星舰第三次发射终于成功入轨!3月14日晚上9点25分(北京时间),SpaceX的星舰巨型火箭在得克萨斯州的博卡奇卡发射场发射升空。
约2分49秒之后,飞船与第一级超重助推器实现分离。第一级助推器虽然尝试了着陆,但最终失败。星舰飞船继续飞往太空,并成功进入了环绕地球的轨道。
飞船与第一级分离过程
这是星舰飞船首次成功进入轨道,完成了里程碑式的成就,宣示了已经研发多年,耗费了数十亿美元巨资的星舰并不是闹着玩的,而是真的能够实现入轨。在实现入轨之后,星舰还测试了舱门的开启和关闭,为将来释放卫星进行了准备。
星舰飞船在轨道上
在飞行了约40多分钟后,星舰第二级飞船开始再入大气层,船体与空气摩擦形成了壮观的火光,随后进入了黑障,与地面的通讯中断。
星舰原计划在起飞约65分钟后,溅落在印度洋海域。但不幸的是星舰在黑障通讯中断后,再也没能恢复通讯,有消息称星舰在65公里高度上失联。在一张照片中,能够看到星舰飞船上有一块隔热瓦脱落了,很有可能就是这个原因,导致它没能熬过与大气层的摩擦,解体烧毁了。
但不管怎么说,星舰终究是入轨了,这次发射虽然没能实现回收和再入大气层,但仍然验证了星舰将载荷发射到近地轨道的能力,应该说已经具有了发射卫星的能力。
在经历了第一次和第二次的失败后,星舰的成功入轨来之不易,它意味着世界航天史上一个重大的里程碑,会产生深远的影响,包括中国航天在内的世界各国航天界,都会感受到这种影响。一句话:星舰很可能将引领未来的世界航天发展。
左边为第一级助推器视角,右边为飞船视角
星舰(Starship)是由美国太空探索技术公司(SpaceX)研发的一种超重型运载火箭和宇宙飞船,其研发历史可以追溯到2005年。当时马斯克提出了重型运载火箭的概念,这是星舰最早的雏形。这个概念逐渐演变成更大规模的火箭和宇宙飞船组合,也就是现在的星舰系统。
从2012年开始,SpaceX开始研发星舰的前身“火星殖民运输器”(MCT),后来更名为“星际运输系统”(ITS)。2016年,星舰使用的“猛禽”发动机开始测试。这是一种采用液氧甲烷燃料的可重复使用火箭发动机。
在随后的几年中,SpaceX进行了一系列的静态点火、试飞和技术验证测试,以逐步完善火箭和飞船的设计。2018年,SpaceX开始建造星舰的首个原型机。
随后的几年里,多个星舰原型机进行了多次静态点火和试飞测试,其中一些测试以失败告终,但也积累了宝贵的数据和经验。基于测试中的反馈和数据,SpaceX对星舰的设计进行了多次迭代和改进,包括结构优化、材料选择和燃料系统等方面的调整。
现在的完全体星舰,由两大部分组成:起飞级的超重助推器和它上面的星舰飞船。超重助推器是星舰火箭的主体部分,承担了大部分的升空推力,总高度约为70米,直径9米,重约3400吨,比土星五号还要重了许多,是一枚货真价实的巨型火箭。
超重助推器最显著的特征,就是在底部并联安装了33台“猛禽”液氧甲烷发动机。其中,13台内侧发动机用于改变推力方向,使火箭能够在升空过程中进行精确的姿态调整。火箭主要由高强度铝合金和不锈钢构成,不仅承受巨大的压力,还比较便宜。在起飞级完成使用与飞船分离后,起飞级会利用多个无法收缩的栅格翼进行精确选定落点,并配合绰号为“筷子夹”的特殊机械臂进行回收。
星舰飞船的长度约为50米,直径约9米,安装了6台发动机,包括3台真空版“猛禽”发动机和3台海平面版“猛禽”发动机。飞船主要由碳纤维复合材料构成,以减轻重量并提高结构强度。星舰飞船进入轨道后,或者在执行深空任务时,仍能够保持强大的推进力。
超重助推器和星舰飞船使用的都是猛禽发动机,这种发动机采用全流量分级燃烧循环,效率极高,燃烧室压力高达350Bar,推力达到了惊人的269吨。在39台猛禽的助力之下,星舰火箭能够将150~250吨的货物送到近地轨道,如果用来发射星链卫星,一次能发好几百颗。
如果要将载荷送往月球,地月转移轨道运力不考虑回收的话可达百吨。星舰还具有强大的深空发射能力,可以将更重的航天器发射到木星、土星或更远的地方。更厉害的是星舰的助推级和飞船都可以回收,这比猎鹰9号又进了一步,大大降低了发射成本。猎鹰9号只能回收第一级,就已经抢夺了全世界一大半的商业发射市场,可以想象星舰的潜力会有多大。
星舰的第一次轨道级试飞以失败告终,火箭有多台发动机没能点火,发射后不久就爆炸了。第二次发射取得了部分成功,但在飞船与助推级实现热分离之后,两部分都没能幸存,在分离不久后爆炸。失败的原因是装载了过多燃料,不得不从飞船中排出过量的氧气,如果第二次星舰试飞时使用实际有效载荷进行轨道运输,就可以避免爆炸发生。
虽然失败了两次,但SpaceX还是不计成本的投入,不达目的绝不罢休。这与当初猎鹰9号的发展过程颇为相似。在持续的投入之下,现在星舰的第三次试飞成功进入了轨道,表明星舰终于回击了各种质疑,开始走上了正轨。虽然第一级超重助推器未能回收,第二级飞船也没能回到地球,但并不影响星舰将载荷送上太空,以后就是逐步完善的过程了.
美国在拥有了星舰这样的“大杀器”之后,就能以极低的成本向太空中发射大量的卫星,登月、探火星也会更加方便,在太空中的地位将愈发稳固。我们甚至有理由推测,星舰将使太空中布满美国卫星,占据轨道资源,挤压其他国家的航天发展空间。对中国来说,形势还是比较紧迫的。
我国现役的长征五号、长征七号主力火箭都是一次性火箭,发射成本高,用来完成空间站任务是没问题,但在商业航天领域无法与SpaceX竞争。我国在可回收复用火箭方面起步较晚,至今也还没有一个型号投入使用,这个原因是多方面的。
过去,我国的航天技术主要集中在实现太空任务,如载人航天、月球探测等,这些任务更注重火箭的可靠性和一次性使用。因此,虽然我国一直大力支持航天技术的发展,但在可重复使用火箭领域,早期投入相对较少,特别是航天“国家队”一直没有将可复用火箭当成发展重点。
火箭回收复用的技术难度较高,涉及发动机重复使用、回收技术、结构设计等多个方面。这些技术挑战需要长时间的研究和试验,在研制过程中出现失败也是家常便饭,马斯克的猎鹰9号就是失败了许多次才成功的,这在我国现行的航天科研体制下不容易实现。
不过,随着商业航天市场的崛起和国家对创新技术的重视,这种情况正在改变。尤其是各家民营航天公司都将可回收火箭当成了重点发展方向,在经历了一段时间的尝试之后,逐渐取得了一些进展。蓝箭航天的朱雀三号试验箭已经进行了百米级垂直起降实验,取得了成功,今年6月将进行10公里级垂直起降试验。
另外,我国正在加速研制4米级和5米级的可重复使用运载火箭,并计划分别于2025年和2026年进行首飞。未来的长征九号登月大火箭,构型也正在向可回收复用的方向转变。这些都是很好的趋势。
但我国的发力还显得不太够,可复用火箭在眼花缭乱的型号中并没有占据主导地位。星舰已经基本成功了,将世界各国都甩下了一大截,方向已经很明确了。现在正应该下定决心,集中国家队和民营航天的力量,着重研发火箭回收技术,力求尽快取得突破。否则等到星舰一成熟,我国却拿不出能与之匹敌的型号,差距就更大了。