SpaceX星艦的第三飛，到底成功還是失敗了？

美國中部時間14日8時25分（北京時間21時25分），美國SpaceX公司（太空探索技術(shù)公司）進行了新一代重型運載火箭“星艦”（Starship）的第三次試射?；鸺龔奈挥诿绹每怂_斯州博卡奇卡的基地發(fā)射升空后，工作順利，Space X創(chuàng)始人馬斯克也在社交平臺發(fā)文，祝賀星艦“已達(dá)到環(huán)繞速度”。然而在重返大氣層期間與地面失去信號近14分鐘，星艦的第三次試射提前結(jié)束。如此引人關(guān)注的第三次試射，到底是成功還是失敗了？

圖片來源：SpaceX官網(wǎng)

01 總推力超7000噸，星艦有多強？

星艦是由SpaceX研制開發(fā)的一種超重型太空運載工具。它由第一級超重型助推級和第二級星艦飛船級組成，被稱為“超重-星艦”，或者簡稱為“星艦”。

星艦之所以如此引人注目，就在于它是迄今為止，全世界體積最大、推力最強的運載火箭。星艦通體由不銹鋼焊接而成，整體呈現(xiàn)為一個直徑9米的圓柱體。星艦高度達(dá)121米，相當(dāng)于一棟40層高的大樓；起飛質(zhì)量達(dá)5000噸，相當(dāng)于一艘入門級驅(qū)逐艦的排水量。這樣的起飛質(zhì)量是土星5號的1.6倍，N1火箭的1.8倍，SLS的1.9倍，能源號的2.1倍，航天飛機的2.5倍，長征5號的5.7倍。

為了能夠?qū)⑷绱司薮蟮幕鸺信e進入太空，超重型助推級總共安裝了33臺“猛禽”液體火箭發(fā)動機，總推力接近7600噸，足以將法國埃菲爾鐵塔托起。該型發(fā)動機使用液氧/甲烷作為推進劑，比沖達(dá)到327s。這些發(fā)動機分為兩圈安裝于助推級的底部，外圈20臺為固定式安裝，內(nèi)圈13臺則能夠雙向擺動15度進行推力矢量控制，而且能夠在20%到100%之間調(diào)節(jié)推力。

星艦第三飛發(fā)射塔視角照片，一級的33臺發(fā)動機全部點燃升空。

圖片來源：SpaceX官網(wǎng)

02 好消息！這次沒炸！壞消息：可能又失敗了…嗎？

對于此次試射，SpaceX公司可以說是寄予厚望，特意選在當(dāng)?shù)貢r間2024年3月14日，SpaceX成立22周年紀(jì)念日當(dāng)天進行發(fā)射。相比于2023年4月和11月進行的前兩次試射，這第三次“提前結(jié)束”的試射任務(wù)，算是失敗了嗎？

若論成功失敗與否，還是要看星艦的任務(wù)目標(biāo)設(shè)定。本次任務(wù)中，代號B10的超重型助推級點火起飛后飛行正常，所有猛禽發(fā)動機全部成功啟動，并在整個升空過程中一直保持著正常點火狀態(tài)。在一級工作末段，星艦在關(guān)閉超重型助推級上大部分猛禽發(fā)動機的同時，點燃了代號S28的星艦飛船級上的6臺發(fā)動機，順利實現(xiàn)了一二級之間的熱分離。分離之后，超重型助推級成功完成了一次姿態(tài)翻轉(zhuǎn)，還進行了一次完整的反推點火，使得助推器飛向墨西哥灣的預(yù)定降落點。星艦飛船的6臺發(fā)動機工作351秒之后，星艦進入近地點高度僅50千米的預(yù)定軌道，首次完成了整個入軌階段的任務(wù)。在軌道滑行階段，星艦還成功完成有效載荷艙門開閉試驗，以及推進劑轉(zhuǎn)移試驗，可以說，它已經(jīng)順利完成了從發(fā)射到入軌的全部過程。

動圖來源：SpaceX直播

既然這樣，這次任務(wù)又是怎樣告終的？星艦的超重型助推級在嘗試首次著陸反推點火時，僅成功點燃三臺發(fā)動機，而且其中兩臺隨即關(guān)機。助推級因此姿態(tài)失穩(wěn)，隨后在距海面約462米高度處解體。星艦軌道級在軌道滑行末段也發(fā)生了姿態(tài)失穩(wěn)，過大的滾轉(zhuǎn)速度使得原計劃中的單個猛禽發(fā)動機在軌重新點火未能進行。星艦一直堅持到了再入大氣階段，傳回的遙測畫面顯示其與大氣摩擦所產(chǎn)生的熾熱火焰。在任務(wù)進行到大約49分鐘時，星艦通過星鏈傳回的信號中斷，應(yīng)該已在大氣中解體損壞。

此次試射歷史性地驗證了星艦發(fā)射入軌的整體能力，但是距離其完整的返回著陸、重復(fù)使用能力驗證尚有不小差距。有鑒于此，在美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）事后發(fā)表的聲明中，按照四級故障標(biāo)準(zhǔn)將此次發(fā)射結(jié)果定義為“故障”，并要求SpaceX對故障進行調(diào)查。

03 一飛沖天，未來幾何？

SpaceX的星際運輸系統(tǒng)概念由馬斯克于2012年首次提出，旨在建造一個完全可重復(fù)使用的兩級火箭系統(tǒng)，并于21世紀(jì)二三十年代間將人類送上火星。在經(jīng)過多次的設(shè)計和名稱演變后，最終呈現(xiàn)為目前的“超重-星艦”。

并且，星艦最初的設(shè)計目標(biāo)是完全可重復(fù)使用，超重型助推級能夠返回至發(fā)射塔著陸，星艦飛船級則能從地球軌道返回垂直著陸于預(yù)定場坪。星艦的有效載荷運載能力為近地軌道150噸，如果不重復(fù)使用則可達(dá)到250噸。星艦還設(shè)計為可以在近地球軌道上進行推進劑加注，以便前往更遙遠(yuǎn)的目的地，如地球同步軌道、月球、火星等。

基于SpaceX卓越的研發(fā)能力以及星艦巨大的運載能力，該項目還得到美國政府和軍方的廣泛支持。NASA在星艦項目上投資高達(dá)40億美元，寄希望于利用其執(zhí)行阿爾忒彌斯計劃，讓美國人重返月球。根據(jù)最新的時間表，“阿爾忒彌斯-3”載人登月任務(wù)的發(fā)射日期已被推遲至2026年9月，可以說目前星艦的每一步進展都關(guān)系著未來美國登月以及更為長遠(yuǎn)火星殖民目標(biāo)的實現(xiàn)。盡管三次試射累計取得的進步不小，但是星艦?zāi)壳暗臓顟B(tài)距離這一目標(biāo)還有著不小的差距。要支持最終目標(biāo)的實現(xiàn)，星艦必須要能夠高頻次的航班化運作，因為不管是登月還是登火，都需要大量星艦發(fā)射并在近地軌道對接轉(zhuǎn)移推進劑。

為了這一目標(biāo)的實現(xiàn)，SpaceX正在充分發(fā)揮其大批量快速生產(chǎn)制造和快速試驗迭代的拿手好戲。SpaceX公司已經(jīng)向FAA提出，希望今年獲準(zhǔn)至少進行9次星艦發(fā)射。目前猛禽發(fā)動機的產(chǎn)量已達(dá)一周7臺，星艦原型機的制造速度也已達(dá)到每2~3周一枚。第二座星艦發(fā)射臺也已經(jīng)在現(xiàn)有發(fā)射臺附近開工建設(shè)。憑借SpaceX的以往戰(zhàn)績，星艦最終如期趕上美國登月甚至登火的目標(biāo)節(jié)點還是大有希望的。

04 一些未來展望

隨著航天技術(shù)的進步以及人類對于航天運輸需求的不斷提升，以星艦為代表的完全可重復(fù)使用將是未來運載火箭發(fā)展的必然趨勢。盡管目前星艦尚未完成研制，但其前三次試射所展示出來的技術(shù)突破速度，已經(jīng)讓世人為之震撼。先前業(yè)內(nèi)認(rèn)為難以克服的難題，比如數(shù)十臺大推力火箭發(fā)動機同時工作，已經(jīng)被兩次成功證明技術(shù)可行。

優(yōu)秀的競爭者不是敵人，而是最好的朋友。在SpaceX公司這一強大對手的激勵下，我國的運載火箭研制生產(chǎn)企業(yè)也都紛紛著眼于可重復(fù)使用技術(shù)開展攻關(guān)。

動圖來源：央視新聞

據(jù)了解，目前，我國已完成了可重復(fù)使用火箭垂直起降懸停試驗，突破了可復(fù)用火箭的關(guān)鍵技術(shù)，一些民營企業(yè)也已著手開展不同程度的重復(fù)使用技術(shù)演示驗證。在今年的兩會上，更是傳出我國目前正抓緊研制的4米級、5米級可重復(fù)使用火箭計劃分別于2025年和2026年首飛的好消息。

太空探索從來都不是一蹴而就，每一次進步，都是里程碑。如今，我國已經(jīng)將商業(yè)航天作為新增長引擎予以培育，相信在未來充分競爭的市場環(huán)境中，社會各方面的優(yōu)質(zhì)資源將被充分調(diào)動起來，共同迎接技術(shù)革命所帶來的挑戰(zhàn)，助推我國航天產(chǎn)業(yè)快速進步和壯大。

作者：于遠(yuǎn)航 北京宇航系統(tǒng)工程研究所高級工程師

審核：

劉勇 中國航天科普大使，中國空間科學(xué)學(xué)會科普工作委員會主任，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員

周炳紅 中國航天科普大使，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員

出品：科普中國

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