北京时间2024年3月14日21时25分左右，SpaceX星舰进行第三次轨道级飞行试验，发射地点仍然位于美国德克萨斯州墨西哥湾畔的博卡奇卡星舰基地。


起飞不久，星舰和超重助推火箭成功分离，助推火箭溅落在了大海。几分钟后，星舰成功进入太空，并在轨道上完成了“在轨燃料输送试验”以及“载荷舱门开合试验”，但稍有小遗憾的是，星舰离轨点火没成功，完全靠大气层刹车，最后销毁了。


星舰重返大气层拍摄到的画面，可见高温等离子体发出的微微红光。


星舰是SpaceX研发的新一代飞船，直径9米，净高50米，加上高71米的助推火箭，总体高度达121米，超越了阿波罗登月计划中使用的土星五号火箭和执行阿尔忒弥斯一号任务的Block1火箭，成为人类研发过的最强火箭发射系统。


发射前夕，矗立在发射台上的星舰S28和超重火箭（B10）组合体。


2023年11月18日，星舰在进行第二次飞行试验时，超重助推火箭由于液氧管道发生堵塞，在返航时发生了爆炸，星舰已飞到了太空的高度，但由于在排放多余的液氧时发生了起火坠毁，也没能完成既定任务。


2023年4月20日，星舰曾首次尝试轨道级发射飞行试验，但刚起飞就发现三台发动机没点燃，在飞行过程中又有三台发动机陆续出现故障，导致箭体发生异常旋转而失控，最终不得不主动引爆销毁。


SpaceX公司造火箭以快速迭代而闻名，在吸取了第一次发射失败的教训之后，在去年第二次发射的时候，进行了N多改进：加固发射台、增设喷水消音装置以及星舰和助推火箭改用了“热分离”的分离方式等等。实践表明，热分离的方式是非常有效的，本次发射仍然采用热分离。


本次发射与第二次发射相比，又进行了硬件、软件和发射流程等诸多方面的调整。主要有这几个方面的变化：


1. 星舰和助推火箭燃料的加注时间大大缩短，这得益于增设了更多的燃料泵和冷却器。


2. 发射台又进行了优化和调整，增强了隔热防护，大大缩短了发射间隔。


3. 星舰和助推火箭进行了17处重要升级，其中星舰部分升级较多，矢量喷口采用电驱动而不是液压驱动，使得引擎更加简洁，隔热瓦的位置和样式也做了改动，并增加了星链天线的数量。另外，载荷舱门可以进行打开演示，而不像上次那样是焊死的。助推火箭的格栅舵进行了调整，内部燃料管道进行了优化，延长了返航时间等。


4. 在轨燃料输送试验。进入太空后，星舰头部小燃料箱里的燃料通过内部管道输送到主燃料箱里面，验证“太空加油”的可行性。



5. 预设的飞行时间发生了变化。上次的预设时间是90分钟，本次的预设飞行时间是65分钟。上次从墨西哥湾畔起飞后，预设的轨道几乎绕地球一圈降落到夏威夷附近的海域。


看了一下地球仪，本次星舰设定降落在这片海域。


这次的预设轨道是从墨西哥湾畔起飞后，只绕地球大半圈就降落在南印度洋上。之所以这样做，推测的原因是，南印度洋相对于夏威夷海域更加广阔，周围人烟更加稀少，能够降低事故风险。


这次轨道的远地点为235公里，近地点仅为50公里，显然还在大气层以内，目的就是为了让星舰完成任务后能够有能力“自主销毁”。


一、航天界的“iPhone时刻”


星舰和超重助推火箭（Super Heavy）组合体起飞推力相当于两枚用于阿波罗登月的土星五号火箭。实际上，星舰助推火箭仅推进剂的重量就达到了3400吨，这已经超过土星五号3000吨的全箭重量了。


技术成熟之后，星舰和助推火箭都可以回收重复使用，成为第一款全复用的火箭。在未来，星舰不但可以在近地轨道部署卫星、运送载荷到空间站，还可以通过在太空中补加燃料的方式，飞往更加遥远的月球乃至火星。   


资料显示，载人版的星舰飞船，一次可搭载100名乘客。相比之下，历史上的航天飞机和当今SpaceX的龙飞船，最多只能搭载7名宇航员，俄罗斯的联盟飞船只能搭载3名宇航员。


可见，星舰是一款大载荷、多用途、可重复使用的超级飞船。有句话说得好，“火箭的运载能力有多大，人类航天的舞台就有多大”。星舰入轨发射成功，标志着航天界“iPhone时刻”的来临。


值得一提的是，截至到现在（3月份），SpaceX在轨运行的星链卫星数量已超过5504颗！这些卫星都是通过猎鹰9号火箭部署的。星舰的运载能力至少是猎鹰9号的七倍，可以想象，将来如果用星舰来部署星链卫星，该是多么恐怖的存在。


未来星舰停靠国际空间站（艺术图）。


未来星舰进入火星大气层，登陆火星的情景（艺术图）。


未来星舰进入土星轨道（艺术图）。


二、站在“巨人”肩上的星舰飞船


超重火箭完成任务，与星舰分离的情景（示意图）。


起飞阶段，星舰要靠助推火箭助力升空，这枚助推火箭的英文名是Super Heavy，通常译为超重。超重火箭高71米，安装有33台猛禽发动机，这些发动机一起工作，能够产生约76000千牛（相当于7755吨的推力）。星舰本身安装有6台猛禽发动机，当助推火箭分离后，会接力飞行，最终让星舰进入地球轨道。


在第一次发射的时候，超重火箭底部的33台发动机先后有6台出现了故障，且火箭发动机的燃烧也不是太稳定，最终以失败而告终。


4月20日，星舰首次测试发射后，满地狼藉的发射台。


事后有分析认为，第一次发射失败是由于发射台不合格导致的。发射时，火箭的强力尾焰在发射台下面发掘出了个大坑，起飞瞬间土石飞溅，场面非常狼藉，飞溅的石块损毁了发动机。因此，正如开头我们提到的，这次SpaceX对发射台进行了加固，并在底部铺设了钢板和增设了喷水消音装置，用于对抗火箭起飞时喷出的尾焰。   


星舰第二次飞行的时候，进行级间“热分离”的场景。


第二次发射的时候，超重助推火箭由于液氧管道发生堵塞，在返航时发生了爆炸，飞船已飞到了太空的高度，但由于在排放多余的液氧时发生了起火，也没能完成既定任务。


星舰的“热分离”过程示意图。


在本文开头的部分，我们还提到最近两次星舰和助推火箭均采用了“热分离”的方式，而非此前的“冷分离”的方式。


简单来讲，所谓的“热分离”是指，当助推火箭马上完成助推任务，但还尚未与星舰断开连接的情况下，星舰发动机就点火启动，尾焰会从它们之间的间隙中窜出来，此时连接两者的分离装置才启动，完成分离。所谓的“冷分离”是指，当助推火箭完成助推任务后，连接星舰与火箭的分离装置启动，当星舰与火箭分开一定的距离后，星舰的发动机才开始点火。


“热分离”简单粗暴，是早期导弹和火箭采用的分离方式。“冷分离”是目前火箭界的主流，但“冷分离”机构复杂，会损失部分火箭运力，胜在安全系数相对较高。鉴于星舰和助推火箭的巨大质量，“冷分离”显得力不从心，还是“热分离”比较适合。    


三、苏联的N1登月火箭“借尸还魂”？


苏联的N1火箭。


星舰发射系统的助推火箭采用33台发动机并联的工作方式，使人联想起苏联时期的N1火箭。当时苏联为了载人登月，研发了N1重型火箭，这款火箭一级采用了30台火箭发动机并联的方式，可是由于当时技术条件的限制，多台发动机并联的方式很容易出故障，结果四次发射全部失败，直接导致苏联载人登月梦想的破灭，在竞赛中败给了美国。


几十年后，随着各项技术的全面提升，采用30多台发动机并联工作的火箭终于再次出现。而发射改用了“热分离”的分离方式，更是像极了N1火箭。


四、巨型火箭大比拼：土星五号、Block1与星舰


土星五号、Blcok1与星舰。


执行阿波罗计划的土星五号火箭高110米，重2800吨，起飞推力34500千牛，相当于3520吨的推力，早期版本的近地轨道运载能力为118吨，地月转移轨道的运载能力为41吨。后来，执行阿波罗15、阿波罗16和阿波罗17号任务的土星五号近地轨道的运载能力提升到了惊人的140吨，地月转移轨道的运载能力也提升至43.5吨。    


执行阿尔忒弥斯重返月球计划的Block1登月火箭高98米，重2500吨，起飞推力39100千牛，相当于接近4000吨的推力，近地轨道的运载能力为95吨，地月转移轨道的运载能力为27吨。


上面我们也提到，星舰和超重组合体高120米，重5000吨，起飞推力76000千牛，相当于7755吨的推力，近地轨道运载能力为150吨。如果采用在太空补给燃料的方式，登月版本的星舰，地月转移轨道的运载能力可达到100吨。


五、星舰的心脏：燃烧甲烷的猛禽发动机


猛禽是SpaceX研发的全流量分级燃烧的液氧甲烷发动机，液氧甲烷是一种更高效环保的火箭燃料，也更有利于火箭的重复使用。   


猛禽发动机单台最大推力可达2300多千牛，换算成直觉理解，就是能托举起230多吨的重物，4节载满50吨货物的火车车厢还重。上面我们也提到，33台猛禽发动机的超重火箭助推器总共能产生7755吨的推力。


海平面版猛禽发动机（左）和真空版猛禽发动机（右）。


六、为什么要采用液氧甲烷作为燃料？


为了深入了解这个问题，我们首先要简单了解一下有关火箭的小知识作为铺垫。


从大类上来分，火箭发动机分为固体发动机和液体发动机。固体火箭发动机是目前小型火箭、火箭炮弹药、多数军用导弹的主流动力源，其燃料易于工业制成，同时便于存储和运输，基本没有挥发性和借助空气传播的毒性，所以安全性比较好，而且寿命很长，能够存储十多年，而液体燃料最多三个月就会变质。


但固体火箭发动机的燃烧比冲较小、燃烧延续时间较短、同时整体的燃料质量很大、又受到固体燃料燃烧性质的影响，所以用途受到限制。


液体火箭发动机的优势在于燃料易于制取、通常从石油或化工原料中可以直接制成，燃烧的比冲大、推力强劲、持续性好，所以，世界上多数的大推力运载火箭都使用液体燃料发动机作为动力，像我国的长征系列运载火箭，绝大多数都使用液体发动机作为推进系统，少量采用的固体推进器也只是辅助手段。   


主流的液体火箭通常使用的燃料包括，四氧化二氮/偏二甲肼；液氧/煤油，以及液氢/液氧，甚至液氧甲烷。


目前，SpaceX星舰的猛禽火箭发动机，贝索斯蓝色起源公司的BE4火箭发动机以及中国民企蓝箭航天的天鹊火箭发动机都是液氧甲烷发动机。


去年7月，我国蓝箭航天公司成功发射了世界首枚液氧甲烷火箭“朱雀二号”，抢先了同是液氧甲烷燃料的星舰早一步入轨，但无论是在火箭发动机水平上，还是在运力水平上，都还有差距。


液氧甲烷发动机有什么优点呢？首先，液氧甲烷发动机相较于液氧煤油发动机比冲要大。比冲是火箭发动机常用的衡量指标，其物理意义是，消耗单位质量的燃料，火箭所能获得动量的多少，显然这个数越大越好。


其次，甲烷容易燃烧，不容易产生积碳，有利于火箭的重复利用。液氧甲烷发动机相较于液氢液氧发动机则易于设计和维护，而且物美价廉，非常令商业航天公司青睐。值得一提的是，厨房家用煤气罐里储存的就是甲烷。


七、日本富豪前泽友作等待乘坐星舰绕月飞行


早在2018年9月18日，日本富豪前泽友作（Yusaku Maezawa）预购了星舰船票，将作为首位绕月旅行的私人乘客，如果成功，他将成为首位超越地球轨道的商业太空旅客。   


2021年3月2日，前泽友作公布了“亲爱的月球（Dear Moon）”计划的动态更新——面向全世界邀请8个人，本来计划于2023年免费和他一起乘坐星舰进行一场绕月旅行，但目前看，还要再等几年。2022年12月8日，除了前泽友作之外的8位太空游客都已选定，并有2名备份游客。


八、星舰测试的重要节点事件


星舰遵循小步快跑、迅速迭代的研发理念，不怕暴露问题，从一次次失败中快速找到技术漏洞，优化到下一代的版本中。此前，星舰的每次测试发射，腾讯太空都进行过完整的跟踪报道，下面是我们整理的从2019年以来到现在的重要节点。


2019 年 7 月 26 日，SpaceX对最早的星舰原型机 “星虫”（starhopper）进行了高度20米的自由悬浮测试。


2019年8月27日，SpaceX再次对“星虫”进行测试，成功飞行到150米的高度并安全着陆。   


SpaceX星舰原型“星虫”完成150米高度飞行。


2020年8月5日，星舰原型SN5完成了高度150米的自由悬浮测试。由于没安装头椎，SN5外观看起来就像是一个30多米高的圆柱形不锈钢大水塔。


SN5测试画面。


2020年8月25日，星舰原型SN6同样完成了高度150米的自由悬浮测试。


SN6测试画面。


2020年12月10日，星舰原型SN8进行了12.5公里高度的测试飞行，在最后落地的时候发生坠毁爆炸。


2021年2月3日，星舰原型SN9再次进行了10公里高度的测试飞行，仍然是在最后落地的时候发生坠毁爆炸。


2021年3月4日，星舰原型SN10第三次进行了10公里高度的测试飞行，稳稳落地，但在落地数分钟后，还是发生了爆炸。


2021年3月27日，星舰原型SN11第四次进行了10公里高度的测试飞行，失败的更惨，箭体炸成碎片。


SN15成功从10公里高度落下站住且没爆炸。


2021年5月6日，星舰原型SN15在得克萨斯州博卡奇卡（Boca Chica）成功进行了高空飞行测试，这是SpaceX星舰原型第五次挑战10公里级高度，也是首次没有发生爆炸事故的完美着陆。   


超重火箭静态点火测试。


从2021年SN15测试后，星舰进行的主要是地面测试，包括各种压力测试，湿彩排等。


2023年4月20日，星舰原型SN24与超重火箭BN7组合体首次尝试入轨测试，升空后4分钟爆炸解体。


星舰首次轨道测试，升空后4分钟爆炸解体。



2023年11月18日，星舰在进行的第二次飞行试验时，超重助推火箭返航时发生了爆炸，飞船由于在排放多余的液氧时发生了起火，也没能完成任务。


总之，星舰作为一款全新理念的巨型飞船，未来可分为载人和载货两种版本。其中，载人版本的又可细分为近地轨道载人星舰、月球载人星舰和火星载人星舰等，货运版本的也可根据不同用途继续细分。


人类的征途是星辰大海，星舰让我们看到了未来飞船的雏形。   


本文来自微信公众号：腾讯太空（ID：qqtaikong），作者：乔辉