四次爆炸后,SpaceX 星舰终于从万米高空完美飘落

百家 作者:爱范儿 2021-05-06 19:14:30 阅读:606


本文来自「腾讯太空」(ID:qqtaikong),作者乔辉,爱范儿经授权发布。
北京时间 2021 年 5 月 6 日 6 点 20 分左右,Space X 星舰原型(代号 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 Space X 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。
SN15 成功从 10 公里高度落下站住且没爆炸
SN15 在薄雾中降落成功。

本次飞行程序和此前的四次类似:首先星舰飞行到最高点,随后进行姿态调整,使腹部冲下,借助腹部增大与空气接触面积,加大空气对星舰的阻力,然后星舰徐徐向地面飘落,在距离地面一定高度时,发动机再次点燃,使星舰重新直立起来(俗称「神龙摆尾」),靠发动机的反推进行软着陆。
从左到右分别是 SN8 ,SN9 和 SN10 试飞姿态和轨迹。
在本次试验之前,2020 年 12 月 10 日、2021 年 2 月 3 日、2021 年 3 月 4 日和 2021 年 3 月 27 日,星舰原型 SN8、SN9、SN10 和 SN11 分别进行了 10 公里级高度的测试飞行,发射和返回的前期都非常成功,其中 SN8 和 SN9 都是在最后着陆阶段发生了触地爆炸。
SN10 更可惜,在明明稳稳着陆数分钟后还是发生了爆炸,把整个星舰都炸飞了。SN11 更是惨烈,当天大雾弥漫,地面摄像机根本看不清星舰,星舰内部的相机显示,SN11 正常起飞,在快落地的时候失去信号,透过大雾,首先看到一团红光,紧接着一声巨响,看到有碎片四散开来,发生了粉碎性爆炸。
这是此前 SN11 爆炸后产生的粉碎性残骸。
其中 SN8 未能成功着陆的原因是飞船的燃料箱压力不足,发动机推力不够,未能让飞船成功软着陆。
SN9 的三台发动机在着陆的阶段只有一台点火工作,推力不够,发生粉碎性爆炸坠毁事故。
据说 SN10 也是因为最后发动机推力不太够,虽然稳稳站住了,但从回放的画面中可以看到,站住之后在地面反弹了一下,这种反弹可能导致内部管路损坏,发生燃料泄漏,站立了几分钟后还是发生着火并爆炸。通过回放的画面还可以看到,SN10 的六个着陆腿中有三个没有完全伸展开来,这说明 SN10 在结构设计上还是要不断优化。
SN11 失败的原因推测是由于甲烷轻微泄漏导致的起火损坏了电子设备,最终导致整个星舰爆炸。
SN10 星舰原型爆炸画面。
马斯克观看 SN10 爆炸后的残骸。
此前,3 月 4 日测试的 SN10 算不算成功呢?根据  SpaceX 的官方说法,算是成功,这种说法也是有道理的,因为星舰的这些「试验箭」其目的是为了一步步进行技术验证,SN10 从发射到抵达 10 千米级高度,然后进行调姿腹部冲下下落,最后重新调姿到站立在地面上,这一切都正常,验证了流程上的各个环节。
波士顿动力的机器狗也到 SN10 爆炸现场「凑热闹」
当然很多专家和媒体认为 SN10 并不成功,因为落地后内部结构还是发生了预料之外的损坏,最终还是爆炸了嘛。其实,算成功也好,算不成功也罢,都不是太重要。
今天 SN15 星舰的完美着陆(没有爆炸)真正征服了所有的人。马斯克这种把做互联网产品的快速迭代模式带到了火箭研发领域,令人耳目一新。 
最早今年 7 月进行星舰的整体入轨飞行
从 SpaceX 给这艘航天器起的名字就可以看出其用途,这是一种能够重复使用,两级入轨的重型火箭发射系统。目标是能够搭载大宗物资往返地球和太空、地球和月球、甚至地球和火星之间,终极愿景甚至支持火星殖民。
超重火箭和星舰飞船。
目前,我们在提到星舰这个称呼时,特指第二级的飞船部分,就是目前正在测试的部分。飞船部分高 50 米,直径 9 米,重约 1300 吨,安装有 3 台真空版猛禽发动机和 3 台海平面版发动机。
托举飞船的是一枚更加强大的超重火箭( Super Heavy ),这种火箭高 72 米,直径 9 米,重达 3500  吨,安装有 28 台猛禽发动机。飞船部分加上超重火箭后的总高度达 120 米,近地轨道运载能力超过 100 吨,一次性可将 100 名乘客送上太空。
星舰和超重火箭的组合体(艺术图)
据官方透露,如果一切进行的顺利,星舰飞船加超重火箭的组合将在今年 7 月份进行一次亚轨道飞行,这将是 SpaceX 继重型猎鹰之后又拿出的一件惊人作品。
根据规划,7 月份的星舰编号为 SN20,超重火箭部分编号为 BN3。这里简单说一句,SN 是 Starship Number的缩写,意思是星舰序列号。BN 是 Booster Number 的缩写,意思是助推器序列号。但根据经验看,7 月份能进行轨道飞行的可能性不太大。
未来星舰停靠国际空间站(艺术图)
xxx 未来星舰进入火星大气层(艺术图)
未来星舰进入土星轨道(艺术图) 
日本富豪前泽友作等待乘坐星舰绕月飞行
2018 年 9 月 18 日,Space X 公布前泽友作(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。
马斯克和前泽友作
资料显示,前泽友作 1975 年出生,日本收藏家、企业家。他是日本在线时尚零售平台 Start Today、ZOZO 公司创办人(后者 2019 年被 Yahoo! JAPAN 收购)。截至 2020 年 1 月,福布斯估计其拥有 20 亿美元的财富,名列日本富豪榜第 22 位。
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,于 2023 年免费和他一起乘坐星舰进行一场绕月旅行,3 月 14 日已经截止申请了。
未来星舰绕月飞行(艺术图)
我的一位朋友比较幸运成功申请了本次活动,并收到了官方邮件。
他表示,尽管最终能跟随前泽友作先生环月飞行的可能性很小很小,但也不是没有。如果真能选中去月球飞一圈,哪怕冒着生命危险都要去,他宁愿在宇宙星空里化为灰烬,亿万年在苍穹里漂泊,也不愿留在地球上化作一堆肥料参与生物圈下一次循环。
这是朋友收到的成功申请邮件截图 
世界最强大的液氧甲烷发动机
有关星舰使用的液氧甲烷「猛禽」发动机,在另一篇文章《你又见证马斯克创造历史了!SpaceX 星舰从万米高空飘落并稳稳站住》中有过详细科普,这里简单再科普一下。
SpaceX 猛禽发动机试车画面(来源:SpaceX )
星舰使用的是以液氧甲烷为燃料的大推力发动机,单台最大推力可达 2000 多千牛,换算成直觉理解,就是能托举起 200 多吨的重物,相当于 4 节载满 50 吨货物的火车车厢。本次测试使用了 3 台这样的发动机,上面我们也有提到,完整版的星舰将装有 6 台这样的发动机,超重火箭则将安装有 28 台发动机。你可以自己估算一下总推力,非常惊人。
海平面版猛禽发动机(左)和真空版猛禽发动机(右)
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。
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。

星舰测试的重要节点事件
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。


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