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星舰何时再冲云霄?你想了解的问题都在这里

来源:三体引力波 发表时间:2023-05-01 00:01:11
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星舰首飞至今余震浩荡,激荡我们思绪飞扬。太多太多的疑问与反思,经验与教训,客观与冷静,回顾与前瞻……值得我们复盘解析,反复琢磨,答疑解惑,破解疑云。


(资料图)

如何用一句话概括星舰首飞?

星舰首飞了,天地人颤了,多引擎废了,翻跟头栽了,大结局炸了。

星舰首飞最让人没料到的是什么?

对于多数人围观者来说,无疑就是星舰大结局——炸了,在烈焰中毁了。但对于马斯克及其团队来说,发射台被破坏得如此严重。看似坚不可摧的轨道发射台基座竟被轰出一个深坑,高强度水泥地面被破坏殆尽,钢筋暴露,惨不忍睹。

▲有图为证,照片来自RGV Aerial Photography

为何SpaceX没采用传统方式化解巨大火焰?

我们知道,通常火箭商都会在发射台下方建造导流槽/火焰偏转器,以及强大喷水系统,用来有效压制/化解火箭点火起飞产生的巨大火焰。

▲上图/左图为肯尼迪航天中心39A发射台导流槽。右图为星舰基地发射台。

导流槽(flame diversion trough)或称火焰偏转器(flame deflector)/水冷式火焰偏转器(water cooled flame deflector),就是将火箭点火发射喷出来的火焰引导到别处,防止高温火焰损坏地面设施和火箭本身。但施工工程量巨大,而且需要深挖。这对于处在墨西哥湾浅滩之上的星舰发射台来说,要想完美处理好海水倒灌问题,绝非易事。更要命的是,必须动用专门负责大型基础建设的美国陆军工程兵团(USACE)才行,而这种审批施工流程少说就得耗时三年五载。SpaceX根本耗不起。

一贯不走寻常路的SpaceX,于是在初期设计星舰基地时另辟蹊径,采用高架式发射台(高度~25米),内置小型喷水系统(用来喷洒液氮、水柱降噪降温抑制火焰),再加上发射台基座采用高强度混凝土浇筑(用来阻挡火箭尾焰),经过反复计算理论值告诉星舰团队,这套新式抑制系统足以抵御得住星舰起飞所释放的能量。然而,星舰首飞彻底教训了设计团队,结结实实扇里一记耳光。马斯克承认的确误判了发射台对星舰起飞推力的抵御能力。没有及时建造一套大型水冷钢板置于发射台下方。重新修缮的轨道发射台将新增这套设备,以取代原来高强度混凝土基座。

星舰发射场啥时才能满血复活?

马斯克最先许诺:一两个月就能修好发射台、地面配套系统GSE罐区。NASA局长尼尔森向媒体透露:SpaceX认为重建发射台至少需要两个月,同时第二艘星舰系统大约两个月才能准备好。4月29日最近马斯克声称,6到8周可以准备好发射台。

来自FAA方面的监管要求则需要更长时间。据悉,FAA需要对星舰首飞影响进行全面调查和评估,这一流程通常至少三个月。

尽管首飞之后FAA官方表态积极谨慎,但来自社交媒体上的少部分抱怨还是不绝于耳。距星舰发射场10公里外的伊莎贝尔港和南帕德里岛当地居民发布的照片和视频显示,强大噪音震碎了窗玻璃,沙尘暴覆盖了房屋街区。

来自美国鱼类及野生动物管理局(FWS)一份报告显示,星舰首飞造成了3.5英亩的灌木丛火灾。并且正在评估对受保护鸟类、海龟、鱼类、两栖动物及其栖息地的影响。FAA最新也已公布,正在启动一项异常应对计划,正在与当地野生动物机构协调此次影响。

毫无疑问,这次发射对内对外影响都很大。对于SpaceX自己来说,准备好下一次星舰发射至少需要两个月,最快也要今年7月份才会满血复活,蓄势待发下一艘星舰。对于外部监管监督部门来说,调查评估星舰首飞影响至少3个月。

这就是说,星舰第二飞最快也要今年8月份才可能亮相。如果这期间星舰基地修缮工程、下艘星舰系统准备、热带风暴肆虐……只要有一个耽搁一阵子,都会造成今夏无缘第二飞。

预计啥时星舰才能成功入轨?

4月29日,马斯克在Twitter Spaces付费订阅账号里透露了一连串干货信息。其中谈到了这个热门话题。老马认为,2023年让星舰成功入轨的概率为80%,12个月内概率为100%。

这就是说,老马给出了新誓言:2024年5月前星舰必定成功进入轨道。事实上,这是一个比较靠谱的时间预期。毕竟开发史上最强最复杂巨箭绝无可能一蹴而就,一飞冲天。至少需要三五次挑战试飞,递进式实测,才能在一年内抵达轨道。

星舰首飞验证三大成就:①发射升空阶段没有炸掉发射塔等第0级;②整箭结构经得起严苛实测;③一二级集成经受住严苛考验。

与此同时,至少也暴露出三大问题:①发射台配套设施并不可靠;②第二代猛禽真飞并非全部可靠;③自动飞行终止系统并不100%可靠。只有全部解决已经暴露的问题,星舰第二飞才会飞得更远更久。在此乐观预见一下,星舰第二飞有能力突破一二级分离阶段,甚至星舰飞船可能进入跨大气层轨道(星舰目标轨道:近地点65公里——远地点235公里)。接下来几个关键点就不敢奢望了。

下一艘星舰系统何时亮相?

马斯克透露,下一艘星舰飞船大约三周内准备就绪,但他没有说明具体是哪艘星舰。目前已知有10艘星舰飞船正在渐进打造,7枚超重型火箭正在渐进建造中。最可能的星舰组合:S26+B9集成第二飞;S27+B10集成第三飞。似乎测试目标很明确,尽可能让星舰飞船进入跨大气层轨道。因为S26、S27这两艘星舰飞船都未安装前后翼和隔热罩,貌似裸机发射。这意味着只要星舰第二次试飞中,第二级星舰飞船能够顺利分离,进入大约65公里近地点就是成功!根本没奢望飞完全程(再入大气层、俯冲海上溅落)。只要成功进入轨道就是巨大飞跃!

猛禽足够用吗?

显而易见,测试早期阶段每次发射星舰都很费发动机,每次都得费掉39台猛禽(第一级超重型33台+第二级星舰飞船6台),这还不算发射前随时换掉的数量。随着加速测试星舰,猛禽真的足够用吗?对此,老马表现的很凡尔赛,很有底气地透露:制造工厂已经放慢了生产速度,因为SpaceX拥有的猛禽量已经多到不知道该怎么办。根据目前所知,猛禽现有库存至少几百台。

星舰项目耗资多少?

早在2018年星舰基地全面启动之初,华尔街投行估算,星舰开发费用100~150亿美元。马斯克纠正道50~100亿美元,后来改称至少100亿美元。4月29日Twitter Spaces群内分享,他透露:预计今年花在星舰项目上大约20亿美元。尽管SpaceX每年都会有两轮股权融资,这会让公司员工和非公司股东有机会出售股权换成现金,但公司不需要再额外融资为星舰项目追加资金了。

从星舰首飞中吸取哪些教训?

在这次Twitter Spaces群内分享中,马斯克并没有集中谈及这个话题,而是散谈几点,归纳起来至少四点:

①严重低估了星舰起飞造成的破坏力,严重高估了发射台的抵御能力。接下来重新修缮的轨道发射台时,新增建造一套大型水冷钢板设施铺设在发射台下方,以取代原来高强度混凝土基座。

②从点火到起飞大约需要5秒钟(SpaceX官网发布的发射操作流程显示的是8秒钟),这对于发射台来说无疑是一段很长时间,下次星舰发射时会更快飞离发射台,尽量将时间缩短一半。

③星舰巨大推力殃及到地面配套系统GSE罐区,接下来会更换并改变大型油罐,将立式罐改成卧式罐,尽量减少阻力面。尚不清楚具体改进方案。现有GSE立式油罐共有8个,4个液氧罐、2个液氮罐、2个冷水罐,采用套娃式嵌套两层罐,外层直径12米,内层直径9米、高27.5米,略高于星舰一半高度。而液态甲烷罐全部采用卧式罐,大中型甲烷罐多达9个。

④自动飞行终止系统(AFTS)从发出指令到最终启动,大约经过40秒左右,耗时太长了,才炸掉星舰,所以并不完全可靠。接下来花费时间最长的项目可能就是自动飞行终止系统必须重新验证。

为啥起飞之初星舰就开始横向飞离发射塔?

马斯克答得干脆利落:因为发动机故障所致。星舰起飞前点火之际,就有3台猛禽发动机没有启动,因为系统检测出「不够健康,无法达到全推力指标」。所以导致了星舰起飞后就开始横向飞离发射塔,这并非预先设定有意为之。通常火箭从发射台起飞至少10秒钟之后才会逐渐转向,但这次发射整个星舰从飞离发射台便开始偏离垂直方向,明显偏向东侧海岸方向移动。

上升阶段突然爆炸到底啥原因?

根据马斯克描述,星舰发射升空大约27秒,一台猛禽发动机与地面飞控团队失联了,导致发生「某种充满活力的事件」(意思是发生爆炸),炸坏了周围几台发动机隔热保护罩,从而造成17、18、19、20号发动机熄火。

作为围观看直播画面的我们,看到的是:T+32秒开始(可能是直播信息有延迟,与马斯克所说的发射升空20秒有出入),超重型火箭尾焰突显异常,骤然变色变大。紧接着几秒钟内,莫名其妙地发生一次箭体底部爆炸。

▲星舰首飞速度变化示意图‍‍

▲星舰首飞高度与速度变化示意图

▲星舰首飞高度、速度、飞行距离变化示意图

▲星舰首飞第一级超重型推进剂消耗量变化示意图

星舰首飞为啥没让一二级分离?

马斯克言简意赅答道:星舰没有到达SpaceX预先设定的「一二级分离操作要求的安全点」。根据专业人士飞行模拟测算,飞行高度至少达到64公里,飞行速度每秒8公里左右,才会达到分离操作条件。

畅想未来,着眼当下。星舰首飞只是个开始,预示星舰时代来临的开始。我们有幸见证一款名叫星舰的未来加速器正在横空出世,试图改变世界,开创一个全新太空时代。

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