}，并在近期準(zhǔn)備再次進(jìn)行12.5 千米試飛。太空探索技術(shù)公司曾在獵鷹系列火箭上長(zhǎng)期使用冷氦增壓方式，可謂經(jīng)驗(yàn)豐富，但公司稱(chēng)未來(lái)還要對(duì)貯箱增壓方式繼續(xù)進(jìn)行研究，以找到最適合“星艦”的增壓方式。

不過(guò)即使SN-9 順利完成試飛并著陸，“星艦”距離首飛入軌仍面臨一系列技術(shù)挑戰(zhàn)。首先就是“星艦”再入大氣層的熱防護(hù)系統(tǒng)，目前“星艦”計(jì)劃在迎風(fēng)面大面積覆蓋陶瓷基非燒蝕隔熱瓦TUFROC 作為防熱材料，為了驗(yàn)證這種隔熱瓦的貼敷性能，公司曾在星跳者、SN 系列原型機(jī)乃至貨運(yùn)龍飛船上實(shí)驗(yàn)性安裝隔熱瓦。不要小看這“貼瓷片”的驗(yàn)證，由于貼敷技術(shù)不成熟，航天飛機(jī)在研發(fā)初期就曾被隔熱瓦大面積脫落的問(wèn)題長(zhǎng)期困擾。其次是“星艦”一級(jí)，也就是“超重型火箭”的多發(fā)并聯(lián)問(wèn)題，不同于“重型獵鷹”每個(gè)通用芯級(jí)安裝9 臺(tái)，三芯并聯(lián)共27 臺(tái)，“超重型火箭”僅在一個(gè)9 米直徑箭體底部就計(jì)劃安裝28臺(tái)（目前方案）“猛禽”，同時(shí)工作時(shí)起飛推力將高達(dá)6600多噸，該方案會(huì)產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)布置、承力結(jié)構(gòu)、熱防護(hù)、耦合振動(dòng)等一系列技術(shù)挑戰(zhàn)。以上只是“星艦”為實(shí)現(xiàn)首飛而將面臨的多種技術(shù)挑戰(zhàn)中的一部分。不過(guò)公司已經(jīng)準(zhǔn)備了SN-10 到17 的一系列星艦原型機(jī)，以及星艦一級(jí)“超重型火箭”的第一個(gè)原型機(jī)BN-1。

之所以要制造數(shù)量眾多的原型機(jī)，源于“星艦”不同于傳統(tǒng)火箭的研發(fā)思路。由于種種原因，傳統(tǒng)運(yùn)載火箭在正式入軌發(fā)射前都是沒(méi)有過(guò)試飛的，設(shè)計(jì)人員在漫長(zhǎng)的研發(fā)進(jìn)程中一直都在想方設(shè)法用盡可能多的地面試驗(yàn)來(lái)模擬實(shí)際飛行工況，試圖讓上天的問(wèn)題全部暴露在地面并得到解決。但地面終究是地面，誰(shuí)也無(wú)法保證所有問(wèn)題都能在地面復(fù)現(xiàn)。隨著垂直回收技術(shù)的實(shí)用化和成熟化，“星艦”的設(shè)計(jì)過(guò)程迥異于傳統(tǒng)重型火箭，利用不斷提升高度的懸停和試飛不斷暴露各種問(wèn)題，逐步驗(yàn)證各種技術(shù)，最終逼近實(shí)用化運(yùn)載火箭。如此一來(lái)，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和問(wèn)題被高度分散，不再需要“畢其功于一役”地將風(fēng)險(xiǎn)集中于首飛。

▲ 著陸前發(fā)動(dòng)機(jī)火焰呈現(xiàn)綠色

“星艦”未來(lái)仍存變數(shù)

“星艦”從研發(fā)開(kāi)始至今，雖然過(guò)程頗多坎坷，但尚未遇到顛覆性問(wèn)題，因此擺在太空探索技術(shù)公司面前的最大挑戰(zhàn)就是時(shí)間和資金。資金方面，由于美國(guó)政府兩黨輪替，拜登政府的航天政策相較特朗普會(huì)有所變動(dòng)，尤其是對(duì)“阿爾忒彌斯”計(jì)劃為首的深空載人重視度下降，轉(zhuǎn)而向地球科學(xué)方向傾斜。“星艦”作為計(jì)劃內(nèi)本就獲資助最少的登月艙承包商（一期國(guó)家隊(duì)獲批5.8 億美元，而太空探索技術(shù)公司僅1.35 億美元），即使三選二成功，后續(xù)經(jīng)費(fèi)也將受到削減。還有，“星艦”還曾獲美國(guó)宇航局在軌加注技術(shù)演示項(xiàng)目5300 萬(wàn)美元的資助。此外再無(wú)公開(kāi)的外部資金支持，雖然美國(guó)軍方對(duì)亞軌道“星艦”的快速全球投送能力表現(xiàn)了濃厚興趣，但目前依然“一毛不拔”，商業(yè)發(fā)射客戶(hù)也多持觀望態(tài)度。因此目前“星艦”及配套猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的高昂研發(fā)費(fèi)用均由公司自掏腰包，與同為重型火箭卻被美國(guó)國(guó)會(huì)百般呵護(hù)而“衣食無(wú)憂(yōu)”的“太空發(fā)射系統(tǒng)”相比，“星艦”的研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和壓力可想而知。隨著“太空發(fā)射系統(tǒng)”首飛進(jìn)度不斷延宕，“星艦”研發(fā)的快速推進(jìn)，誰(shuí)能率先首飛并完成入軌仍存巨大變數(shù)。

成功入軌對(duì)于一般火箭來(lái)講已可稱(chēng)之為“大功告成”，但對(duì)于“一箭包打天下”的“星艦”來(lái)說(shuō)，首飛成功也至多不過(guò)是“賽程過(guò)半”?！靶桥灐倍?jí)還需挑戰(zhàn)再入大氣層并成功著陸回收。而后針對(duì)載人任務(wù)，還需積累可靠性數(shù)據(jù)，增設(shè)必要的維生和逃逸設(shè)備，最終定型載人版“星艦”。為應(yīng)對(duì)規(guī)劃中在軌加注需求，還需設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)貯存和轉(zhuǎn)運(yùn)低溫推進(jìn)劑的在軌加注版“星艦”。而為了滿(mǎn)足美國(guó)宇航局的登月艙需求，還需要打造精簡(jiǎn)所有大氣層再入用設(shè)備的月球版“星艦”。最后為了實(shí)現(xiàn)馬斯克本人的“野望”，還需要打造可往返地球火星的火星版星艦。而以上構(gòu)型能夠?qū)崿F(xiàn)的最關(guān)鍵前提，就是要實(shí)現(xiàn)“星艦”的廉價(jià)、快速和可靠的重復(fù)使用，這才是“星艦”項(xiàng)目的核心挑戰(zhàn)，也是不斷迭代的終極目的，其實(shí)也是最艱難和耗時(shí)的一步。

“星艦”的設(shè)計(jì)一如既往采用快速迭代的思路，低成本快速成型，然后試錯(cuò)，成功就繼續(xù)改進(jìn)，繼續(xù)試錯(cuò)；失敗就馬上掉頭，改換思路。為實(shí)現(xiàn)這些看似瘋狂的設(shè)計(jì)需求，“星艦”未來(lái)不僅會(huì)挑戰(zhàn)既有的運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)定式，也可能推翻自家的設(shè)計(jì)思路。一如“獵鷹1”時(shí)期傘降實(shí)驗(yàn)失敗，公司果斷轉(zhuǎn)向垂直起降回收；還有“星艦”最初擬采用復(fù)合材料貯箱，后發(fā)現(xiàn)其對(duì)成本和熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)造成巨大困難，毅然拆毀貯箱工裝迅速轉(zhuǎn)向不銹鋼貯箱。后續(xù)研發(fā)中也應(yīng)如此，比如業(yè)界目前基本接受了獵鷹9 火箭一級(jí)的可展開(kāi)著陸腿設(shè)計(jì)，無(wú)論是返場(chǎng)回收還是著陸部署在海上回收平臺(tái)，著陸腿都不可或缺。但“星艦”計(jì)劃取消一級(jí)火箭的著陸腿，公司近期宣稱(chēng)未來(lái)規(guī)劃讓一級(jí)直接落回到發(fā)射臺(tái)上，由發(fā)射塔支臂來(lái)接住火箭一級(jí)，利用柵格舵來(lái)承受箭體重量。這樣一來(lái)其回收過(guò)程就并非著陸而是捕獲。該設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于可省去箭體著陸支腿的重量和成本，也避免了支腿無(wú)法可靠展開(kāi)和鎖定的潛在風(fēng)險(xiǎn)（“獵鷹9”曾因支腿鎖定機(jī)構(gòu)失效而傾倒爆炸）。并讓火箭能夠馬上在發(fā)射臺(tái)上重新就位，從而能夠使火箭具備快速重復(fù)發(fā)射的能力。

總之，星艦SN-8 的奮力一躍只是“萬(wàn)里長(zhǎng)征第一步”，面對(duì)落地失敗爆炸的結(jié)局，無(wú)論是“雖敗猶榮”，還是“善始未善終”，未來(lái)入軌之路依舊道阻且長(zhǎng)。太空探索技術(shù)公司慣用的快速漸進(jìn)迭代的設(shè)計(jì)思路在“星艦”上到底能否再次奏效，賭上公司家底的一次技術(shù)豪賭能否成功，著陸火星的藍(lán)圖究竟會(huì)是“夢(mèng)想成真”還是“黃粱一夢(mèng)”？還是讓我們拭目以待吧。

▲ 著陸前姿態(tài)轉(zhuǎn)換，可見(jiàn)前翼面展開(kāi)，后翼面收起

▲ 網(wǎng)友制作的發(fā)射臺(tái)捕獲構(gòu)想圖