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2023-11-30
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更新時間：2023-11-30 19:18:55作者：未知
據(jù)環(huán)球網(wǎng)報道，北京時間11月18日晚21時左右，美國SpaceX（太空探索）公司的“星艦”超重型火箭點火升空，進行第二次入軌級測試飛行。本次試飛計劃飛行90分鐘，“星艦”飛船首次到達了太空，但發(fā)射約10分鐘后失去了聯(lián)系，其自毀系統(tǒng)被迫觸發(fā)，試飛被宣布失敗。據(jù)CNN報道，這次比今年4月嘗試時走得更遠，但不幸的是，依然沒有完成所有預定計劃，最終還是再次爆炸。4月20日，“星艦”的首次入軌級試飛中持續(xù)了3分59秒，最高飛到了39公里，但一二級未能分離，并很快失控翻滾，在地面發(fā)出自毀指令40秒后解體爆炸。自4月份首飛以來，SpaceX對星艦進行了1000多次修改，包括用更穩(wěn)定的發(fā)動機，加固了發(fā)射臺，升級了自毀裝置，還把一二級分離從冷分離改為熱分離。
4月20日，“星艦”首次軌道級測試飛行任務。圖源：視覺中國
在劉慈欣科幻巨作《三體》中，當今人類擁有的化學能火箭飛向深空被形容為“劃著獨木舟橫跨大洋”，是“癡人說夢”。為使未來航天走“可控核聚變無工質(zhì)推進”之路，主角之一章北海不惜采取行動制造意外，推動了恒星級戰(zhàn)艦的誕生。這些星艦在三體文明入侵的生死關頭飛向遙遠外星系，成為“星艦文明”，為地球文明保留了火種。
真實世界里的伊隆·馬斯克，就像是劃著獨木舟橫跨大洋的“癡人”。他要把化學能火箭的潛力壓榨到極致，他邀請全世界仰望星空之人和他一起大夢一場，想把人類歷史快進到移民火星這一集。
2014年5月29日，馬斯克在位于加州霍索恩的SpaceX總部。圖源：視覺中國
而他用以實現(xiàn)“癡人夢”的“獨木舟”，被冠以“星艦”之名——在科幻世界里，這通常指穿梭于恒星系之間的飛船，是未來超級星際文明的標志。
這枚大火箭，頂著極度高大上的名字和目標，所用的材料和燃料卻極度接地氣——箭體是你手里的保溫杯、你家高壓鍋的304不銹鋼造的，所燒的“油”是你家煤氣灶每天在燒的甲烷。
不銹鋼造的火箭真的能為地球人叩開通向月球和火星的“星際之門”嗎？潮新聞邀請國際宇航聯(lián)空間運輸委員會副主席楊宇光為你做一番科普。
4月10日，美國得克薩斯州博卡奇卡，星艦在發(fā)射臺上。圖源：視覺中國
不銹鋼造大火箭，可不單純是“傻大黑粗”
“不銹鋼最大的缺點就一個字：重。但優(yōu)點有很多，強度高，耐高溫耐低溫，而且極其便宜?！睏钣罟庹f。
根據(jù)測算，再入大氣層時星艦二子級表面有20%暴露在1470多℃高溫下，還有20%最高溫是1300多℃，其余表面最高溫低于1176℃，堪稱“鬼門關”，必須采取足夠的隔熱措施。304不銹鋼熔點在1398-1454℃，比目前任何主流的箭體材料都要耐高溫，“星艦”還有1.5萬多塊隔熱瓦，能經(jīng)受1648℃高溫，而不銹鋼也可以扛一扛。馬斯克本來想在“星艦”二子級上用碳纖維，但是碳纖維抗高溫不行，就大膽改成了不銹鋼。
太空里更多是極寒的環(huán)境，不銹鋼即使在零下160℃也能保持足夠的延展性和強度，在平均溫度零下63℃的火星表面就能游刃有余。更神奇的是，不銹鋼在低溫條件下強度會提高50%，甚至高于鋁鋰合金，添加鉻鎳的不銹鋼還會增加12-18%的延展性，比碳纖維還堅固。
然后就是廉價，不銹鋼簡直太便宜了。304不銹鋼在我們生活中很常見，家里的高壓鍋、保溫杯、櫥柜……隨處可見。
2020年10月29日，金華哈爾斯工廠的工人在檢驗產(chǎn)出的不銹鋼真空器皿。圖源：視覺中國
在馬斯克最關心的價格方面，他算過一筆賬——用碳纖維造火箭，每公斤成本超過135美元，同時碳纖維有35%的損耗，總體算起來每公斤要花200美元；用鋁合金也要每公斤三四十美元；用301不銹鋼薄板造同樣的火箭，每公斤才3美元！
這還沒完，碳纖維制造工藝復雜，技術人員每小時工資得250美元，而焊接不銹鋼板的普通焊工每小時工資不到50美元。馬斯克曾說，NASA的SLS重型火箭花費的錢，夠“星艦”炸100次。
“不過，太重的確是個很大缺陷，因為航空航天材料都追求一個‘輕’字，為減重的每一克奮斗。”楊宇光介紹，“箭體太重，推力又不變，有效載荷就小了，所能帶的燃料和貨物就少了?！?/p>
因此，想要采用不銹鋼當箭體材料，必須有前提條件?！鞍l(fā)動機必須足夠優(yōu)秀?！桥灐摹颓軮I’全流量分級燃燒循環(huán)液氧甲烷發(fā)動機，做得個子又小、推力又大、比沖又高，這些優(yōu)點彌補了不銹鋼在重量上帶來的損失?！睏钣罟庹f。
另外一點，如果火箭做得特別大，也可以部分彌補不銹鋼太重的缺點。換言之，就主打一個“大力出奇跡”，這也正是“星艦”的設計思路。
不過楊宇光強調(diào)，我們不能單純以為“星艦”就是“傻大黑粗”，其實“星艦”的不銹鋼箭體非常有技術含量，“它做得非常薄，又大又薄又耐壓，背后的材料技術和加工水平都非常高”。
4月20日“星艦”的首次發(fā)射雖然失敗了，但在天上翻滾了好久才解體，恰恰說明其不銹鋼箭體的強度相當之大。
上圖為N1火箭第一級的30臺發(fā)動機，下圖為“星艦”第一級的33臺發(fā)動機。圖源：視覺中國
選擇蘇聯(lián)登月火箭一個路數(shù)，會不會重蹈覆轍？
自從2016年“星艦”計劃披露以來，坊間便稱呼其為“史上最強大火箭”。它的5000噸起飛重量，大大超越了前世界冠軍美國登月火箭“土星五號”的3039噸，它的7590噸起飛推力也大大超越了前世界冠軍蘇聯(lián)登月火箭N1的4620噸。
尤其有話題性的是，“星艦”一級大膽采用33臺并聯(lián)發(fā)動機，密密麻麻簡直能引發(fā)有些人的“密集恐懼癥”。這被外界認為是延續(xù)了半個世紀前N1的一級30臺并聯(lián)的思路。
N1可不是一個成功的榜樣，從1969年2月到1972年11月，N1火箭四射四炸黯然退場，最終蘇聯(lián)在登月競賽中落敗?！靶桥灐笔咨湟舱?，火箭也同樣失控了，不由讓人懷疑這種用數(shù)十臺并聯(lián)的技術方案有沒有前途。
事實上，蘇聯(lián)給登月火箭裝這么多發(fā)動機是出于無奈?！巴列俏逄枴辈捎玫腇1液氧煤油發(fā)動機，單臺推力高達680噸，一級只需要5臺就能發(fā)出3400噸推力。而當時蘇聯(lián)造不出那么強力的發(fā)動機，其NK-15發(fā)動機推力僅有154噸，為獲得4000多噸推力只得采取30臺并聯(lián)。
蘇聯(lián)N1登月火箭四射四炸黯然退場。
與蘇聯(lián)航天部門的處境類似，SpaceX設計“星艦”時，現(xiàn)有的液氧甲烷發(fā)動機推力不足，230噸推力的“猛禽II”已是全球現(xiàn)役最強了。
楊宇光告訴潮新聞記者，SpaceX同樣選擇多臺并聯(lián)，在一個箭體里塞進這么多發(fā)動機，就不能像長征五號、“重型獵鷹”那樣捆綁幾個助推器，還有個重要原因，就是為了重復使用。
“馬斯克說過，無論多大的火箭，需要的控制系統(tǒng)都差不多，所以火箭越大性價比越高。一個第一級加上兩個助推器，要回收三個箭體，這樣成本比用一個大火箭高多了，過程也復雜多了，越復雜可靠性就越差?！睏钣罟饨忉屨f。
然而，“水多加面、面多加水”的邏輯并不完全適用于造火箭。
“火箭發(fā)動機的工作環(huán)境遠比汽車發(fā)動機和航空發(fā)動機更惡劣，一樣重量的發(fā)動機，火箭推力遠遠高于后兩者。這就不可避免地因為劇烈燃燒產(chǎn)生強烈的振動，出現(xiàn)耦合共振現(xiàn)象。”楊宇光說。
如果幾十臺發(fā)動機裝在不同箭體上，比方說“重型獵鷹”也有27臺發(fā)動機，但它是分散在三個箭體上，每個箭體上也就9臺，再通過級間連接裝置連在一起，耦合共振沒那么嚴重?！暗绻麕资_裝在同一個箭體上，耦合就厲害得多。共振不單影響發(fā)動機，從儲箱到管路到閥門都有影響。”楊宇光分析道，N1的幾次失敗主要不是發(fā)動機出故障，而是共振導致管路破裂或閥門壞了。“星艦”4月首射時箭體冒出大量白霧，也可能是管路被震壞導致液氧泄露。
SpaceX“星艦”首飛時冒出白煙。圖源：視覺中國
但這不意味著“星艦”一定就會步N1的后塵。“時代畢竟不同了，當前計算機應用能力、動力學、振動分析與控制方面的認知是半個世紀前沒法比的?！睏钣罟馀e例說，波音公司能做到設計飛機時都不用做風洞試驗，完全靠數(shù)字模擬就做到很準。在他看來，從理論上來說，多發(fā)動機并聯(lián)的問題可以解決。
在首發(fā)失敗后，SpaceX采取了很多改進措施，包括噴管擺動從液壓改成了電動，因為液壓受動力學影響更大；發(fā)動機之間加了好多隔板，以隔離相互影響；還有計算機數(shù)字模擬?！暗羞@些都代替不了地面試車?！列俏逄枴幢阒挥?臺發(fā)動機，都做了全尺寸試車臺進行地面試驗，發(fā)射時依然出現(xiàn)了耦合共振?！?/p>
而馬斯克為了省錢，沒有建全尺寸地面試車臺，“星艦”的試車也無法達到滿功率，只有50%推力。因此問題在理論上能解決，在現(xiàn)實中能否過關，還很難講。
1983年4月5日，美國第二架“挑戰(zhàn)者”號航天飛機首航成功，這是其在發(fā)射前夕。圖源：視覺中國
普通人坐“星艦”上天，在可預見的未來還沒戲
在SpaceX的“星艦”藍圖里，未來將完全回收一二級，同時每臺發(fā)動機理論上可復用50次。最終目標是發(fā)射成本只剩下燃料、測控維修等雜費，將每公斤載荷發(fā)射成本降到10美元的極低水平，讓普通人都能圓太空夢。目前我們距離這一步還有多遠？
楊宇光坦言：前景不明朗。他舉了航天飛機的例子，來證明“理想豐滿，現(xiàn)實骨感”。
“航天飛機就是入軌級可重復使用，但為此付出了極大的代價?！睋?jù)楊宇光介紹，航天飛機全系統(tǒng)起飛重量達2000多噸，如果是常規(guī)構(gòu)型的運載火箭，低軌運力至少能有六七十噸，但是航天飛機的運力只有29噸。付出那么多代價，第一是為了能載人，第二是為了能回來，能重復使用。
為了復用，航天飛機不僅運力損失了一多半，每次回來還都要做非常復雜的檢修，它的每塊隔熱瓦形狀都不同，難以標準化量產(chǎn)?！靶桥灐焙靡稽c，大多數(shù)防熱瓦形狀是一樣的，但靠近頂部以及升降翼面的防熱瓦也不一樣，要更換這些必然帶來時間和人才成本?！耙驗榧夹g過于激進，首先能不能成功還要打個問號；即便完全復用在實踐中成功了，最終是不是省錢也不好說。”
尤其是未來“星艦”要計劃載人飛行，安全將會是更大的難關。航天飛機只是載7個人，在135次飛行中就炸了兩次（1986年的“挑戰(zhàn)者”號和2003年的“哥倫比亞”號），共有14名航天員遇難。“星艦”一方面要極致地壓縮成本，另一方面要一次運載100人，萬一發(fā)生一次嚴重事故，基本可以肯定這100人都無法生還，這對于“星艦”計劃帶來的沖擊是難以想象的。
2021年5月2日，載人“龍”飛船從國際空間站返回地球，濺落在墨西哥灣。圖源：視覺中國
載人航天的安全要求有多嚴格？楊宇光舉了個例子：SpaceX本想在載人“龍”飛船上使用火箭反推著陸，但被NASA和FAA（美國聯(lián)邦航空管理局）給否決了，還是擔心反推太不安全，要求SpaceX改回降落傘減速著陸。
“‘龍’飛船外形非常短粗，其8臺發(fā)動機只要4臺工作就能著陸，就這樣美國官方都不允許。‘星艦’二子級可比‘龍’飛船要細長得多，稍微一歪就可能倒、可能炸，風險太大，至今只成功回收過一次。不載人也就算了，載人的話，官方怎么可能開綠燈？”
楊宇光提醒說，“星艦”載人的二子級要想重復使用，其唯一的著陸方式就是火箭反推，因為其空重達120噸，這遠遠超出了降落傘的承重極限。
如果管理部門不允許，那么“星艦”載人飛行也只是空中樓閣，且不說登陸和移民火星，就算載客從紐約到上海都不可能實現(xiàn)。
“星艦”二子級要比“龍”飛船細長得多。圖源：視覺中國
“星艦”更擅長繞著地球轉(zhuǎn)，而不是飛向月球火星
楊宇光進一步指出，“星艦”事實上不太適合送人送貨月球、火星，最適合它的工作是繞著地球轉(zhuǎn)，比如發(fā)射衛(wèi)星到近地軌道。
“因為發(fā)射深空載荷需要更高的速度，只有級數(shù)多，速度才能加上去。比如‘土星五號’是三級火箭，N1更達到了五級；再比如，發(fā)射‘天問一號’火星探測器的長征五號基本型是兩級半，專門發(fā)射空間站的長征五號B就是一級半?！睏钣罟庹J為，“星艦”為了百分百可重復使用，選擇了兩極構(gòu)型，對于近地軌道是合算的、高效的，但對于深空運輸來說效率卻是極低的。
所以，“‘星艦’是人類有史以來最強大的火箭”這個說法在他看來是有問題的。“你說它是最大最重的火箭那沒有問題，近地軌道運力250噸它絕對是最大的，但如果是奔月軌道，‘星艦’不在軌補充推進劑的話，恐怕不如‘土星五號’?！?/p>
據(jù)楊宇光透露，根據(jù)SpaceX的計劃，“星艦”從地球去火星，要先在近地軌道加注液氧甲烷推進劑多達5次；如果是去月球，更是要補8-10次，因為去月球需要的速度增量更大。用來給“星艦”加油的“太空加油機”每天只有1-2次發(fā)射窗口及1-2次返回窗口，整個系統(tǒng)和任務搞得過于復雜，其成本和故障率都會指數(shù)式上升。
“還有一大難題：液氧甲烷如何在軌長期儲存？雖然這比液氫容易很多，但是人類還沒有做到過，迄今液氧在外太空儲存還沒有超過一天的。”楊宇光分析說，同樣是在太空里，近地軌道的航天器能得到強大地球磁場的保護，而深空環(huán)境要惡劣得多，飛向深空時“星艦”肚子里大量易燃易爆的燃料會不會出狀況，誰都沒法打包票。
這場邁向“星辰大?！钡倪h征，再壯麗再浪漫，人類也只能一步一個腳印，摸索著艱難前行。
（來源：潮新聞）