经济学人的文章,详细解释了SpaceX的超重型火箭和星舰发射的成与败,以及未来要做的工作。
第一次飞行,持续了不到4分钟。
随着33个引擎中的30个引擎被点燃,SpaceX的第一个 “超重型 “火箭助推器,于格林尼治标准时间13:33从位于德克萨斯州海岸的博卡奇卡发射台升空。
一分钟后,通过了 “最大Q值”,即发动机的推力和大气层的阻力对火箭造成的压力达到顶点。
两分钟后,火箭达到了20公里的高度,并以每小时1600公里的速度飞行,尽管至少有两个引擎已经关闭。
不过,到了第三分钟,事情很明显有些不对劲。其余引擎没有在指定的时间关闭,火箭似乎正在奇怪地改变其方向;第二级,即名为 “星舰 “的原型飞船,与超重型火箭的分离没有按计划进行。
当视频显示火箭继续翻滚时,为现场直播提供评论的SpaceX工程师约翰·因斯普鲁克,轻描淡写说了一句技术上的话: “显然……这似乎不是一个正常情况”。
几秒钟后,火箭明显失去了控制, “飞行终止系统 “做了它应该做的事,在墨西哥湾上空炸掉了。
到底是什么出了问题,至少对外部观察者来说,并不是那么清楚。起飞时运行的发动机太少,在上升过程中失去了更多的发动机,这可能是关键,但还有其他可能性。
好消息是,SpaceX说正在以合理的速度制造超重型火箭和星舰,一旦问题变得清晰并找到修复方法,原则上应该可以很快重新进行测试。
坏消息是,支持超级重型飞船发射的结构似乎已被损坏,很可能需要进行重大的重新设计,而不是简单的修复。
这可能会造成重大延误。
SpaceX和许多支持者会强调积极的一面。火箭进入了空中,并通过了最大Q值,这两件事以前都没有做过。而飞行测试的意义,就在于发现无法在地面测试中找到的问题。
在这个意义上,测试是成功的。如果看起来有点乐观,从本质上说,这也是公平的。
如果这次飞行真的完全按计划进行,那将是一个真正惊人的成绩。而取得一些进展并准备很快再次尝试,已经很好了。星舰系统将标志着人类太空旅行实现巨大飞跃的可能性,仍然是一个非常严肃的问题。
没有腿
SpaceX的超重型火箭,是人类有史以来最强大的火箭。起飞时的推力,是将人类送上月球的土星五号火箭的两倍以上,尽管三个引擎已经熄火,可能还没有完全达到。作为第二级的星舰如果成功了,那将是自航天飞机时代以来,通过一次发射就进入轨道的最大航天器。

如果SpaceX解决了今天遇到的问题,以及测试计划肯定会发现的其他问题,星舰系统将能做的,就不只是能够将更大的有效载荷送入轨道,而且是以远低于行业均值的成本做到这一点。
这种低成本,是一个只由两部分组成的系统所提供的优势之一,且两个部分都是完全可重复使用的。
另一个优势是,一个能够在短时间内起飞、降落并再次起飞的系统,为超越地球轨道的飞行提供了太多新的可能性。如果不辜负SpaceX老板马斯克的希望,星舰系统就能够把人类船员带到月球甚至火星表面。
但成为现实之前,还有很多事情要做,需要增加很多能力。即使完全成功,这第一次测试也只是一个发展过程的开始,将需要更多的努力和投资。
第一次任务的飞行计划与SpaceX的猎鹰9号火箭非常相似,猎鹰9号火箭是这家公司在卫星发射业务中的主导。第一级助推器旨在飞到太空边缘,然后在动力下返回地面,第二级继续进入轨道。
但有两个关键的区别。当猎鹰9号助推器返回地球时,展开腿并着陆。如果 “超级重型 “执行了走那么远所需的机动动作,将直接坠入墨西哥湾。
造成这种差异的主要原因是,尽管超级重型火箭打算完全可重复使用,就像猎鹰9号一级助推器一样,但与猎鹰9号助推器不同,没有可以着陆的腿。如果加上足以支撑火箭的可展开的几条腿,会使重量增加到一个不可接受的程度。
取而代之的是,超级重型火箭将降落到发射台上,在那里被巨大的机械臂抓住并在半空中晃悠。
用于周四试飞的发射台龙门架——被粉丝称为 “Mechazilla”,就配备了这样的手臂。在发射前几天,这些手臂被用来抬起星舰,再堆放在博卡奇卡发射台的 “超重型”助推器火箭上。
火箭发射的龙门架(Launch Gantry)是一种用于支持和稳定火箭的大型结构设备。在火箭发射前,龙门架用于将火箭运输到发射台,并在发射过程中为火箭提供必要的支持、维护和稳定。此外,龙门架还可允许工程师和技术人员安全地访问火箭,进行检查、维修和燃料加注等工作。在火箭发射时,龙门架会被迅速撤离,以免受到火箭发射时产生的高温和震动的影响。
不过,可以理解的是,SpaceX在尝试抓取一个大型助推器之前,希望确保能知道如何以必要的精度将其送回地球,这主要是因为测试火箭是消耗性的,而拥有大量基础设施的发射台则不是。
第一次测试,公司不得不承认失败的一点,那就是爆炸把龙门架弄没了。假装在海上“着陆”,显然是在试图捕捉飞行中的助推器之前,培养对其性能信心的一种方式。
试飞计划与标准猎鹰9号飞行的第二个区别是,当猎鹰9号将什么东西送入轨道时,就会一直停留在那里,直到操作者决定将其带回。
在超重型助推器顶部并与之共命运的星舰,即使一切运作完美,也只会在轨道上持续一个小时多一点。引擎将把它送入一条轨道,在绕过地球一圈之前,就会在太平洋上空重新进入大气层,最终安息地,将是距离夏威夷链最北端的主岛考艾岛西北海岸约100公里的一片海域。
星舰进入轨道后,会部署卫星,然后重新进入并在Mechazilla龙门架的怀抱中降落。但在这之前,必须证明它们能在重返大气层中生存。
猎鹰9号助推器和超重型火箭,都没有快速进入低层大气,因此不需要热防护罩。星舰需要,这就是为什么它将面临最多热量的部分,用六边形的 “热保护 “瓦片覆盖。不过效果如何,要等到在未来的测试中试图将星舰完整地降落时才能知道。
这个热防护系统,比要公司更小的 “龙 “飞船上使用的隔热板更有野心,龙飞船目前用于运送人员进出国际空间站。
这可能是星舰系统中,远远超出SpaceX迄今为止所展示的能力的一点。
如果成功了,人类得到的奖励将是一个具有无与伦比的能力的发射系统。SpaceX表示,由超级重型火箭发射的星舰,将能够将100-150吨的货物送入轨道,远远超过了当今最强大的商业发射器SpaceX的 “猎鹰重型 “。
很大,但是还不够棒
猎鹰重型基本上是将三个 “猎鹰9号 “捆绑在一起,以便把运货能力提升至64吨,用航天飞机可以运送的货物,最多只有24吨。
超级重型火箭也超过了其他公司正在研究的三大新发射装置:空中客车公司和法国国防承包商赛峰集团的合资公司阿丽亚娜6号;由洛克希德·马丁公司和波音公司的合资公司ULA负责的火神半人马(Vulcan Centaur)项目;以及贝佐斯创办的公司蓝色起源正在开发的新格伦(New Glenn)。
一个可运行的星舰系统不仅将比它们都大,而且可以重复使用,也应该便宜得多。阿丽亚娜6号和火神半人马座采取的是一次性用完了事,虽然ULA望最终能够回收火神的第一级发动机。新格伦设计了完全可重复使用的第一级,正如猎鹰9号那样。

不过,星舰系统的目的,不仅仅是将有效载荷送入地球轨道。美国国家航空航天局已经选择了星舰的一个版本,作为将人类送到月球表面的航天器。
马斯克一直计划让星舰成为将人类带往火星的交通工具。
为了实现这两件事中的任何一件,还需要另一项新技术:在轨加注。
火箭需要燃料和氧化剂才能工作。对于为超级重型火箭和星舰提供动力的猛禽发动机来说,燃料是液态甲烷,氧化剂是液态氧。当星舰到达轨道时,已经用完了这两种燃料的大部分存货。
因此,如果需要百尺竿头更进一步,就需要补充燃料。
SpaceX计划建立一支定位像”油轮“的星舰舰队,以实现这一点。
美国国家航空航天局的第一次阿特米斯登月计划,将在这个十年晚些时间进行,这个时间表显示要做的事情还很多。
新登月计划的第一步,是将配置为加油站的星舰发射到环绕地球的轨道上。随后一系列”油轮“任务,将其填满液氧和甲烷。SpaceX与美国国家航空航天局的协议表明,需要14次加油任务,不过马斯克后来说,可能并不需要那么多次。
一旦加油站装满,一艘特殊版本的星舰就会被送上去与之对接,”加油“,然后驶向接近月球的轨道。在那里将通过其他方式到达同一轨道的宇航员带上船,并将他们送到月面。当任务完成后,再把他们送回轨道上。
为了使这个计划发挥作用,有两件事是必要的。一个是将两个航天器对接在一起,将大量非常冷的液体从一个移到另一个,然后再将它们分离。
自动对接已经是相当常规的的活儿,将大量液体从一个航天器转移到另一个可不是。
第二是使重型发射成为一种真正的日常工作体验。如果你需要为每一次载人任务飞行大量的”油轮“,就需要能够快速地反复利用”油轮“,并以远远超过迄今为止任何人所能想像的速度,在发射设施中循环发射火箭。
SpaceX目前每周发射一次猎鹰9号,这比任何其他公司或国家所达到的频率都要高。但是,为了将大量的载人星际飞船飞往地球轨道以外的目的地,将需要能够处理每天的发射,而且很可能更频繁。
如果要实现马斯克的星际飞行梦想,星舰系统需要大量的进一步研发。超重型火箭需要能够准确无误地飞回着陆点,机械化系统必须能够定期发挥其魔力,星舰需要掌握出入大气层的能力,整个装置需要能够以行业以前从未想象过的节奏运行,更不用说此前要尝试多少次了。
我们很想把建造有史以来最强大的火箭看作是容易的事情,但真不是那么回事。可是不容易,却已经完成了。
而且之前在创新方面SpaceX,有了不起的记录。前方还有许多障碍,但不难想象,这些障碍也会被克服。
