星舰每一次试飞为何都算成功

  前天，SpaceX的“星舰（starship）”第五次试飞在美国得克萨斯州顺利发射，完成了本次最重要的任务——“筷子夹住火箭”。这显然是个重要的阶段性任务，但到底对于SpaceX和马斯克的宏图大业意味着什么？距离星际穿梭还有几步？

  星舰是SpaceX创始人兼CEO马斯克为实现运送人类登陆火星、建立殖民地的梦想而打造的一款超级重型火箭，迄今为止已经在一年半左右的时间内，完成了五次试飞。

  它高约120米，直径9米，是一个超大型的两级火箭：第一级助推器被称为“超重（Super Heavy）”，高约69米，由33台“猛禽”发动机组成，燃料为液态甲烷和液态氧，装载量约3400吨，是这次回收测验的重点；第二级则是狭义上的“星舰”航天器，高约50米，燃料装载量为1200吨，能搭乘宇航员或货物，近地轨道有效负载能力为100到150吨。

  第五次发射能够说是星舰最成功的一次试飞：超重助推器不仅成功完成再入，还被发射塔的机械臂成功捕获。

  先简单介绍一下过程，当超重顺着发射弹道升空至70公里左右时，会与二级航天器分离，接着进行机动翻转和返回点火，调整为垂直姿态；接着超重顶部四个用于气动控制的栅格舵、冷气喷射器和剩下的3台发动机会引导其逐渐减速，回到发射塔侧面；当呈现出悬停姿态时，也就是推进比为1时，发射塔的机械臂就会“出手”，借助栅格舵下方的托握点和辅助插口，夹住超重助推器。

  为什么非得用机械臂夹取？是因为超重已经把最早设计的六条着陆腿全取消了。

  超重太重——虽说数千吨的燃料在返回前已经消耗了大部分，但还是有个200多吨——如果用机械腿，风险系数较高。而且要知道，星舰舰身用的可是不锈钢，不是铝锂合金等常见材料，几吨重的着陆腿对于它来说也很有存在感。

  第二级星舰航天器以后也是要尝试回收的，只不过它的速度更快，之前的文章中我们也提到过，它进入大气层的速度在25马赫左右，难以用同样的方式捕获，有很大的可能性还是用传统的方式定点降落回收。这次试飞还是让其溅落在印度洋指定地点。

  整个过程看起来举重若轻，实际难度超乎想象，比如在降落回收时，一旦失误，高达145米的昂贵发射塔就会有毁灭的风险。不过，相比于前几次试飞，星舰的成长速度已经很惊人了。

  星舰第一次试飞是在去年4月，发射后3分48秒左右，一级助推器本应分离但未能成功，33台猛禽发动机没能全部点燃，最终爆炸。当时的原因是推进剂泄露起火，导致失去信号、控制中断，自主飞行安全系统（AFSS）自动发出了销毁指令，星舰整个在指令发出40秒后解体。

  针对第一次试飞出现的问题，SpaceX对轨道发射架和发射台进行了更新，特别是加入了一整套“水冷”系统：在星舰发射时，夹层中会有大量冷却水流过，同时向上喷出水幕，起到降温降噪的功能。

  另外，工作人员又在星舰中加入了热分离系统，也就是在两级尚未分离、第一级助推器的发动机大部分关机的情况下，直接启动第二级发动机，确保两级顺利分离。

  第二次试飞是在7个月后，33台发动机全部成功点火，并且第一、二级分离也在2分41秒左右顺利完成；和第一次试飞的39公里高度相比，星舰第二次飞得更高，到了约148公里的高度，超过了常说的太空边界“卡门线”。

  只不过，在实现两级分离后，超重助推器只正常飞行了8分钟就意外爆炸了，星舰飞行器沿着轨道飞行几分钟后，在未达到轨道速度时失联。SpaceX无法接收到信号，被迫触发“星舰”的飞行终止系统，使其自毁。

  今年3月，星舰第三次试飞，主要是要让“星舰”飞行器达到轨道速度，即能够让其进入绕地球飞行轨道的速度；此外，星舰飞行器要能打开舱门，在无有效载荷情况下演示部署卫星，并且要进行少量推进剂转移测试——这是要为以后长距离飞行所必备的“空中加油”打下技术基础。

  从结果来看，这三个任务都完成得不错。只不过回收过程中，超重助推器虽然顺利点火返航，但着陆点火时未按计划开启发动机，溅落失败，终究是以明显失控的姿态高速坠落至墨西哥湾。而星舰飞行器原本还计划着在轨道上再启动一台猛禽发动机，也没能成功。

  不过第三次试飞也有意外之喜，即星舰首次再入大气层时，通过“星链”卫星直播了穿过“黑障”的画面。这可是人类航天历史上的首次。

  航天器高速进入大气层时，箭体与大气剧烈摩擦升温（一般在2700℃以上），会产生等离子体场，对电磁波产生吸收衰减、折射、反射、散射等效应，导致飞船内部与外界的无线电通信异常乃至中断，这是所谓的“黑障”。飞行器穿越黑障区时，通常只能依靠雷达和光学设备做跟踪测量，里面什么样大家根本不知道。

  根据SpaceX的分析，第三次试飞没能实现溅落，主要是因为发动机液氧供应的过滤器持续堵塞，导致回收时该点火的13台发动机，只有2台能实现点火，推力不够。针对这一点，工作人员通过在液氧罐外加装额外硬件来提高过滤能力。另一个问题是，星舰飞行器再入大气层时失去姿态控制，大概率是因为负责翻滚控制的阀门堵塞，解决办法就是加装额外的翻滚控制推进器。

  此后，SpaceX进行了许多软件上的改进，并且放弃了超重推进器的热级来减轻重量。第四次，也就是今年6月的试飞更进一步，终于实现了两级火箭的溅落，离定点回收更进一步。

  不过星舰飞行器当时虽然没像之前一样失联，但是距离目标溅落位置偏离了约6公里，且转向襟翼部分受热解体，不管是人还是货物都受不了没有隔热瓦啊。

  这一点在第五次试飞中也有改进。大家虽然关注助推器回收，但也要注意到，“星舰”飞船也在发射后约1小时5分溅落在了印度洋的指定地点，且没再次出现隔热板、襟翼的大规模受损的现象。这是因为，SpaceX在第五次试飞前，彻底改造了隔热板，用新一代隔热板、备用烧蚀层、襟翼结构间增加保护等措施，替换了整个热保护系统。

  从星舰的实践就能看出来，SpaceX就是要在快速不断的试飞中处理问题，正如一位工作人员所说，“安全飞行的次数越多，我们学习的速度就越快；我们学习的速度越快，我们就能越早实现全面快速的火箭重复使用”。这也是怎么回事SpaceX会抱怨管理部门的保守。

  上个月，SpaceX在官网发文，直指国联邦航空管理局（FAA）和美国环保署（EPA）在发射许可等方面行动太迟缓，且限制重重，“办理官方火箭发射许可的手续文件所需的时间，比我们设计和建造火箭的时间都要长。”

  SpaceX一直秉承的就是“快速失败原则”，马斯克曾在自传中表示，要甘愿冒险，火箭炸就炸了，炸完了反思、学习、修正，然后再重复冒险即可。

  再说了，如果按照马斯克的计划——在2026年发射无人星舰登陆火星——那星舰要改进的还有很多。比如在轨加注推进剂五次左右、深空飞行长期在轨、火星大气EDL（Entry, Descent, and Landing，指火星上的进入、下降和着陆阶段）等技术都有待验证，还有第二级星舰飞行器能不能定点回收、发射，怎么保证载人的安全性……一年个位数的试飞恐怕还是太少。

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