就在刚才，北京时间21点25分，美国太空探索技术公司（以下简称SpaceX）研发的、代号为“星舰”的重型运载火箭，在得克萨斯州的自建发射场进行了第3次试验性发射。


截至本文推送时，此次试飞仍在进行中，已完成的步骤包括：


  • 代号为B10的星舰一级飞行正常，33台猛禽发动机均成功点燃并正常工作；


  • “热分离”系统成功分离火箭一二级；


  • 分离后，B10完成返回点火，在尝试着陆点火时姿态失控，未能完整落海；


  • 代号为S28的星舰二级飞行正常，6台猛禽发动机均成功点燃并完成一次关机，将S28顺利送入试飞轨道。


接下来，S28将进行3项重要在轨试验。如果一切顺利的话，起飞40多分钟后，星舰二级将再入地球大气层。高达50米的巨大航天器重返地球怀抱，与稀薄的高层大气发生剧烈摩擦，犹如流星一般在印度洋的天空中划出一道光芒。


这将是航天飞机2011年退役以来，人类首次有如此规模的可重复使用航天器再入大气层。


星舰第3次试验性发射时序


相对于星舰前两次“戛然而止”的不完美试射，第三次发射至少目前看来，前半程飞行还算圆满，将星舰研发进度坚实推进了一大步。


自上次发射至今4个月的“归零”时间里，一直秉承“快速迭代”理念的SpaceX再次对星舰做了哪些升级改造，星舰距离载人登月还要面对多少坎坷挑战，今天我们逐一盘点。


星舰S28和B10组合体 | SpaceX


回顾前两飞，每“炸”都有进步


星舰全箭直径9米，高121米，箭体材料主要采用不锈钢。


第一级被称作“超重型助推器”，高达71米，可加注推进剂3400吨，起飞总推力达到惊人的7590吨，是“阿波罗计划”使用的土星5号重型火箭的2倍多。


第二级实际上是特殊的飞船，高约50米，可加注推进剂1200吨，推力1500吨左右。第二级顶部设置有类似航天飞机的可开合式载荷舱，同时迎风面覆盖有隔热瓦，具备载荷下行和回收复用能力。


从星舰基地大门看到的星舰S28+B10 | SpaceX


为了驱动庞大的箭体，星舰一级使用33台海平面推力230吨的“猛禽”液氧甲烷发动机，二级使用6台猛禽，其中3台为真空版“猛禽”，真空推力285吨。


作为人类首款实用化的全流量分级燃烧循环发动机，SpaceX公司宣称星舰在猛禽的助力下可实现近地轨道不低于150吨的重复使用运力，而一次性发射状态运力可高达250吨。


2023年4月20日，星舰进行首次试射，火箭升空不久即发现有3台发动机工作不正常，火箭起飞后坚持了62秒，从第85秒开始失去推力矢量控制并开始旋转，最高飞行至距地面39公里高。当时发射团队选择自毁火箭，但系统作用延迟，耗时40秒才将火箭解体，发射宣告失败。


首次试射时呈现倒栽葱状态的星舰 | NasaSpaceFlight


7个月后的11月18日，星舰进行了第二次试射，这次代号为B9的一级飞行正常，多达33台发动机均成功点燃并正常工作至分离。随后，全新设计的火箭“热分离”系统成功分离火箭一二级。


但接下来第一级在回收点火过程中突然爆炸。之后，“星舰”代号为S25的二级正常飞行约6分钟，但在接近燃尽关机时突然自毁失联。


在这次发射中，一级33台发动机打了一场“翻身仗”，工作堪称完美。虽然在回收阶段出现异常，但在上升阶段，星舰已经大大超越了曾经4射4炸的前苏联N-1重型运载火箭。SpaceX成功打破了单芯级多发并联不可靠的魔咒，N-1的在天之灵终于可以瞑目了。


第二次试射时一级33台猛禽同时点燃并可靠工作 | SpaceX


艰难出炉的二次试射“归零”报告


去年底的第二次试射虽然取得了明显进步，但是火箭一二级先后发生爆炸，是安控启动导致的自毁，还是其他原因导致的爆炸，SpaceX一反常态对爆炸原因三缄其口，坊间也是众说纷纭。直到发射后3个月的2月27日，SpaceX才发文梳理了第二次试射的情况。


星舰第二次试射中，一级上的所有33台猛禽发动机都成功启动，并首次在整个上升过程中正常工作。星舰随后成功进行了热分离，这是该技术首次在这种尺寸的火箭上成功运用。


热分离瞬间 | NasaSpaceFlight


在两级分离后，火箭一级启动了返场点火，向一级33台猛禽发动机中的13台发送命令，将火箭推向预定着陆位置。在这次点火过程中，几台发动机开始（意外）关闭，然后一台发动机发生严重故障（failed energetically，应该就是爆炸），迅速连锁导致整个一级发生爆炸 （RUD）。


SpaceX认为火箭一级爆炸最可能的原因（请注意这里用词是最可能，most likely root cause）是，向发动机供应液氧的过滤器堵塞，导致发动机氧化剂涡轮泵的进气压力降低，因而一台发动机发生故障，最终导致火箭爆炸。


此后，SpaceX对B10的液氧贮箱实施硬件改进，以提高推进剂过滤能力，并改进发射流程以提高可靠性。


而星舰的二级在分离后，成功点燃了所有6个猛禽发动机，并正常爬升。直到飞行大约7分钟后，按计划开始排放过量液氧推进剂。因为试射未搭载有效载荷，但星舰加注了过量推进剂，以收集在未来搭载有效载荷状态下的飞行数据，而这些推进剂需要在飞行中途泄放掉，以满足溅落海面时所需的推进剂质量目标。


当液氧排放口启动时，星舰后部的泄漏导致火灾，致使星舰飞控计算机的通信中断，从而导致6台发动机提前异常关机。随后，星舰安控系统检测到违反任务规则并触发自毁系统，导致星舰自爆解体。当时星舰处于约150公里高度，以约24000公里/小时的速度飞行。


星舰二级并未完全解体，仍有头锥部分再入 | AstronomyLive


反观作为星舰“第零级”的发射塔，在第一次飞行测试之后升级的水冷钢板倒是符合预期，仅需少量的维护和翻修即可执行下一次发射。


第二次试射后的水冷钢板系统，状态良好 | SpaceX


第二次试射结束后，SpaceX在美国联邦航空局的监督下开展调查工作。层出不穷的问题使SpaceX研发团队陷入了一种“按下葫芦浮起瓢”的困境。但可喜的是，每次后续试射的整改项目都在减少，同时火箭的状态也愈加稳定。


随着第二次试射的“归零”结束，针对第三次发射的改进项目也浮出水面。


三项新测试，小改不间断


星舰第三次的发射计划与前两次大体一致。两级顺利分离后，火箭一级像猎鹰9火箭第一级返场回收一样，完成调头、点火、反推等流程。不过，出于安全性考虑，星舰一级没有飞回发射场进行捕获回收，而是下落至距发射场不远的海面上，启动发动机反推，并缓缓落海。


仍在飞行的星舰第二级则将在绕地球飞行约半圈后再入大气层，并以类似航天飞机的姿态返回，隔热瓦在承受再入高温后，保护第二级进入大气内滑翔并最终坠入印度洋，完成验证使命。


虽然整体发射计划架构未变，但一直秉承“以飞代试”理念的SpaceX，每一次试射都在融入更多的测试项目，逐步完善星舰的设计和试验数据。第三次试射的任务内容，相对上两次发射增加了三项试验项目，这三项对日后的星舰登月至关重要。


第三次发射首先要尝试开闭星链释放舱门，而前两次发射中该舱门是焊死的。但是由于没有真正进入绕地轨道，因此无法真正释放星链卫星，否则倒是可以一窥星舰目前的实际运载能力。


星舰的星链部署舱门开启 | 每日宇航员


星舰的星链部署舱门开启后内部视角 | 每日宇航员


然后是进行低温推进剂的转移测试，不过不是在两艘星舰之间，而是在星舰主贮箱和头部贮箱之间，为后续的大规模在轨加注做准备。这不仅是NASA的一个付费验证演示项目，也是实现星舰登月的必备技能。这个坎过不去，星舰登月就无异于痴人说梦。


推进剂转移示意图 | CB3D


最后的项目是猛禽的二次点火（离轨点火），这个之前亚轨道试射中也做过，但在卡门线外是第一次。


值得注意的是，这次发射严格意义上仍为亚轨道发射——预期轨道的近地点仅有50km，即使没有测试离轨点火，星舰也无法做到“绕地一圈”这个入轨的基本条件。


而经过离轨点火后，星舰速度减少100m/s，星舰再入轨道会更加陡峭，起飞仅45分钟后就再入大气层。这样设计任务是考虑到即使二次点火失败，星舰仍会再入大气层并坠入无人的海上落区。


预定落区在澳大利亚和印度之间的大洋上 | planet4589


除此之外，第三次试射SpaceX还改进了加注系统，将以往的1.5小时缩短至一半。现在，只需要大约 45分钟，就能灌注近5000吨的过冷低温推进剂，是猎鹰9号火箭的9-10倍，加注时间却与猎鹰9号基本一样。缩短加注时间，既有助于控制推进剂温升，减少推进剂蒸发和浪费，更有利于充分利用过冷状态的高密度装载更多推进剂，提高火箭性能。


还有，发射台也在以往水冷钢板的成功经验上，又针对性地进行了隔热补强。


星舰虽然总体定型，但在具体结构上，依然在不断地修正和迭代。根据事故调查报告和整改信息，SpaceX进行了17项整改。经过两次试射的非官方对照分析，其实改进远不止17项。


仅火箭一级值得一提的改进就包括栅格舵的结构优化，用于传输遥测数据的星链终端也进行了改进。而贮箱的上底结构也进行了优化。火箭起吊的支撑点也有一定结构修改。


最重要的就是推进剂的流体管理，上次试飞一级爆炸时，坊间就有分析，残余推进剂在调头时大幅晃动导致的水锤效应可能是一级爆炸的元凶。虽然最终报告矛头指向过滤系统，但从外壳多出的焊点来看，SpaceX仍可能增设或改进了贮箱内部的防晃挡板。


S28增设了星链天线 | 每日宇航员


一级贮箱上底结构的变化 | 每日宇航员


而在二级方面，仅从编号来看，S25到S28的变化也要比B9到B10大得多。


S28的发动机摆动机构追上了B10的改进，从液压驱动改成了独立的电机驱动。这不仅简化了结构，还降低了重量，更减少了共因失效概率，不会再出现发动机摆动控制集体失效的情况。


隔热瓦的分布也有明显变动，但零星的脱落现象目前仍无法避免。二级也增设了多个星链天线，传输数据量将相当可观。此外还增设了飞机使用的静电释放刷。液氧贮箱外表也可见增设了一圈加强肋。上次导致火灾的液氧泄放口也做了优化。


修改后的液氧泄放口 | 每日宇航员


登月进度推推推，登月测试做做做


2021年，NASA宣布SpaceX被选为美国“阿尔忒弥斯”重返月球计划中“载人登月舱”的首家供应商，将在“阿尔忒弥斯-3”任务中执行首次载人登月。其设计方案是，基于星舰的二级改造一款专用于月球登陆的改版“登月舱”。


星舰项目事关SpaceX的生死存亡，3次试射虽然进步不小，但距离成为“载人登月舱”这个目标仍是前路漫漫。


上一次试射后，星舰登月舱的研发进度仍在快速推进。2024年2月，NASA专门发文介绍了SpaceX星舰登月舱的研发进展。其中，研发团队正在测试星舰登月舱的全尺寸对接口，后续实际登月时，星舰会和猎户座载人飞船，或者和月球门户空间站对接，以转运宇航员。


由于采用成熟的APAS系对接系统，同时SpaceX有货运龙飞船和载人龙飞船的多年运营经验，这部分可谓轻车熟路。


NASA宣称测试包括200多个对接场景，采用不同的接近角度和速度，这些全尺寸硬件的真实测试结果验证了登月舱对接系统的计算机模型，可以执行后续的在轨对接任务。


SpaceX与NASA联合测试星舰的对接机构 | NASA


登月版星舰（右）与猎户座飞船（左）对接示意图 | Vooper3D


除了对接之外，高大的星舰还让原本阿波罗计划中一个梯子搞定的“下船”为变成难题。由于星舰登月舱全高达50米，宇航员所在居住舱距离地面高达33米，相当于10层楼。这种高度之下，传统阿波罗式的爬梯子模式几乎是不可能的，因此配备电梯势在必行。


上世纪阿波罗计划的登月舱距地面很近，宇航员用梯子即可爬下登月舱 | NASA


近期，SpaceX和NASA联合测试了星舰的“概念版电梯”，该电梯将用于“阿尔忒弥斯-3和4”任务，吊舱空间非常富裕，不仅可以承载两名宇航员，放置货物也没问题。


NASA发布的星舰电梯概念测试进展新闻 | NASA


宇航员乘电梯降落至月球表面 | NASA


除对接和电梯外，NASA还宣称SpaceX已经通过了星舰登月舱的发电、通信、制导和导航、推进、生命支持和空间环境保护所需的各项硬件测试，完成了30多个登月舱项目里程碑节点。


还有信源透露，SpaceX正在测试星舰登月舱的小型着陆发动机，目前已生产37台，但具体命名不详。该发动机同样采用液氧甲烷组合，推力两倍于载人龙飞船逃逸时所用的“超级天龙座”发动机（Super Draco）。该发动机用于星舰着陆月面过程中的姿态调整和减速，登月舱预计将以环形排布方式安装24台，且互为冗余，总计产生379吨推力。


星舰2024——更多试射，更多发射台


为实现用星舰作为登月舱的目标，SpaceX需设计专门贮存和转运低温推进剂的在轨加注版星舰。为打造星舰登月舱本身，还需针对月球环境进行大刀阔斧的修改和优化。


以上构型能够实现的最关键前提，就是要实现星舰的廉价、快速和可靠的回收和重复使用，而这才是星舰项目的核心挑战，也是快速迭代的终极目的，其实也是最艰难和耗时的一步。


随着试射进度的推进，这些挑战都需要在今明两年逐步解决，否则很难赶上美国的登月进度。


基于星舰的“阿尔忒弥斯-3”任务架构，整体任务架构相当复杂 | NASA


NASA在3月公布的最新版“阿尔忒弥斯”任务时间表，星舰无人登月演示已延迟至2026年（红圈处） | NASA


目前，根据NASA最新时间表，“阿尔忒弥斯-3”首次载人登月任务的最早发射日期为2026年，但业界普遍认为这一日期过于乐观——当年还要先进行星舰登月舱的无人登月测试，因此推迟到2027年也并不意外。


虽然SpaceX马不停蹄的推进星舰项目进度，但在去年10月召开的美国登月发布会上，现任NASA局长仍公开表示对星舰进度不满。事实上星舰确实是美国载人登月“三件套”中进度最“拖后腿”的。


无独有偶，星舰的进度不仅拖累了美国的“返月大业”，也耽误了新一代星链的组网进度。


星链目前已落地72个国家和地区，用户突破260万，且仍在快速增加。星链的客户增长进度已经等不及专门适配星舰的“完全版”二代星链上天，为此SpaceX推出一版可以适用于猎鹰9整流罩的迷你版二代星链，并已开始组网。


等不及星舰的二代星链mini版已经开始发射组网｜SpaceX


3月3日，马斯克公布手机直连星链卫星的上网测速结果，使用一台无改装的普通三星安卓智能手机，速度达16.7Mb/s（相当于我们常说的2MB/s）。这预示着星链最大规模的手机直连业务即将快速推进，用户数可能迎来暴增。再加上老旧的第一代星链组网星正在陆续退役，已有的猎鹰9号火箭发射已逐渐难以满足星链发射的庞大需求，亟需星舰入役参与组网。


星舰，已经成为束缚星链扩张的“紧箍咒”。


SpaceX官宣“普通手机直连星链上网”测试成功 | X.com截图


不仅是星链组网，后续星舰的真正在轨加注，势必需要第二座轨道发射台进行周转。目前相关的钢结构件和材料都已陆续到场，第二座发射台将落户在第一座发射台旁了。


整个星舰基地一直都在大规模的进行基建，尤其是以前临时搭建的临时厂棚，现在基本都被长期使用的永久性厂房所替代的。SpaceX还将兴建一座数百万美元的办公大楼，在星舰基地所在地的累计投资也将高达1亿美元。


经过3次正式试射和密集的改进，星舰虽仍未完成普通一次性运载火箭的入轨目标，但其每次发射的进步都可圈可点，也不再有人怀疑SpaceX研发星舰的毅力和决心。距离进入绕地轨道这个目标，星舰可以说只剩一步之遥，而已经整装待发的S29很可能就将实现星舰的入轨梦。


但是，后续进入密集轨道试射的星舰仍有大量技术有待验证，尤其是回收阶段目前还未取得任何进展，还有大规模低温推进剂在轨加注这项登月“必修课”拦路在前，这也是星舰自身融合了过多新技术的必然弊端。


好在后续星舰的发射频率将逐步加快，我们将在今年看到星舰更多次数的直冲云霄，据称最多将达到9次关键发射。


星舰后续的技术挑战能否被一一攻克，这款SpaceX的“希望之箭”能否最终实现马斯克的“登月殖火”之梦，还需要无数次这样的发射去证明。

本文来自微信公众号：果壳 （ID：Guokr42），作者：跆拳道大灰狼，编辑：Steed