沒炸!馬斯克的星艦飛船這次試飛成功了!

2021-12-31 果殼

星艦SN15成了!

北京時間今天一早,星艦SN15從美國德克薩斯州Boca Chica的測試場點火升空,6分鐘後穩穩落地。

沒炸,這次真的沒炸!

立在發射臺上的星艦SN15 | Jack Beyer/NASASpaceflight.com

星艦,SpaceX正在研發的下一代航天載具,直徑9米,高122米,建成後總重將超過5000噸,近地軌道運載能力達100噸以上,成為有史以來最強大的運載火箭

星艦飛船,則是星艦的第二級,高約50米。按照設計,未來的星艦飛船可分為貨運和載人等不同版本,都將擁有從地球軌道甚至更遠深空返回並垂直著陸的能力。

按照SpaceX創始人埃隆‧馬斯克的設想,這樣的能力對於運載火箭的完全回收重用,以及未來載人登陸月球甚至移民火星,都至關重要。

星艦飛船一次又一次高空試飛所要驗證和演練的,正是重返地球最終垂直著陸的過程。正因為如此,高空試飛才設計得如此花裡胡哨,導致星艦原型機一炸再炸。

星艦SN8落地時「計劃外快速拆解」 | SpaceX

星艦SN9炸在當場,星艦SN10在旁邊瑟瑟發抖 | LabPadre

星艦SN10成功落地幾分鐘後,原地爆炸 | NASASpaceflight

至於3月30日大霧裡強行起飛的星艦SN11,在落地前翻身的瞬間,就因為一臺發動機故障而當空解體,碎片散落了一地

星艦SN11當空解體,碎片差點砸中攝像機…… | NASASpaceflight

今天一早,星艦原型機又一次嘗試了高空試飛,這回登場的是全新升級的星艦SN15

北京時間6:24,當地時間下午17:24,星艦SN15點火升空,幾秒鐘後衝入雲層。

升空4分鐘後,3臺猛禽發動機按計劃關機,SN15翻轉成水平姿態,肚皮向下可控墜落

升空6分鐘後,仍在雲層裡的SN15點燃兩臺發動機,將星艦的姿態從肚皮向下迅速改為尾部向下,堪稱神龍擺尾。

一招神龍擺尾,翻身擺正。這是之前星艦SN10試飛的畫面,SN15的神龍擺尾被雲給擋了…… | SpaceX

姿態調整為垂直的星艦SN15從雲端落下,在兩臺發動機的反推下緩緩落向著陸場,很快便沒入了被尾焰吹起的煙塵之中。

星艦SN15成功著陸,沒炸,真的沒炸!| SpaceX

終於,在連炸了4臺原型機之後, SN15完成了星艦飛船的高空試飛

話說回來,星艦原型機的編號怎麼就從SN11直接跳到了SN15,中間的12、13和14去哪了呢?

這是因為,相比於之前的星艦原型機,SN15進行了一系列升級改造,可以說是星艦從誕生以來推出的第四個新版本了。中間的SN12、13和14,由於前輩們的屢飛屢炸,已經提前完成了測試使命,乾脆就拆掉或者跳過了。

稍微了解星艦的朋友,一定都對星艦的樣貌印象深刻:比例類似漫畫中火箭的箭體,加上上部的一對前襟翼和底部的一對襟翼。SN15並沒有大改這一布局,但在細節上,可以稱得上是「唯一的不同,是處處都不同」。

星艦SN15升級後的著陸支架 | Austin Barnard

SN15最早為人所知的改進是著陸支架

之前的SN10本來已經實現了受控軟著陸,奈何接地時下降率過大,衝擊力讓著陸支架直呼吃不消,傳導破壞了箭體內的結構,導致燃料洩漏,最終還是毀在了巨大的爆炸中。

這樣的錯誤當然不能犯,除了改進控制邏輯以實現柔和降落之外,著陸支架也加強了耐衝擊能力

SN15的著陸支架非常粗壯,設置於箭體底部四角,每個都有加強撐杆,提高了強度和緩衝能力。支架的頂部安裝點很高,基本達到儲罐頂部。

看起來,為了讓SN15安全著陸,SpaceX的確煞費苦心。

SN15襟翼細節的改進 | RGV Aerial Photography/WAI

除此之外,SN15在氣動外形和製造工藝、規範等方面也有改進。

比如,兩對翼面與箭體的連接過渡都進行了修改,翼根的整流罩外形更加流暢,目的應該是在減阻的同時,增強翼面的姿態控制能力,使得星艦更不容易出現姿態調整不過來、歪斜著撞擊地面爆炸的醜態。

SN15頂部氣體噴射口位置更高 | RGV Aerial Photography/WAI

箭體的頂部原本設有利用氣體噴射來調整箭體姿態的噴射口,在SN15上也得到了改進,高度更高,噴射的力矩會更長一些,調整姿態更有勁兒。

SN15上增加了星艦系統天線 | RGV Aerial Photography/WAI

除了外形和工藝等方面的改進,SN15身上還增加了馬斯克的星鏈系統天線。看來SpaceX很想在能用的地方都用上自家的技術,真是肥水不流外人田吶!

SN15上安裝的3臺全新的猛禽火箭發動機 | considercosmos

還有最重要的改進,就是猛禽火箭發動機。

前幾次試飛炸機,根源都出在發動機工作異常。這一次,SpaceX把SN15上的動力系統從頭到尾進行了優化,儲箱、管路到噴管都調整了設計。發動機的矢量噴管控制單元從星艦頭部設備艙下移到了動力系統頂部,以此簡化控制環節,降低通信延遲。同時,發動機的甲烷管路也調整回了更穩定的艙壁走線原始設計,避免重演SN11的甲烷洩漏大爆炸。

經過了大大小小號稱上百處升級的星艦SN15,也果然不負眾望,在星艦飛船研製道路上又向前邁出了堅實的一步。

其實,在這次SN15試飛成功之前,星艦就已經在美國商業航天領域引發了極大的震動。起因在於4月17日,NASA選擇星艦作為美國未來載人登月計劃的唯一指定登月艙

NASA的阿爾忒彌斯登月計劃,旨在載人重返月球並建立基地長期駐留。去年,NASA公開招標商業載人登月著陸器方案。

除了SpaceX的星艦方案以外,一同參與競標的還有:由藍色起源牽頭,聯合諾格公司、洛馬公司和德雷珀公司組成的所謂「美國國家隊」,以及由Dynetics公司領銜的25家小企業聯隊。特別是前者,可謂陣容夢幻,是奪標的頭號熱門

星艦體型巨大,相當於一幢16層大樓,只能由SpaceX尚在研製的超級重型火箭才能發射升空;

升空後,星艦必須在軌道上多次加注燃料才能飛向月球,而在軌加注超低溫燃料的技術仍有待研發

與另外兩家相對傳統的方案相比,星艦方案太過激進,而且過於龐大,甚至可以把另外兩家登月艙打包裝進來一起登月……

更不用說在今天之前,星艦原型機一直炸炸不休,高空試飛就沒有一次成功的。

這樣的飛船,載人?開什麼玩笑!

星艦登月艙可以把另外兩家的登月艙打包裝進來丨John MacNeill/IEEE Spectrum

然而,就在所有人都以為藍色起源牽頭的美國國家隊要贏得這一競標時,NASA選中了SpaceX的星艦,而且是唯一指定勝出者,並非之前說好的三選二。

原因無他:星艦方案太便宜了

SpaceX給出的項目報價還不到30億美元,和其他兩家的報價相比簡直低得離譜。

而在報價更低的情況下,NASA評估後認為,SpaceX星艦方案的技術水平達到了與藍色起源方案同樣的水平,在管理水平上更是三家中最強的。

此外星艦方案在數十項指標上還遠遠超出NASA提出的要求,指標可實現性是一流的。

更不用說SpaceX作為一家已經經營了數年的民營商業航天公司,自身具有豐富的金融和市場經驗,對預算風險問題來說也是重大利好。

當然,更深層次的原因還是NASA經費不足,原本應該是連一家的方案都採購不起的,也多虧了SpaceX臨時下調報價,才勉強能夠籤下這單合同。

在NASA競標中勝出的星艦登月艙最新設計方案 | SpaceX

登月版星艦的外表平滑,由於無需返回地球,前襟翼和襟翼因為沒有用武之地而被取消,著陸支架也比SN15原型機嬌小許多,這是由月球的低引力所決定的。

所以從外表上看,相比目前的原型機,登月版星艦更像是一艘符合星際飛行的大型飛船,工業設計水平十分誘人,科技感滿滿!

為了讓太空人從十幾層樓高的星艦上下到月面,星艦登月版還將配備一部月球電梯。注意,這可不是什麼比喻,而是貨真價實的廂式電梯,用於運送人員和貨物進出頂部艙。對太空人來說,這可要比藍色起源國家隊方案中又高又長的恐怖梯子友好多了。

星艦登月艙將配備一臺月球電梯。注意,圖中星艦登月艙的設計已經過時了丨SpaceX

如此看來,馬斯克拿下這一訂單,雖出乎意料,倒也順理成章。

不過貝索斯和其他巨頭們又怎麼可能輕易認輸呢?

輸掉第一輪競標後,藍色起源公司在4月底提交了一份長達175頁的抗議書,稱NASA對他們的登月艙充滿了誤解和成見,沒有正確評估,而把這一重任交給SpaceX是在打壓美國商業航天市場的正常競爭,會導致SpaceX的壟斷地位,使得上下遊產業鏈對單一企業產生依賴,等等。

而後,Dynetics領銜的小企業聯隊也提出抗議,稱NASA只選一家勝出並不公平,畢竟之前說好是三選二的;如果經費不足以籤下兩家,那應該撤回標書重新開標才對。言外之意,大概就是——沒錢你別買呀,一家都不許買,買就是不公平!

這輪抗議確實產生了不小的影響,據稱NASA已經暫停了籤給星艦的載人登月艙合同,準備重新開始評估工作。

馬斯克對此的反應倒是相當不屑一顧,只發了一條推特嘲諷。畢竟藍色起源公司折騰了這麼多年後,至今還沒有把任何載荷送入外層空間,亞軌道火箭依然在大氣層中上上下下,以目前的技術水平來看,兩家根本不在同一層級。

算上今天星艦SN15試飛成功,在商業航天領域,SpaceX實在是過於成功了;而在另一方面,站在藍色起源公司背後的巨頭們也不是吃素的。NASA商業載人登月方案這份大單最終將花落誰家,還是拭目以待吧。

從毫無美感和氣動可言的粗糙不鏽鋼筒,到歷經數次迭代成功試飛的SN15原型機,再到幾乎吃定NASA登月計劃的科幻登月器,星艦已經走過了一段路,但之後的路還很長。

SN15之後,基礎穩定性將是下一步星艦原型機的測試目標,比如:新的儲罐和燃料供應體系能否解決之前頻繁出現的燃料供應問題;飛控和氣動面等因素調整之後能否改善星艦的姿態控制能力;新的著陸支架能否承受之前那樣猛烈的衝擊,等等……

星艦的未來是未知的,畢竟目前它還從未衝出過大氣層的束縛。但新生的嬰兒總是值得祝福和期待的,航天作為人類未來前進的必然方向,更是如此。

按馬斯克的瘋狂計劃,今年7月,星艦SN20就要進行一次全流程測試,進入近地軌道,並和他的前輩太空梭一樣,以25倍聲速衝入大氣層,嘗試完成一次完美的滑翔返回。

星艦SN20入軌試飛的渲染圖 | Bowen Cameron

本文來自果殼,未經授權不得轉載.

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