星艦首次進入太空軌道,里程碑式突破:人類離火星旅行又近一步

机器之心發表於2024-03-15

它會帶我們飛向外星嗎?

成功入軌,星艦 Starship 這次向前邁進了一大步。

美國東部時間 3 月 14 日早上 9 點 25 分,隨著人們整齊一致的倒數聲,星艦在得克薩斯州南部博卡奇卡海灘附近的 Starbase 基地順利升空。

今天的發射準備工作較為順利。在短暫推遲後,33 臺猛禽發動機均成功點火併順利升空。

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火箭在 52 秒達到最大動壓點(Max Q),這是一個航空術語,指飛行器在飛行過程中經歷最大動態壓力的位置。

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2 分 42 秒後,一二級火箭成功完成了熱分離。星艦飛船 SN28 啟動 6 臺猛禽發動機把自己推離了 Super Heavy 助推器。

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6 分鐘左右,一級助推器開始返回,但沒有保持住穩定的姿態,最終墜入海中。此時沒有多少引擎處於點火狀態,有關回收的嘗試沒有成功。

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而星艦飛船成功實現了預期點火的時間,在啟動後 8 分 35 秒關閉了發動機。這足以讓它進入軌道,這標誌著一個巨大的里程碑,對於 SpaceX 來說無疑是一次勝利。

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SpaceX 通訊經理丹・霍特(Dan Huot) 表示:「我們比以往任何時候都走得更遠。」

19 分鐘後,星艦飛船開始在距離地球表面超過 200 公里高度的太空滑行。

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馬斯克表示,星艦飛船已經達到軌道速度(上次沒有達到),並向 SpaceX 團隊發來祝賀。

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在 28 分鐘左右時,SpaceX 表示在 170 公里的高度上,Starship 完成了有效載荷門測試,該測試旨在驗證其將衛星等貨物送入太空的能力。但官方表示,仍需要進行一些「資料檢查」。這意味著試飛期間實現了另一個重要里程碑。

SpaceX 展示了星艦內部的實時特寫:

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在發射升空 40 分鐘後,SpaceX 宣佈本次測試的推進劑轉移演示已經完成。該測試的目標是將星艦飛船上的 10 噸液氧加註到另一個液氧艙中。

SpaceX 工程師設計該演示的目的,是為了討論星際飛船未來在軌道上執行時如何補充燃料。星艦可能需要十幾次加油飛行才能到達月球。

「以前,我們從未嘗試過在軌道上儲存和轉移如此大量的低溫推進劑,」NASA 馬歇爾低溫流體管理專案經理 Jeremy Kenny 表示。「這是一項改變遊戲規則的技術,是為月球、火星以及更深太陽系內科學探索任務而開發的必要能力。」

這是個高難度的技術活。NASA 還告訴 CNN,SpaceX 可能因完成演示而獲得 5340 萬美元的「爆點獎」。

但是隨後的測試專案不太順利。在再入大氣層之前,SpaceX 選擇不重新啟動 Starship 的引擎,這項測試被取消了,我們尚不知道工程師做出決策的原因。

46 分鐘左右,星艦飛船重新進入地球大氣層,返回大氣層時的極端高溫和壓力形成了等離子「火焰」,現場再次響起歡呼聲。

隨著星艦高度越來越低,等離子體牆不斷增強,表面溫度高達 1430 攝氏度。宇宙飛船表面鋪設的約 1.8 萬塊輕質六角形陶瓷磚承受住了再入大氣的溫度。

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這應該是我們第一次看到飛行器大氣層再入的實時影像。

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隨著高度逐漸下降,Starship 進入了黑障區,在海拔 65 公里高度時影片訊號中斷。Dan Huot 表示,地面控制中心失去了星鏈和其他資料流,這意味著我們可能失去了與星艦的聯絡。

「我們不知道它是否按照計劃濺落在印度洋中,」SpaceX 工程師 Kate Tice 表示。

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隨後,人們推定星艦在這一階段燒燬。

這次任務宣告提前結束,但顯然已取得了重大進步,是人類航天的又一里程碑式突破。

工程師指出,未來的數小時和數天裡,人們還要評估大量資料。

SpaceX 這次的發射,讓星艦整體入軌,宣告了多發動機捆綁式超大火箭的路線具有可行性。與此同時,在火箭的熱分離、姿態控制、回收等方面也有了進步。難怪馬斯克在任務結束後心情不錯:

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已經迫不及待想要移民火星了?

Starship 的第三次全堆疊配置發射測試是迄今為止最雄心勃勃的一次。

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SpaceX 的第三艘 Starship 飛船豎立在該公司位於得克薩斯州南部的 Starbase 基地發射架上。

上次的 Starship 試飛是在去年的 11 月,火箭在飛行後約 10 分鐘發生爆炸。當時馬斯克預測發射成功的機率是:像擲硬幣一樣,50% 左右。

這次飛行成功的機率要高得多。「我不想立 flag,但我認為到達軌道的可能性很大——有 80%,」馬斯克說。「當然,第三次飛行是比前兩次飛行更好的火箭。」

看起來,馬斯克的預測很靠譜。

不斷嘗試,走向成功

這是星艦的第三次試飛,前面兩次試飛都以大部分失敗告終。

星艦(Starship)是由 SpaceX 開發的重型運載火箭,於 2017 年 9 月由埃隆・馬斯克首次公佈,它的終極目標是打造一個完全可重複使用的運輸系統,能夠將乘員和貨物送入地球軌道,幫助人類重返月球,並最終前往火星及更遠的地方。

2023 年 4 月 20 日,星艦的完整版本首次嘗試發射,火箭飛行幾分鐘後在空中爆炸,嚴重破壞了地面基礎設施並引發了環境問題。美國聯邦航空局與美國魚類和野生動物管理局甚至為此進行了協調,在為第二次嘗試頒發新的飛行許可證之前啟動了安全審查。

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去年 11 月第二次試飛,星艦實現了成功的一二級分離,但一級火箭在分離之後一直無法啟動足夠多的發動機控制姿態,在空中爆炸了,二級因速度不夠導致切入軌道失敗。

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不過,這就是 SpaceX 快速迭代技術的方式,前兩次的「暫時失敗」提供了很多寶貴的經驗。在第三次發射之前,工程師們早已為今天的發射設定了大量新的目標。

SpaceX 太空運營工程師 Siva Bharadvaj 在週四的發射直播中表示:「我們開發的許多創新都源自於之前的失敗,過去的經驗教會我們如何避免太空飛行的危險。」

11 月的第二次爆炸後,美國聯邦航空管理局要求 SpaceX 採取 17 項糾正措施。其中包括硬體重新設計、發動機分析以及第一級 Super Heavy 助推器和上級 Starship 的穩定性更新。

有報導稱,11 月試射後大約七分鐘,星艦開始按計劃傾倒液氧時引發了火災,最終導致飛船自爆。

避免類似火災是週四發射準備工作的首要任務。為實現這一目標,SpaceX 進行了多項調整。現在,Super Heavy 在發動機關閉前不再需要液氧傾倒裝置,也降低了燃料洩漏風險,星艦的原形機也加入了額外的防火裝置。

SpaceX 還進行了多項升級以改進發動機和飛行控制。

據 SpaceNews 報導,SpaceX 更新了 Super Heavy 的發動機控制演算法,並在其液氧罐中新增了新的大型晃動擋板,以減少推進劑在火箭具有挑戰性的翻轉過程中晃動過多。

至於星艦本身,SpaceX 在發動機裙板的底部增加了三個新的成角度的液氧通風口,這可能有助於姿態控制。

新設計的轉向器(下圖紅圈)可以引導排出的蒸汽向下流動,也有助於姿態控制。

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還有一個肉眼可見的升級就是資訊傳輸能力。星艦升空後,能將令人驚歎的太空景象傳回地球,在很長一段時間的太空飛行中能與任務控制中心保持資料連線。

Starship 甚至拍攝了航天器重返地球大氣層的實時映象,這要歸功於星鏈終端升級和衛星天線。

人類飛往火星的希望

馬斯克認為,人類應該成為一個跨星際物種,以防止地球上可能發生的災難性事件,如小行星撞擊地球等,導致人類滅絕。他的終極夢想是讓人類有朝一日能夠移居火星,而他自己可以在「火星上退休」,甚至是「死在火星上」。

不過,在查閱了 NASA 官網之後,他失望地發現:NASA 根本沒有登陸火星的計劃。

所以在 2002 年,馬斯克建立了自己的第三個公司:太空探索技術公司「Space X」。

在經營 SpaceX 的過程中,馬斯克做了很多打破常規的事情,比如採取一種迭代式的設計方法:迅速製成火箭和發動機原型,進行測試,炸燬,修改,再次嘗試,直到最後做出能用的東西。他們希望透過這種方式儘快找出問題,然後解決問題。

這也是為什麼我們在瀏覽 SpaceX 相關的新聞時,經常能夠聽到爆炸的訊息。

「最有可能的結果無非就是,我會因此傾家蕩產。但我有別的選擇嗎?眼睜睜看著太空探索沒有絲毫進展?我們必須試一試,否則人類將永遠被困在地球上。」

SpaceX 的星艦飛行器及其超重型助推器是世界上最高、最強大的火箭。當它們堆疊在一起時,高度為 400 英尺(122 米), 重約 7500 噸,由兩部分組成:

  • 底部 70 米高、配備 33 臺「猛禽」發動機的「超重型推進器(Super Heavy)」,即一級。這一級主要負責將整個星艦系統推出地球大氣層。按照計劃,在完成這個任務後,一級火箭會分離,然後返回地球進行著陸,以便再次使用。

  • 頂部 50 米高、搭載 6 臺「猛禽」發動機的星艦(Starship)飛船,即二級。這一級在一級火箭分離後,會繼續前往太空執行任務。在長遠規劃中,這些任務可能包括將貨物或乘客送到地球軌道、月球、火星,甚至是太陽系的其他地方。

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本次發射後,馬斯克和 SpaceX 已經把最強運載火箭的名號從波音手裡奪了回來。

按照設計,兩級都可以重複利用,發射一次消耗 5000 噸推進劑,是液氧和甲烷,採用全流程燃燒迴圈技術,燃料成本不到 50 萬美元,設計運載能力 150 噸。

除此之外,星艦主要使用不鏽鋼製成。這些特性帶來了一系列技術挑戰和限制,也降低了火箭發射的成本。

星艦最終的成功,會承載起人類探索月球和火星的希望。

縱觀人類火箭發射的發展歷程,SpaceX 從獵鷹到星艦的發展,開啟了重複使用火箭的新時代,也在姿態感知、姿態控制、制導等方面驗證了大量新技術。

NASA 已承諾在星際飛船上投資 40 億美元。根據美國宇航局目前的路線圖,堆疊在超重型助推器頂部的星艦飛船計劃在 2026 年進行的 NASA 阿爾忒彌斯 III 月球任務中發揮關鍵作用,完成該機構載人登月任務的最後一段,將宇航員從月球軌道上的航天器上載到月球表面。它最終還必須證明可以將多個「星際飛船加油機」送入軌道,為主星際飛船補充燃料,以繼續其前往月球的旅程。

因此,這次發射嘗試的進展可能會對美國航天局的月球探索目標產生深遠影響。現在看來,我們已獲得了很多樂觀的結果:

  • Super Heavy 完成上升段飛行、熱分離並在墨西哥灣動力濺落(部分成功)

  • Starship 達到軌道速度(成功)

  • 開啟、關閉 Starship 有效載荷艙門(部分成功)

  • 在 Starship 滑行階段進行推進劑轉移演示(成功)

  • 首次在太空中重新點燃猛禽發動機(未嘗試)

  • 控制星艦再入大氣層(失敗)

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星艦第三次發射的計劃。

技術的迭代還在繼續,預計本年度 SpaceX 還會嘗試發射 4-5 次星艦。

最後,3 月 14 日也是 SpaceX 成立的日子。

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今天這家公司在過 22 歲生日。

參考內容:

https://www.nasa.gov/directorates/esdmd/artemis-campaign-development-division/human-landing-system-program/nasa-artemis-mission-progresses-with-spacex-starship-test-flight/

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