“星艦”第二次試飛爆炸

周游

11月18日，美國太空探索技術公司SpaceX的新型運載火箭“星艦”在美國得克薩斯州博卡奇卡發(fā)射場進行試飛。圖/視覺中國

當?shù)貢r間11月18日早上，美國太空探索技術公司SpaceX的新型運載火箭“星艦”于得克薩斯州博卡奇卡基地完成了第二次無人飛行測試。所有33臺超重型猛禽發(fā)動機均正常工作，一二級火箭成功分離。但第一級助推器分離后不久在空中爆炸解體。第二級飛船則在升空8分鐘后于高度148公里處失聯(lián)，SpaceX表示，其已于升空10分鐘后觸發(fā)自毀系統(tǒng)。

“星艦”曾于今年4月20日首次測試飛行，升空后4分鐘以解體爆炸告終。當時的視頻回放可見，33臺并聯(lián)發(fā)動機中的6臺連續(xù)出現(xiàn)異常關機，一二級火箭也沒能成功分離。相較于首飛，“星艦”此次試飛首次實現(xiàn)了33臺發(fā)動機并聯(lián)，以及一種新的級間分離方式。國際宇航聯(lián)空間運輸委員會副主席楊宇光對《中國新聞周刊》分析說，33臺并聯(lián)成功只是表象，以“星艦”為重要技術環(huán)節(jié)的美國登月計劃或將迎來重大變化。

美國當?shù)貢r間11月18日早上，博卡奇卡基地控制中心多次陷入沸騰。SpaceX直播顯示，SpaceX首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克早早來到控制中心觀看發(fā)射，不時與周圍同事交流。在倒計時還有40秒時，“星艦”發(fā)射一度停滯，控制中心內觀看人群有些騷動。SpaceX直播間主持人兼工程師約翰·因斯普魯克立刻表示，這是發(fā)射計劃內的“小意外”，大約一兩分鐘后發(fā)射將繼續(xù)。在距離發(fā)射還有30秒時，就已經(jīng)有人開始忍不住高喊倒計時。隨后，“星艦”底部朝六個方向噴出橙色火光，第二次測試飛行正式開始。

發(fā)射升空約2分45秒，第二級飛船啟動6臺猛禽發(fā)動機，并與第一級重型助推器分離。級間熱分離是此次“星艦”首度推出的分離方案，這次測試中進行了成功驗證?！靶桥灐卑l(fā)射升空約3分20秒，重型助推器在墨西哥灣上空爆炸?！靶桥灐眲t繼續(xù)飛行，在高度達到148公里，速度達到24124公里/小時后，直播畫面的數(shù)據(jù)就停止了更新?！靶桥灐卑l(fā)射升空約11分30秒，SpaceX宣布確認“星艦”未能按計劃飛行。隨后因斯普魯克在直播間證實， “星艦”已被迫觸發(fā)其自毀系統(tǒng)。

“星艦”發(fā)射直播經(jīng)歷各種意外已是家常便飯。此前的11月15日，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）批準了“星艦”的第二次試飛。SpaceX同日宣布將于當?shù)貢r間11月17日8點執(zhí)行發(fā)射。但馬斯克隨后在社交平臺X上表示，由于需要更換格柵翅執(zhí)行器，“星艦”發(fā)射被推遲至18日。格柵翅執(zhí)行器是火箭助推器回收的重要部件之一。得知此消息后的眾多航天愛好者在X上發(fā)文稱，“不出意外的話，又出意外了”。

SpaceX官網(wǎng)顯示，本次試飛飛船未計劃進入近地軌道，只是繞地球飛行約3/4圈，并計劃演示一二級火箭的分別回收。第一級助推器將在分離后墜落墨西哥灣，第二級飛船再入大氣層后將以類似航天飛機的姿態(tài)返回，降落夏威夷附近的太平洋海域。此舉也是為了避免讓飛船在發(fā)動機點火失利的情況下變成環(huán)繞地球的“巨型太空垃圾”。由于航天器試飛后普遍選擇降落在海里，航天愛好者們稱航天器入海為“炸魚”，一級助推器入?！罢ㄐ◆~”，二級飛船入?！罢ù篝~”。

由于“炸魚”行為，SpaceX每次發(fā)射還要獲得美國魚類及野生動物管理局（FWS）等機構的批準。馬斯克9月曾在X上表示，F(xiàn)AA審批相對順利，最讓他頭疼的是FWS的審批，他“甚至想為此去辦個釣魚證”。不過，SpaceX在11月16日及時拿到了FWS的批準證書。

中國科學院國家空間科學中心研究員周炳紅對《中國新聞周刊》說，“星艦”首飛僅正常工作了62秒，多項試驗未能完成，此次試飛的計劃飛行任務基本完成，飛船首次到達了太空，但回收目標沒有實現(xiàn)。最大的進展首先在于，一級助推器33臺猛禽發(fā)動機成功實現(xiàn)并聯(lián)，打破了蘇聯(lián)N1火箭的30臺發(fā)動機并聯(lián)的紀錄，后者從未同步正常工作過；其次是實現(xiàn)了一二級熱分離。

據(jù)SpaceX官網(wǎng)信息，本次試飛最主要的變化是首次采用級間熱分離方式，即“星艦”的二級飛船在還未與一級助推器分離時，就點燃發(fā)動機，避免失去推力。SpaceX在直播中表示，熱分離具有載荷入軌優(yōu)勢，能增加大約10％的運載能力。除了級間熱分離系統(tǒng)外，本次試飛還推出了用于超重型猛禽發(fā)動機的新控制系統(tǒng)，加固了發(fā)射臺、安裝了水冷鋼制火焰偏轉器，以及許多其他改進措施。馬斯克9月曾表示，自4月份首飛以來，SpaceX對“星艦”進行了1000多次修改，今年對“星艦”項目的投資可能會達到30億美元。

楊宇光則認為，本次試飛“進展很大，問題不少”。現(xiàn)場只能看到33臺發(fā)動機從發(fā)射直到一二級分離始終“都在工作”，但是不是始終正常工作，這還要等SpaceX后續(xù)的發(fā)布。從一分離就爆炸的現(xiàn)象來看，一級助推器還剩余很多推進劑，本來要制動、調頭，演示回收技術，但發(fā)動機重啟出現(xiàn)了問題，造成分離后迅速爆炸。理論上，一二級的分離點距地面50～60公里高，那里大氣已經(jīng)非常稀薄，環(huán)境干擾很小?？紤]到多發(fā)動機并聯(lián)的動力學復雜性，不能排除一級的震動對二級的破壞埋下隱患的可能性。因此，還不能斷言已經(jīng)完全實現(xiàn)了這一并聯(lián)技術。

楊宇光表示，熱分離也存在技術問題?！靶桥灐痹跓岱蛛x時，一級助推器會被二級的火焰直接吹襲，可能影響箭體的復用。這一過程一二級之間若配合不好，可能形成相對速度，導致火箭的機械撕裂與損傷。SpaceX在直播中也提到，助推器很有可能會對第二級發(fā)動機造成損害，因此，此次測試需要驗證火箭箭體是否能夠承受這種分離方式。

周炳紅認為，海洋打撈火箭殘骸費時費力，因此不是SpaceX的優(yōu)先目標，其主要通過系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)進行分析，而具體故障原因要等后續(xù)官方發(fā)布。SpaceX在18日的直播中也表示，其不打算從超重型助推器或飛船上回收任何硬件。但此次發(fā)射任務的首要目的是獲得遙測和地面數(shù)據(jù)，特別是關于飛船再入大氣層期間的溫度以及隔熱罩性能等。SpaceX希望在多次飛行測試中收集盡可能多的數(shù)據(jù)。

SpaceX官網(wǎng)顯示，“星艦”是SpaceX研發(fā)的可重復利用重型運載火箭，該火箭分為兩級，一級為“超重型助推器”，并聯(lián)安裝33臺“猛禽”液氧甲烷發(fā)動機；第二級為擁有6臺猛禽發(fā)動機的飛船，也即“星艦”本體?！靶桥灐苯剀壍雷畲筮\載能力為250噸，可回收狀態(tài)下為150噸。

SpaceX聯(lián)合美國國家航空航天局（NASA）于2019年發(fā)布登月計劃，預計在2024年實現(xiàn)環(huán)月飛行，2025年實現(xiàn)登月所需的人類著陸系統(tǒng)測試，這一計劃被稱為“阿爾忒彌斯計劃”。在該計劃中，太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）火箭、“獵戶座”飛船、登月版“星艦”是不可或缺的三個部分。前二者已經(jīng)完成研發(fā)，SLS已于去年11月順利完成首次試飛，它將承擔運送航天員前往太空的任務。登月版“星艦”的任務則是與月球“門戶”空間站對接，運送航天員執(zhí)行登月任務。該任務成功的前提是實現(xiàn)“星艦”的廉價運作、快速部署和高度可靠回收復用，這構成了“星艦”項目的核心挑戰(zhàn)。

周炳紅預測，原計劃在2024年實現(xiàn)的環(huán)月飛行、2025年實現(xiàn)的登月日程已經(jīng)非常緊迫，可能SpaceX在4～6個月后就要進行下一次“星艦”試飛。楊宇光認為，下一次試飛時間很難說，就目前“星艦”的表現(xiàn)看來，如果一直堅持現(xiàn)有技術路線，2025年登月計劃大概率要擱淺了。此次暴露的各種問題很可能造成之前生產(chǎn)的幾百臺猛禽發(fā)動機全部報廢，重新設計制造的時間成本巨大。

楊宇光指出，目前“星艦”的表現(xiàn)與登月計劃的要求差距很大，首先它還沒成功入軌，其次沒有實現(xiàn)兩級回收和再發(fā)射。最關鍵的是，在這兩步基礎上還要實現(xiàn)燃料的在軌加注。到目前為止，沒有低溫推進劑能夠在軌儲存非常長的時間，后續(xù)需克服的技術難題還有很多。

即便如此，包括路透社在內的多媒體在發(fā)射后表示，“星艦”已經(jīng)創(chuàng)造歷史。SpaceX在直播中稱，“星艦”是世界上最強大的運載火箭，它的推力大約是土星5號火箭的兩倍，隨著未來發(fā)動機的升級，它的推力將增加三倍。這些改動將使其能夠將150～250噸的貨物送入軌道。對比“獵鷹9號”，迄今為止最重的有效載荷約為17噸。有效載荷決定了未來航天運輸和星際移民的效率。為提升有效載荷，“星艦”無疑是同類火箭中塊頭最大的，僅一級助推器就有70米高，與完全集成的“獵鷹9號”高度相同。二級飛船的高度堪比自由女神像，而箭體總高度和電影中怪獸哥斯拉的高度相當。

楊宇光認為不能以個頭和現(xiàn)有技術進行排名。單論技術的話，“星艦”用的技術非常先進，但它沒有成功發(fā)射過。成功發(fā)射的火箭中，從有效載荷也就是近地軌道能力來看，保持“人類最大運載火箭”稱號的是冷戰(zhàn)期間用于“阿波羅”登月計劃的美國土星5號火箭，具備約130噸有效載荷，但起飛推力遠遠小于“星艦”。第二名是蘇聯(lián)的“能源號”火箭，它的有效載荷大概是100噸。第三名就是美國現(xiàn)役的SLS火箭，有效載荷95噸左右。承載“星鏈”計劃的“獵鷹”重型火箭，近地軌道能力大概是60多噸，屈居第四。

楊宇光進一步指出，高性能低造價是“星艦”的優(yōu)勢。SLS一級火箭用了4臺發(fā)動機，每臺價值1億美元。而馬斯克曾公開表示猛禽發(fā)動機的造價為一臺25萬美元，業(yè)內人士分析稱，保守估計實際市場價格是200萬美元左右，總造價依然遠遠低于SLS。周炳紅認為，SpaceX財大氣粗，市場估值超過1500億美元，所以可以大膽試錯。