星艦二飛：“煙花秀”重演，但驚喜連連

2023 年11 月18 日，星艦進(jìn)行了第二次全面飛行測(cè)試。一開(kāi)始，星艦順利起飛，超重型火箭表現(xiàn)得十分出色，像一只展翅高飛的雄鷹，搭載著星艦飛船劃破長(zhǎng)空，并成功完成了與星艦飛船的分離。然而，好景不長(zhǎng)，超重型火箭在回收過(guò)程中再次上演了一場(chǎng)“煙花秀”，爆炸成了一團(tuán)火球。星艦飛船在升空8 分鐘后，于148 千米的高空與地面失去聯(lián)系，隨后啟動(dòng)自毀系統(tǒng)，結(jié)束了這次旅程。

據(jù)分析，超重型火箭爆炸最有可能的原因是通向猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的液氧管線被堵塞，一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生能量故障，最終導(dǎo)致火箭“放煙花”。

星艦飛船的故障原因則是液氧泄漏引發(fā)的起火和爆炸。盡管這次試飛沒(méi)有挾帶貨物，不需要那么多推進(jìn)劑，但星艦飛船還是按未來(lái)有帶貨需求的情況裝載了額外的液氧，以收集相關(guān)數(shù)據(jù)。在重返大氣層前，它需要按飛船回收時(shí)真正所需的推進(jìn)劑質(zhì)量排出這些過(guò)量的液氧。當(dāng)液氧排氣口啟動(dòng)時(shí)，飛船尾部發(fā)生泄漏，導(dǎo)致事故發(fā)生。如果這次試飛真挾帶了貨物，液氧被正常消耗掉，反而不會(huì)發(fā)生這樣的事故。

連闖數(shù)關(guān)，大有進(jìn)展

盡管星艦第二次試飛以失敗告終，但星艦在飛行中連闖數(shù)關(guān)，雖敗猶榮，取得了不少可圈可點(diǎn)的進(jìn)展。

一是超重型火箭“火力全開(kāi)”。超重型火箭的33 臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)全部成功啟動(dòng)，它們猶如一群強(qiáng)勁的野馬齊頭并進(jìn)，力量十足，并且首次在上升過(guò)程中完成了全程燃燒。

二是超重型火箭與星艦飛船完美分離，新設(shè)計(jì)的極具挑戰(zhàn)的熱分離技術(shù)首次嘗試就大獲成功，船箭分離干凈利落。

三是星艦飛船沖上云霄。星艦飛船的6 臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)全部成功啟動(dòng)，推動(dòng)飛船到達(dá)了約150千米的高度。飛船猶如一顆璀璨的流星劃過(guò)天空，成為第一艘到達(dá)外層空間并幾乎完成全程燃燒的星艦飛船。

分離還分“冷”與“熱”？

星艦在第二次試飛中層層闖關(guān)，經(jīng)歷了一系列的考驗(yàn)。其中最艱難的一關(guān)是什么呢？那就是驗(yàn)證新設(shè)計(jì)的用于超重型火箭與星艦飛船分離的熱分離技術(shù)。

你可能會(huì)問(wèn)，分離還分“冷”與“熱”？確實(shí)如此。全世界大多數(shù)的運(yùn)載火箭都是多級(jí)的，如同接力賽跑，逐級(jí)加速，將航天器送入軌道。多級(jí)火箭一般有2 到4 級(jí)，由單級(jí)火箭串聯(lián)或并聯(lián)組成。在飛行過(guò)程中，每一級(jí)火箭完成任務(wù)后通過(guò)特定的分離機(jī)制與后續(xù)級(jí)分離，稱(chēng)為級(jí)間分離。那么火箭的不同級(jí)是怎么分開(kāi)的呢？有兩種截然不同的方式，就像兩種不同的接力賽接棒方式，分別是冷分離和熱分離。以下我們以兩級(jí)火箭為例，進(jìn)行二者的比較。

冷分離是指第一級(jí)火箭完全停止燃燒后，第二級(jí)火箭才開(kāi)始點(diǎn)火，依靠分離機(jī)構(gòu)使兩級(jí)分離。就像接力賽中，一個(gè)運(yùn)動(dòng)員跑完一程后完全停下來(lái)，再由下一個(gè)運(yùn)動(dòng)員開(kāi)始跑。這種方式可以避免混亂和意外發(fā)生，確保安全性和可靠性。

熱分離是指第一級(jí)火箭仍在燃燒時(shí)，第二級(jí)火箭就開(kāi)始點(diǎn)火，靠第二級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的高溫燃?xì)饬靼训谝患?jí)火箭推開(kāi)，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)分離。就像接力賽中，一個(gè)運(yùn)動(dòng)員即將到達(dá)接力點(diǎn)還在全力沖刺的時(shí)候，下一個(gè)運(yùn)動(dòng)員就開(kāi)始跑。這種方式需要精確的時(shí)機(jī)和配合，以確保任務(wù)實(shí)施順利。

雖然冷分離和熱分離各有優(yōu)劣，但冷分離更為常見(jiàn)，因?yàn)樗夹g(shù)成熟，難度較小，能夠保障系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。冷分離的缺點(diǎn)在于：首先，它需要專(zhuān)門(mén)的分離機(jī)構(gòu)，這增加了火箭的結(jié)構(gòu)重量，降低了火箭的載貨能力；其次，在分離的時(shí)候，第一級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)停止，第二級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尚未點(diǎn)火，火箭短暫處于無(wú)動(dòng)力狀態(tài)，受到空氣阻力的影響，會(huì)略微降低火箭的速度和加速度，也會(huì)影響火箭的載貨能力；此外，這種方式分離時(shí)間較長(zhǎng)，姿態(tài)控制系統(tǒng)的失控時(shí)間也較長(zhǎng)，對(duì)火箭姿態(tài)略有影響。

相比之下，熱分離的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需專(zhuān)門(mén)的分離機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化了分離步驟，提高了火箭的可靠性。在分離時(shí)，第一級(jí)火箭剛關(guān)機(jī)，第二級(jí)火箭便無(wú)縫銜接進(jìn)行點(diǎn)火，沒(méi)有無(wú)動(dòng)力飛行段，飛行期間無(wú)能量損失，有助于提高火箭的載貨能力。此外，火箭始終處于有動(dòng)力可控狀態(tài)，分離速度快、分離時(shí)間短，對(duì)火箭姿態(tài)影響較小。但是，熱分離的缺點(diǎn)也非常明顯：第一級(jí)火箭需要特殊的設(shè)計(jì)來(lái)避免被第二級(jí)火箭的熱氣流和火焰所影響，這會(huì)增加火箭的高度和重量；要求控制系統(tǒng)非常精確，若第一級(jí)火箭關(guān)機(jī)延遲或后效較大，分離后第一級(jí)火箭有可能再次往前沖，撞擊第二級(jí)火箭，存在一定的危險(xiǎn)性，這也是熱分離技術(shù)未得到廣泛應(yīng)用的主要原因之一。

由“冷”轉(zhuǎn)“熱”，首次嘗試熱分離就一舉成功

超重型火箭與星艦飛船分離最初采用的是冷分離方式。在第二次試飛任務(wù)中，專(zhuān)家們最大膽、最困難的挑戰(zhàn)就是把冷分離改成熱分離。馬斯克表示：“我們做出了一個(gè)最新的突破性改變，這種新的級(jí)間分離方式非常重要?！痹跓岱蛛x過(guò)程中，超重型火箭會(huì)給星艦一個(gè)小小但至關(guān)重要的推力，讓星艦飛得更高、載更多的貨物。據(jù)估計(jì)，這種方式能讓星艦的運(yùn)載能力提升約10%。

超重型火箭與星艦飛船分離要成功地由“冷”轉(zhuǎn)“熱”，需要進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)改變。在星艦飛船與超重型火箭分離前幾秒， 超重型火箭的30 臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)迅速關(guān)閉，只保留3 臺(tái)中心發(fā)動(dòng)機(jī)并以50% 的推力持續(xù)推進(jìn)。與此同時(shí)，星艦飛船的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)噴流作用到超重型火箭頂部的推力可以達(dá)到級(jí)間分離的目的。但是，這會(huì)導(dǎo)致對(duì)超重型火箭的沖擊，所以必須保護(hù)它的頂部，以免被星艦飛船的發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰燒毀?？茖W(xué)家們給超重型火箭的頂部加裝了一個(gè)新的防護(hù)部件——熱分離級(jí)間段，這一變化導(dǎo)致星艦“長(zhǎng)高”了，全箭比首飛時(shí)增高了1 米。

熱分離級(jí)間段包含熱防護(hù)頂蓋和熱分離排焰環(huán)兩部分。熱防護(hù)頂蓋就像是一頂“熱防護(hù)帽子”，覆蓋了超重型火箭頂部的大量設(shè)備，以免被星艦飛船發(fā)動(dòng)機(jī)的尾焰燒毀。熱分離排焰環(huán)被設(shè)計(jì)成大的鏤空網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，用于快速對(duì)星艦飛船發(fā)動(dòng)機(jī)排放的大量高溫燃?xì)膺M(jìn)行導(dǎo)流，將尾焰引向一邊，可以有效地防止火箭爆炸。排焰環(huán)還能起到在超重型火箭頂部增加一層隔熱層的熱防護(hù)作用。

熱分離是星艦第二次試飛中“ 最危險(xiǎn)的部分”，成功闖過(guò)這一關(guān)的概率只有60%。SpaceX 曾表示，如果星艦順利熱分離，就可以認(rèn)為這次試飛任務(wù)成功。第二次試飛起飛后大約2分48 秒，超重型火箭和星艦飛船之間的連接成功解鎖，實(shí)現(xiàn)了完美的熱分離。首次嘗試便成功地驗(yàn)證了這一技術(shù)，真是令人激動(dòng)！

雖然熱分離技術(shù)以前在蘇聯(lián)、俄羅斯和美國(guó)早期的一些火箭上使用過(guò)，但這是第一次在如此巨大的火箭上成功應(yīng)用。這一技術(shù)上的重大突破，讓星艦的載貨能力達(dá)到了新的高度。

SpaceX 表示， 星艦第二次試飛的主要目標(biāo)是測(cè)試上升階段，驗(yàn)證超重型火箭的飛行能力，其他成果都是意外之喜。所以盡管這次試飛再次上演“煙花秀”，但超重型火箭與星艦飛船的發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性都有了巨幅提升，達(dá)成了多個(gè)重要目標(biāo)，可以說(shuō)是“驚喜連連”。星艦邁出了巨大的一步，為后續(xù)的第三次試飛鋪平了道路。