马斯克的星舰要上天了！是人类最强运载火箭，还是又一朵大烟花？
2023-4-9 13:36:53 Author: 爱范儿(查看原文) 阅读量:16 收藏
还记得两年前，SpaceX 的星舰炸了又双叒叕炸，给我们带来的震撼画面吗？
作为 SpaceX 孤注一掷，倾尽全力研发的下一代可完全重复使用重型运载火箭，2020 年底到 2021 年上半年，星舰原型机展开了一系列激动人心的亚轨道高空试飞。
星舰SN8落地时「计划外快速拆解」 | SpaceX
先是 2020 年 12 月 9 日，星舰 SN8 在得克萨斯州进行了首次高空试飞。试飞中，SN8 成功达到约 12.5 公里高度，但在落地瞬间发生爆炸。
星舰 SN9 炸在当场，星舰 SN10 在旁边瑟瑟发抖 | LabPadre
2021 年 2 月 2 日，星舰 SN9 原型机试飞，同样达到了约 10 公里的高度，同样在着陆过程中出现问题，导致爆炸。
星舰SN10「神龙摆尾」成功落地，几分钟后原地爆炸 | NASASpaceflight
3 月 3 日，星舰 SN10 再次试飞，这一回倒是顺利完成了垂直着陆，几分钟后却在一场爆炸中原地解体。
星舰SN11当空解体，碎片差点砸中摄像机…… | NASASpaceflight
3 月 30 日，星舰 SN11 在大雾中试飞，甚至没能撑到着陆便当空解体，连爆炸的火光都无法看清。
SN15反推落地，成功完成了星舰原型机的亚轨道高空试飞 | SpaceX
直到 2021 年 5 月 5 日，星舰 SN15 原型机进行了最后一次 10 公里跳跃试飞，在一通漂亮的「神龙摆尾」之后，成功实现平稳落地。
虽然现场燃起了小股火焰，但很快就被扑灭。这次试飞取得了成功，星舰原型机首次完成了亚轨道试飞。
当时人们以为，星舰距离首飞仅有「一步之遥」了。然而，将近两年过去了，星舰仍未实现入轨首飞，甚至亚轨道测试飞行也已不再进行。
那么，在过去的这两年里，星舰经历了什么，使得首飞进度不断推迟呢？
2021 年 8 月 6 日，星舰 B4 + S20 组合首次合体演练 | teslarati
首先，星舰推迟的原因最主要是自身设计不断迭代，设计方案改了又改，导致SN12、13、14、16 等原型机制造一半或未经试飞就被拆毁或报废。
其次，是测试进度不断跳跃，星舰 B4+S20 组合虽然 2021 年 8 月就已伫立在发射台上，但 SpaceX 研判后决定壮士断腕，因「设计落伍」将其报废，转而采用 B7+S24 组合。
再次，是火箭发动机「猛禽」可靠性不足，也拖累了星舰进度。SN8、9、10、11 这 4 艘星舰原型机的 10 公里亚轨道试飞失败均与「猛禽」有关。
猛禽发动机：
SpaceX 为星舰火箭研发的一种新型液氧甲烷火箭发动机。这种发动机具有很高的性能，能为星舰火箭提供巨大的推力。
最后，就是严重低估轨道级发射台工程量，推进剂贮存设施、新设计的回收机构都进行了大量调试。
星舰的迭代非常「豪横」，图中间即 为B7，右侧为直接退役的 B4，B7 相对 B4 在发动机舱附近有明显改进 | SpaceX
由于星舰的设计过于激进，风险很大，从正式研发至今，所获商业订单寥寥。美国军方虽然一直以亚轨道快速全球投送作为星舰的启动项目，但摇旗呐喊多，真金白银少。
星舰几乎是 SpaceX 一力承担研发成本，为了摊平研发成本，SpaceX 一直在不断拓展星舰的使用场景。为此，他们盯上了庞大的「阿尔忒弥斯」计划，试图成为载人登月舱的承包商。
这一招可谓是「蓄谋已久」。在 SN15 等多架原型机试飞时，SpaceX 秘密邀请了 NASA 的登月舱评标团队亲临现场观摩。正所谓功夫不负有心人，这些实打实的技术进展和试验，打动了苛刻的评标人员，为 SpaceX 赢得了最「意外」的载人登月舱合同。
星舰SN15起飞瞬间 | SpaceX
载人登月舱危机
刚看到这新闻时，作者还躺在床上，揉了揉眼睛，还真不是在做梦……  | NASA网站截图
2021 年 4 月 17 日，NASA 宣布 SpaceX 成为美国「阿尔忒弥斯」登月计划「载人登陆系统」（即载人登月舱）的唯一承包商。
出乎业界意料地，基于星舰打造的一款专用于月球登陆的改版「登月舱」，击败了由蓝色起源牵头的「国家队」和达因公司牵头 25 家分包商组成的「小企业队」。
星舰登月舱与月球轨道平台门户对接，右侧可见猎户座载人飞船 | Mack Crawford & NASASpaceflight.com
SpaceX 爆冷中标可谓是「一石激起千层浪」，各方反应不一，除美国国会相关议员及部分组织表达遗憾之外，以蓝色起源为首的两家落标方表示不服并直接申诉。
当年 4 月 26 日，两家落标方向「美国政府问责局」（以下简称「问责局」）提交了长达 175 页的申诉材料，指责 NASA 在投标过程中对两家方案的各个方面进行了不当评估，且没有留给其适应性修改报价和标书的机会。
4 月 30 日，NASA 迫于压力暂停合同执行，直到问责局作出最终裁决。
左右护法均以出局告终 | 改编自NASA
3 个月后，问责局给蓝色起源泼了一盆凉水，正式公布了申诉调查结论。问责局认为两家抗议无效，并公开了申诉调查的部分细节，称未发现 NASA 评标不当的证据。虽然 SpaceX 登月舱方案在轨加注次数过多确实存在技术风险，但评标过程合规合法。
在轨加注：
指在太空中，一艘航天器向另一艘航天器输送燃料或推进剂的过程。这种技术可以让航天器在太空中执行更长时间或更复杂的任务。
针对申诉方称仅选择 SpaceX 作为唯一中标方不合理的问题，问责局回应招标流程未限定中标企业数量，NASA 既可以选择多家中标，也有权选择唯一中标方。
而事实上，NASA 之所以没有沿用近年来选择两家中标且互为备份方案，原因在于美国国会将当年 32 亿美元载人登月舱预算压缩至仅有 8.5 亿，NASA 无力同时资助两家企业开展研发，无奈只能「孤注一掷」选择 SpaceX。
NASA 的评标总结表，蓝色起源报价其实是 60 亿美元，Dynetics 是 90 多亿美元
申诉失败后，蓝色起源并未善罢甘休。一方面，他们开始制作各种宣传图，在社交媒体上公开抨击 SpaceX 的登月舱设计不合理，指责其在轨加注次数多，技术风险高。另一方面，他们动用美国国会的关系向 NASA 施压，敦促其颁发第二份登月舱研发合同。
为了争取合同，蓝色起源创始人、前世界首富贝索斯甚至公开表示，愿意自掏腰包 20 亿美金贴补研发费用。而 NASA 新任局长纳尔逊上任后也公开表示将资助第二家中标方。
然而，时至今日已过去两年，NASA 仍未选定第二家登月舱承包商。
星舰 2021：发射台、芯一级和「大筷子」
除了首飞组合之外，摆在 SpaceX 面前的还有一个重要任务，就是被誉为火箭第 0 级的发射支持系统（Launch Support System）。
在 SN15 试飞完成之前，星舰二级基本都是旱地拔葱，从简易测试台起飞，然后伸出着陆腿，通过一个漂亮的翻身，降落在简易场坪上。
随着 2021 年 5 月 SN15 原型机的试飞成功，SpaceX 认为星舰芯二级的试飞工作已经足够充分，SN16 等多架原型机被迅速退役。之后工作重点就转向轨道级发射台和火箭芯一级的设计制造，后续试飞直接瞄准入轨发射。
星舰的芯一级基本延续了芯二级的原型机+静力试验机的组合迭代思路，但得益于前期经验，各原型机间的技术跨度明显加大。
BN1 是第一枚星舰芯一级的原型机，全高约 70 米，但并不能用于入轨试飞。2021年 3 月 30 日，尚未开展有效测试的BN1即告报废，SpaceX 转而开始总装 BN3。
同年 7 月 19 日，BN3 安装了 3 台猛禽发动机并进行了首次静态点火测试，测试成功后便告报废并被拆解。
静态点火：
火箭发动机测试的一种方法，火箭在地面上固定不动，点燃发动机进行试验，以验证发动机性能和可靠性。
BN3进行三发静态点火 | SpaceX
接下来 SpaceX 将芯一级代号从 BN 缩减为 B（Booster），并开始制造 B4。这是首台可以进行入轨试飞的芯一级，安装有 29 台猛禽发动机，顶部安装有栅格舵，级间段配置有分离装置，可以与芯二级的星舰 SN20 总装并开展入轨发射。
2021 年 8 月 5 日，星舰 SN20 与 B4 在轨道发射台进行总装，组合体高达 120 米，首飞仿佛近在咫尺。但这次总装只是一次适配性的「摆拍」，芯一级 B4 随后被运回厂房继续完善。
同年 10 月 22 日，更换了部分猛禽发动机后的 B4 开始安装发动机防护罩（Shield）。与此同时，SpaceX 向 FAA 申请报批的首次轨道试飞计划也得以曝光。 
轨道试飞：
指火箭将有效载荷送入预定轨道的飞行测试。通过轨道试飞，可以验证火箭的性能和可靠性，为后续正式任务奠定基础。
考虑到首飞风险，星舰首次轨道试飞将不考虑回收箭体，芯一级在分离后将开展各项回收试验，但不返回发射场，最终溅落在墨西哥湾附近海面，芯二级类似。
安装防护罩后的芯一级B4发动机舱，黑色罐子为复合材料压力容器，中央为加注口，发动机顶部留孔为外置点火器接口 | BocaChicaGal
星舰芯一级的设计思路与芯二级具有同样的颠覆性，不仅挑战已有的设计定式，还打破自家的设计惯性。
比如业界已普遍接受猎鹰 9 号芯一级的可展开式着陆腿设计，无论是返场回收还是海上回收平台，着陆腿都不可或缺。但 SpaceX 在星舰上冒险决定取消芯一级火箭着陆腿，让箭体直接落回到发射台上。
着陆阶段首先由发射塔上专设的可滑动和可开合的「筷子」（Chopsticks）回收机构来缓冲、夹持、钩住芯一级，箭体上设置有承力点用于「筷子」夹持。回收成功后「筷子」会在发射塔架上旋转并移动，从而将芯一级直接「插」回发射台。
「筷子」回收星舰芯一级模拟动画 | Ryan Hansen Space
该设计的优势在于，可省去箭体着陆支腿的重量和成本，也避免了支腿无法可靠展开和锁定的潜在风险。此前猎鹰 9 号就曾因支腿未能锁定而倾倒爆炸。此外，这一设计让火箭能够马上在发射台上重新就位，从而使火箭具备快速重复发射能力。
但这一设计的劣势显而易见——不仅对回收精度的要求近乎苛刻，而且回收失败的代价不仅是损失一枚芯一级，还可能搭上一座发射台。
总装中的星舰B4和SN20，清晰可见两个栅格舵，两栅格舵中间突出物为回收「筷子」的捕获点 | SpaceX
除此之外，SpaceX 还决定取消栅格舵展开和锁定机构，既节省了机构重量，也避免了栅格舵无法展开和锁定的风险，还将布局从正交十字改成 X 形布置。
正所谓有利必有弊，展开的栅格舵在上升段会带来额外阻力，但设计团队认为这些阻力相对栅格舵无法展开的风险是「可以承受的」，且在上升段可以提供额外的控制力矩。
虽然 SpaceX 进行了多轮设计迭代和技术验证，但芯一级的多发并联方案仍是拦路虎。
不同于重型猎鹰每个通用芯级安装 9 台发动机，三芯并联共 27 台发动机的方案，星舰芯一级仅在一个 9 米直径箭体底部就密集排布了 33 台猛禽发动机。外圈 20 台为固定设计，由发射台外置点火器点燃；中圈 10 台，最内圈 3 台可双摆，内置点火器，总计可产生高达 7500 多吨的起飞推力。
其力热环境比苏联当年屡射屡炸的载人登月 N1 火箭芯一级更恶劣，因此发动机的布置、承力结构、热防护、耦合振动等一系列技术挑战都亟需解决。
SpaceX 通过类似重型猎鹰首飞阶段逐渐增加静态点火发动机数量的方式获得振动数据并摸索启动时序。因此，设计不符合 33 发方案的 S20 和 B4 组合在 2021 年底被迫退役，未能迎来首飞。
而 SpaceX 创始人马斯克曾豪言的 2021 年开展入轨首飞，也因为首飞组合变动，发射台进度拖延和监管方的「不可抗力」推迟到 2022 年。
星舰芯一级 B4 和 B7 发动机布置对比：上为 B4，安装有 29 台猛禽；下为 B7，安装有 33 台猛禽  | SpaceX
星舰2022：测试、修补和推迟
执行首飞任务的组合锁定在了芯二级 S24 和芯一级 B7 之上。2022 年，这对组合在发射台上装了又拆，拆了又装。但吹了一整年的星舰入轨首飞，依然没有到来。
许多航天爱好者在 2022 年最失望的事情，可能就是看到这对组合仍然停在地面上。本来幻想着星舰「后发先至」，抢先首飞并逆袭超过 2011 年就已立项研发的 SLS 登月火箭，结果却被残酷的事实「啪啪打脸」。
星舰研发前期的「猪突猛进」，结果就是后期学费的「照单全补」。
进入 2022 年，SpaceX 针对星舰开展的各种测试愈发小心谨慎，生怕不小心炸平了艰难修成的发射台，也怕一口气损失 33 台甚至更多的猛禽发动机。
2023 年 1 月，经过防爆结构补强的星舰 B7 芯一级终于重新和 S24 芯二级组合了，这次关键试验节点是「湿彩排」。
湿彩排是英文直译的名称，英文全称是 Wet Dress Rehearsal（简称 WDR）。不严谨地来讲，湿彩排对应的是国内的「全箭合练」。火箭立在发射台上，正常加注推进剂，和实际发射完全一样，只是最后没有点火。
星舰全箭湿彩排过程，一根灌满低温推进剂的「大冰棍」 | SpaceX
2023 年 2 月 10 日，一级 B7 终于进行了一次多发点火。这是星舰首飞前最后一个重要节点。
33 台发动机中，31 台成功点燃，因为节流 50%，实际产生 3600 吨推力，持平或略微超过土星五号、能源号、N-1 等火箭，可能是人类航天史上推力最强的一次点火。
然而，这只是星舰的「五成功力」，足见其推力之大。
B7的33发静态点火 | SpaceX
这次静点也暴露出，猛禽火箭发动机的可靠性依然不足，33 台发动机中 1 台因故未能启动，1 台点火中途中止。虽然马斯克坚称推力足够入轨，但回顾猎鹰 9 号和重型猎鹰的静态点火，从未遇到过同时挂 2 台发动机的情况，加上 B7 最近又换了几台发动机，可见猛禽的可靠性依然未达到猎鹰系列火箭梅林发动机的高度。
除此之外，发射台也还在最后的补强和维修，肉眼可见增加了一些防焰挡板。后续发射台还将增加喷水降噪装置。
2022 年的进度之所以这么「墨迹」，并非火箭炸不起，实在是发射台炸不起。虽然 SpaceX 还在卡纳维拉尔角的 LC-39A 发射台旁兴建另一座发射台，但是考虑到星舰爆炸的巨大威力，NASA 仍要求首飞安排在得克萨斯州，所以首飞只能依赖仅有的这座发射台。
S24 和 B7 这对组合静静地伫立在得克萨斯州的海滩边，等待着美国联邦航空管理局（FAA）的最后发射许可。一旦许可颁发，SpaceX 就会正式进行星舰的首次入轨试飞。
发射台还在做最后的补强和整修 | Noc Ansuini
唯一不变的就是变
星舰这两年，可以说唯一不变的就是变。
除上文所述的设计变化外，SpaceX 几乎没有制造过完全相同的两台原型机，每一台都有新的设计融入其中。
比如不断采用独立的静力试验机试用新牌号的不锈钢材料，并逐步将壁厚尺寸从 4mm 减薄至 3.6 毫米，以获得更高的干质比。
干质比
指火箭在不含燃料和氧化剂的情况下，其质量与能运载到轨道的有效负载的质量之比。干质比越高，说明火箭的结构更轻，性能更高。
芯二级翼面尺寸及位置也几经调整，适当向背风面靠拢。仿真显示，这一变动可以降低再入过程中翼面转轴处的热流峰值。
如果说最「骇人听闻」的设计变更，要数在 2020 年底似乎已经冻结设计的情况下，SpaceX 突然宣布继续追加发动机数量，芯一级发动机数量从 29 台升至 33 台。
左侧：猛禽1代，右侧：猛禽2代，性能提升的同时又有肉眼可见的结构精简 | SpaceX
不仅如此，新的 2.0 版猛禽发动机已经基本研发完成，并逐步在得克萨斯州试车场的脉动生产线批量生产。
2.0 版猛禽推力从 185 吨骤升至 230 吨，几乎追平蓝色起源的 BE-4 发动机；2.0 版猛禽预燃室可稳定工作在高达 30MPa 的室压下，超过俄制 RD-180 发动机的 26.7MPa。
得益于猛禽的更新换代，SpaceX 还决定将两个内贮箱（Inner Tank）均改为头锥内布置。
这些设计变更在原型机上的迭代和实施，加之 FAA 对首飞审批的不断推迟，SpaceX 最终决定直接报废 B4 和 S20 组合，直接换用猛禽2.0的改进型星舰首飞。也就是如今进入首飞准备流程的 B7 核 S24 组合。
首飞组合，B7+S24 | SpaceX
在传统运载火箭的设计过程中，首飞前增发增推的设计变更，几乎无异于将整个设计推翻重来。
同时由于种种原因，传统运载火箭在正式入轨发射前都是没有过试飞的，设计人员在漫长的研发进程中一直都在想方设法用尽可能多的地面试验来模拟实际飞行工况，试图让上天的问题全部暴露在地面并得到解决。
但地面终究是地面，谁也无法保证所有问题都能在地面复现。近年来，随着垂直回收技术的实用化和成熟化，星舰的设计过程迥异于传统重型火箭，利用不断提升高度的悬停和试飞不断暴露各种问题，逐步验证各种技术，最终逼近实用化运载火箭。
如此一来，技术风险和问题被高度分散，不再需要将风险集中于首飞，「毕其功于一役」了。
等不及星舰的载人登月和二代星链
话说回来，星舰项目确实事关 SpaceX 的生死存亡。
对于一般火箭来说，成功入轨已可称之为「大功告成」，但对于「一箭包打天下」的星舰来说，首飞成功至多不过是「赛程过半」。
星舰二级还需面临再入大气层并成功着陆回收的挑战。作为星舰再入大气层的热防护系统，星舰在迎风面大面积覆盖陶瓷基非烧蚀隔热瓦作为防热材料，尤其是头锥和翼面转轴处隔热瓦最厚。
再入大气层：
指火箭或航天器从太空返回地球时，穿过大气层的过程。在这个过程中，航天器会遭受极高的温度和压力，因此需要有效的热防护系统。
为了验证这种隔热瓦的贴敷性能，SpaceX 曾在星跳者（Starhopper）、SN 系列原型机乃至货运龙飞船上多次实验性安装隔热瓦。试验面积也逐渐扩大，但脱落问题仍未得到明显改观。即使是将要首次轨道试飞的 S24 原型机，虽然其迎风面已经被隔热瓦全面覆盖，但在静态点火等振动后，仍不断有隔热瓦脱落。
基于星舰的「阿尔忒弥斯-3」任务架构，其中清晰可见登月舱星舰、加油船星舰、在轨加注用星舰，整体任务架构相当复杂 | NASA
而后：
针对载人任务需求，还需积累可靠性数据，增设必要的维生和逃逸设备，最终定型载人版星舰。
为应对规划中在轨加注需求，还需设计专门贮存和转运低温推进剂的在轨加注版星舰。
为了满足 NASA 的登月舱需求，还需要打造精简所有大气层再入用设备的月球版星舰。
最后为了实现马斯克本人的火星「野望」，还需要打造可往返地球火星的火星版星舰。
而以上构型能够实现的最关键前提，就是要实现星舰的廉价、快速和可靠的重复使用，这才是星舰项目的核心挑战，也是不断迭代的终极目的，其实也是最艰难和耗时的一步。
但 2022 年间星舰进度的延宕，使得这些目标的实现时间不断延后，当然由于星舰的设计过于激进，有所推迟是合情合理的。
无独有偶，星舰的进度不仅拖累了美国的「返月大业」，也耽误了 SpaceX 自家星链的组网进度。
专门适配星舰的二代星链已经等不及，SpaceX 推出一版可以适用于猎鹰 9 整流罩的mini（迷你，缩小）版二代星链，并已开始组网。
二代星链：
SpaceX 计划发射的一组性能更高、质量更大的卫星，用于实现全球高速互联网覆盖。这个项目需要星舰火箭的强大运载能力来完成。
二代星链 mini 版单星质量高达 790kg，是现有 1.5 版本的两倍还多。当然适配星舰的原版二代星链卫星重量更大，消息均表示单星重量已经逼近 2 吨，但受限于星舰进度，至今只能堆在厂房里。
等不及星舰的二代星链 mini 版已经开始发射组网 | SpaceX
入轨首飞，真的近了！
经过 20 年的飞速发展，SpaceX 已从籍籍无名的一家初创航企，变成在重型火箭研发舞台上可以与百年历史的波音公司同台竞技的对手。
如今为 SpaceX「盖棺定论」为时尚早，星链和星舰等庞大项目都尚在发展和成熟期。尤其是星舰的首飞，更是牵动了业界、媒体和无数航天爱好者的关注，作为人类首款可完全重复使用的天地往返运载器，这次首飞十分值得关注。
但我们也要看到，星舰 10 公里级试飞 5 射 4 炸的纪录，也暴露了这种设计思路的高昂代价。不仅如此，随着后续进入轨道级发射阶段，星舰仍有大量技术有待验证，同时各项飞行试验的成本将呈指数上升，这也是星舰自身融合了过多新技术的必然弊端。
这种激进的设计思路究竟最后能否彻底实现其设计目标，基于星舰的登月舱能否安全的让宇航员往返月面，SpaceX在星舰上的豪赌能否帮助星链项目渡过难关，我们拭目以待。
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