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人類最強火箭完成三大新突破!更多星艦做好準備

22年來,在馬斯克和SpaceX的征途中,從來不缺大膽的嘗試和不斷的挫折,以及隨之而來的失敗和爆炸,這些經歷為他們積累經驗,從而鑄就了一連串的成功成就。

3月14日,SpaceX拿到了自己最好的生日禮物——星艦的第三次軌道測試發射成功。

22年前的這一天,馬斯克在美國加州的倉庫里開始了他的航天創業之路;22年間,歷經無數挫折,如今成功把世界上最大的一支火箭送入軌道。

在這次歷史性的試飛中,星艦一舉完成了三大突破:飛船進入既定近地軌道、荷載艙門開關測試(未來部署星鏈衛星)、內部燃料轉移測試(未來太空加油)。

這些新增的考試科目,都是星艦飛船未來能成為星際旅行工具的關鍵步驟。

SpaceX一直秉承「以飛代試」理念,每一次試射都要融入更多的測試項目,以迅速完善星艦的設計和試驗數據。

唯一遺憾的就是,無論是星艦飛船,還是超重型助推器,都沒能按原計劃降落。

圖:星艦發射升空丨來源:space.com

在此次任務結束時,馬斯克在社交平台X上發文說:星艦將會讓人類成為多行星物種。

進展夾雜挫折,22歲的SpaceX還在試錯和疊代中前行。就像他們在官網寫的:更多星艦已經為飛行做好了準備。

一次充滿信心的發射

經過數十次的爆炸和無數的改進,此次星艦發射已經被寄予厚望。馬斯克自己也在發射前表示,火箭要比第一、第二次試飛時更好,此次試飛能夠達到地球軌道的概率有70%~80%。

根據SpaceX的說法,每次發射都被視為一項實地測試,每一趟飛行任務都伴隨著詳盡的數據收集和後續分析,那些曾經看似不可能完成的任務,通過不斷的試錯和優化過程,正逐步變為現實。

第一次星艦發射,現在看來是一次視死如歸的實驗。

2023年4月20日,完全體的星艦執行首次軌道級測試飛行任務,但升空後不久就遇到了問題,幾台發動機在發射後幾分鐘失控,SpaceX下達了自毀指令,隨後星艦在墨西哥灣上空解體爆炸。

這次發射甚至還造成了地面設施的嚴重損毀,發射台被炸出了一個巨大的坑洞,碎片散落到了距離發射場約5英里的小鎮上,這一事件隨即引起了監管部門的審查。後來調查結果顯示,星艦搭載的猛禽發動機集群對發射台施加了巨大的熱量和壓力,最終導致了混凝土結構的破裂。

為此,SpaceX對發射台進行了升級,增加了一個水浸系統,最終才能扛住33台猛禽發動機同時啟動時的超高溫。此外,星艦的一二級分離方式也在第一次發射後得到升級,SpaceX引入了一種新的「熱分級」技術,在分級之前點燃上面級的6台猛禽發動機。到了去年11月的第二次發射前,馬斯克表示,SpaceX星艦實施了超過1000項升級和改進,並進行了63次美國聯邦航空管理局(FAA)規定的修正,以提高飛行安全和性能。

儘管如此,這仍沒帶來發射成功的結果。火箭雖然成功點火升空,33台發動機均按照預定程序成功啟動,但是一級火箭完成了其預定的工作階段後,二級火箭出現了技術故障,導致與地面控制中心的通信中斷,以空中爆炸告終。不過,星艦的第二次發射,依然實現了關鍵的技術里程碑:經過一系列技術優化,這次發射並未對發射台造成損害;此外,星艦與助推火箭成功執行了「熱分離」操作。

圖:熱分離效果圖丨來源:SpaceX

在第二次整艦發射結束後,FAA介入,聯合SpaceX對飛行全過程進行了調查。「星艦2號的飛行幾乎達到了預定軌道,」馬斯克在年初的一次內部討論中提到。情況十分有趣,他認為如果那次任務搭載了有效載荷,星艦很可能已經成功入軌,最終失敗的原因在於星艦進行了液氧排放操作,這一操作最終引發了火災和隨後的爆炸。而如果飛船搭載了有效載荷,通常不會有這個步驟。

圖:第二次發射前星艦在發射場待命丨來源:SpaceX

雖然第三次試射也沒有有效載荷,但星艦需要精準地進入預定軌道。而外界對這一臨門一腳的目標,顯得信心十足。事實也正是如此,第三次飛行的星艦順利完成了上述任務,只是在最後再入地球大氣層過程中失去信號,未能進行最後的受控落海環節。

另外,SpaceX在星艦3號上面級疊加了多重使命,包括進行內部燃料轉移、載荷艙門開關、發動機真空點火以及再入大氣層測試。其中,燃料轉移測試中,有約10噸的液氧從一個儲罐轉移到另一個,這在歷史上尚屬首次,規模之大前所未有。最終目的是實現星艦的「加油機」在軌道上進行補給,採用類似於飛機空中加油的方式,最終能夠飛往更遠的深空。雖然這次測試不會涉及兩艘星艦在太空中的直接會合,但此次任務涉及到的階段性測試仍是這一關鍵技術的重要一環。

SpaceX還有4艘星艦已經完成或接近完成建造階段。此次飛行測試結束後,後續的星艦有望進行更加密集的發射任務。

圖:多艘星艦已經準備就緒丨來源:SpaceX

最大、最便宜的火箭

在一次次改進當中,星艦「成長」為史上最大的火箭。

星艦由底部的超重型助推器(Super Heavy)和上部的飛船組成,整體高達121米,直徑約9米,重量達到500萬公斤,是目前全球最大的火箭。

BBC給出的對比圖里可以看到,幾枚火箭都是在航天史上排得上名號的大傢伙。從左到右包括了能夠載著一船人往返太空的太空梭;SpaceX自家的重型獵鷹火箭;如今參與到了美國新一輪登月計劃中的SLS超重型火箭;以及目前為止唯一執行過載人登月任務的土星五號火箭。

星艦不只是個頭穩壓它們一頭,在各項性能、成本方面都有跨世代的追求,一副要書寫新的航天歷史的姿態。

回想起去年NASA備受矚目的重返月球計劃,儘管NASA的空間發射系統(SLS)被譽為「地表最強火箭」,但與星艦相比,SLS在尺寸和性能上都顯得稍遜一籌。

為了把長期使用的成本壓到最低,星艦的設計採用了不鏽鋼材料,成本低廉、易於加工和修復。可調節的向量發動機,使得引擎可以多次點火和重複使用,從而減少了發射過程中的損耗。馬斯克曾宣稱,星艦的飛行成本遠低於大多數火箭,單次發射成本未來將降低到200萬美元,每公斤有效載荷的發射成本可能降至10美元。

在諸多降本增效的措施中,最重要的就是火箭的可重複使用,火箭完成發射任務後,可返回地球並實現垂直降落,準備下一次發射任務。如今這一技術路線已經成為全球航天企業的努力方向。面向未來,星艦還能執行多種任務,包括將太空人和貨物運送到地球軌道、月球、火星等目的地,使其成為未來太空探索的多功能火箭。

一路走來,星艦所面臨的挑戰正是其價值所在。一旦SpaceX實現了快速且完全可重複使用的太空飛行,將極大地降低太空探索的成本,完成有深遠影響的變革。

先上月球,再去火星

對於星艦的成功發射、後續投入實際使用,另一層期待是,星艦有望在新一輪的登月計劃中執行載人登月任務。NASA已經向SpaceX提供了數十億美元的合同,用於開發載人登月系統的星艦版本。作為合同的一部分,SpaceX需要先進行一次無人駕駛的月球試飛。

對NASA而言,星艦作為著陸器的成功至關重要,若不能及時投入使用,整個登月計劃都將受到影響。在此之前,馬斯克必須向NASA證明星艦的性能和可靠性。有分析認為,在執行登月任務前,星艦至少還需成功飛行30至40次。

圖:NASA授予SpaceX合同,開發載人登月飛船,此為效果圖丨來源:SpaceX

星艦成功實現登月後,馬斯克將把目光投向其終極目標——火星。

幾乎從SpaceX成立以來,馬斯克一直強調讓人類成為多行星物種的重要性。而星艦任務的終極目標之一是在火星上建立人類殖民地。

根據馬斯克的計劃,到2050年將有100萬人登上火星,這意味著星艦需要每天進行大約3次飛行,每年總共需要執行1000次飛行任務,這就要求SpaceX以前所未有的規模生產火箭,因此生產過程中的簡便性變得至關重要,把隨處可見的不鏽鋼拿來作為製作材料便是其中的體現。

為了實現規模化的火星往返目標,馬斯克計劃在太空艙前部的有效載荷區域安裝大約40個客艙,每個艙內可容納2-3人,以實現他之前承諾的每次將100人送上太空的願景。載荷艙還將設有公共區域、存儲空間、廚房和避難所,躲避太陽風暴釋放的有害帶電粒子。

星艦就是這樣一個代表著「太空探索的巔峰」,旨在打造一個能夠前往月球、火星等目的地的全功能、可重複使用的發射與著陸系統。它誕生在這個時代,看起來卻超越了這個時代。

寫在最後

22年來,在馬斯克和SpaceX的征途中,從來不缺大膽的嘗試和不斷的挫折,以及隨之而來的失敗和爆炸,這些經歷為他們積累經驗,從而鑄就了一連串的成功成就。

2008年,SpaceX在瀕臨破產之際,經歷了連續的失敗後,終於成功發射了獵鷹1號火箭,並獲得了NASA的商業補給服務合同,這筆資金無異於雪中送炭。儘管SpaceX在探索過程中屢遭挫折,但他們的目標始終堅定——降低太空探索的成本。

馬斯克提出的火星殖民計劃,被許多人視為不切實際的幻想——計劃從2029年起通過星際飛船將人類送往火星,並在2050年之前將100萬人遷移至火星,在那裡建立城市,實現真正的定居和成為「火星人」。然而,SpaceX的實際進展正逐步讓這一幻想變得不那麼飄渺。

目前,SpaceX正在加快星艦的試射速度。第一、二次發射間隔為7個多月,如今僅過去4個月,就第三次發射。第四次試射的時間和成就都值得期待。要知道,SpaceX的「獵鷹1號」可是在經歷三連敗、公司幾近破產後,到第4次發射才回收成功,也從此掀開了人類航天史的新篇章。

或許在不遠的將來,普通人真的能夠像馬斯克所說的那樣,擁有前往火星的「船票」。

責任編輯: 李冬琪  來源:返樸 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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