发布日期 2024-10-17 | B站
正文
压轴的五飞
2024年10月18日星期五，欢迎收看第31期高见。本期我们来聊一聊星舰五飞。10月13日，SpaceX开展的星舰第五次试飞任务。前四次试飞，星舰都出现了发动机故障，而这次助推器33台发动机与飞船6台发动机都实现了完美运转。而且星舰发射基地还用塔架成功回收了助推器，飞船也以高精度再入，并溅落在印度洋海面。这是人类第二款实现回收的火箭，第一款是SpaceX的猎鹰9。
今年4月4日，马斯克在星舰三飞任务后公布了后续的星舰架构，规划了第二代和第三代星舰。如果将星舰的三个版本类比成戏曲的“三部曲”，那么这次试飞就是第一部的“压轴戏”，接下来的六飞任务是“送客”。这次星舰发射是一次承前启后的任务。第一代星舰经过了五次试飞，在技术上已经没有什么迭代空间了。接下来SpaceX的重点是开发第二代星舰，并从明年开始通过试飞进行新一轮技术迭代。
目前FAA下发的许可证包括了第六次试飞任务，SpaceX将在今年年底之前用B13与S31组合进行第一代星舰的最后一次试飞。预计六飞任务会让星舰飞船在轨展开一些不太重要的测试，比如发动机在轨二次连火，以及之前第三飞就测试过的在轨燃料转移、载荷舱舱门开关。除此之外，六飞绝大部分内容都是在重复第五飞。所以我说这次五飞是“压轴戏”，六飞是“送客”。
这次试飞成功回收了超重助推器，至于星舰飞船的回收，预计要等到明年第二代星舰试飞才能进行测试。第一代星舰经过五次试飞，验证了发动机超大规模并联的可靠性，验证了大尺度不锈钢箭体的可靠性，验证了从发动机到火箭批量制造的工艺可靠性，验证了“第零级”发射系统的周转效率，验证了巨型箭体的高精度飞行控制能力，验证了塔架回收方案的可靠性。
回收助推器有多难
很多观众可能对星舰助推器回收缺乏尺寸概念。目前国内最大的现役火箭是长征五号，甲芯星级直径5米，高度57米，换上加长整流罩的高度是63.2米。而这次回收的星舰助推器直径9米，高度70米，星舰发射塔机械臂夹住的是比长中五号还要大一圈的箭体。目前星舰助推器干重约200吨，返回后还可以看到有剩余燃料，被发射塔接住时的总重量可能超过了300吨。为此，SpaceX对发射塔机械臂做了多轮改造，在这次试飞前用500吨水袋测试了机械臂的负载能力。
马斯克的目标是实现星舰助推器一小时内复用。为了实现这一目标，发射塔机械臂要能够快速组装，星舰发射塔地下还要布置复杂的管线系统，以此来实现快速加注燃料。第一代星舰需要加注4600吨燃料，加注时间已经缩短到了40分钟，平均每秒要注入1.9吨燃料。
星舰“第零级”经历了多轮迭代，而这样的发射系统从开工建设到现在才刚满4年。有了第一座发射塔积累的经验，SpaceX用模块化的方式建设新发射塔，部分管线直接被集成到了预制分段里。博卡奇卡（Boca Chica）基地从6月中旬开始建设第二座发射塔，到8月下旬就完成了主体结构搭建，前后只用了两个月。在今年3月星舰第三次试飞时，星舰基地也在扩建星舰工厂。过去星舰原型开发阶段，有不少分段都是在帐篷中完成的，现在星舰工厂已经扩建到了9.29万平方米。将星舰生产流程集约化，目标是未来每年造1000枚星舰。
当然，现在看上去，星舰一小时内复用、每天生产三枚这个目标还有点远，但也不能反过来太低估星舰项目的发展速度。SpaceX已经能在发射任务中用星链实时回传各部件数据，还附带几十个内外视角的高清视频，能在火箭飞行过程中获得远比过去航天任务要多得多的资料。而且星舰成功进行回收后，SpaceX工程师能够直接对火箭零部件进行检查，这些都大幅加快了星舰的迭代速度。之前SpaceX已经实现了每天生产一枚猛禽2发动机。以此来保守估计，接下来几年，SpaceX完全有潜力实现每个月造一枚星舰，每周发射一次。
二代星舰的升级
去年SpaceX凭借猎鹰9号火箭已经将人类轨道投送能力提升到了近1300吨，刷新了人类航天史纪录。在2030年之前，SpaceX凭借第二代星舰每周发射一次，就能将轨道投送能力提升到万吨级，这已经是个能看得见的目标了。而马斯克自己的目标是在有生之年将轨道投送能力提升到百万吨级。此前第一代星舰一直生产到了33号飞船。随着第一阶段迭代开发提早结束，S33也被重新拆装，按照第二代星舰规格进行了改造。改造后的S33为三台真空猛禽发动机配备了三个降液管，将前襟翼向背风面移动，避免再入时被烧穿。同时，二代星链卫星分配器的位置也进行了调整，一部分放到了鼻锥里，提高空间利用率，从而缩短了载荷舱的空间，增加了燃料驻箱空间。而且S33还比之前的第一代星舰飞船加高了1.8米，燃料总量从1200吨提高到了1500吨，增加了300吨。
第二代星舰增加了起飞重量，对应的就需要更大的起飞推力。SpaceX的方案是，一方面换装性能更强的猛禽3发动机，另一方面是进一步扩大二代星舰的发动机并联规模。星舰助推器要从33台发动机增加到35台，星舰飞船要从6台增加到9台，相关部件已经被拍到了。猛禽发动机经历三轮大规模迭代，发动机重量从2080kg，削减到了1525kg，燃烧室室压从250bar提升到了350bar，推力从185吨提升到了280吨。第二代星舰助推器换装35台猛禽3之后，起飞推力将达到9800吨，接近土星5号的3倍。SpaceX能对猛禽发动机进行快速迭代，项目层面上是延续了猎鹰9号梅林发动机的迭代管理经验，技术上主要是靠数据积累、先进材料与先进工艺。
猛禽的快速迭代
随着猛禽发动机批量生产、批量测试，SpaceX可以精确计算发动机在不同工况下的参数，从而大规模删除传感器。先进材料技术使得猛禽发动机能实现极端苛刻的工作条件，先进制造工艺使得猛禽发动机大量的零部件能够不断被简化集成。从猛禽1到猛禽2，SpaceX删除了燃烧室的火炬点火器，直接用高温甲烷与高温氧气在燃烧室的高温高压环境下自发燃烧点火。此外，传统的航天制造单次批量小，工艺不稳定，所以火箭发动机通常有大量的法兰件，从而方便安装更换。而法兰件会增加发动机质量，也容易造成压力损失。SpaceX在工艺稳定后，大规模删除了法兰件，到了猛禽3只剩下少数几个法兰件。马斯克说，如果真出故障了，凭借他们的焊接工艺可以将相应区域切割重焊。
网络上关于猛禽3讨论最多的就是3D打印。马斯克也发过推文，说SpaceX有最先进的金属3D打印技术。很多网友都引用了一张猛禽剖面示意图，试图用3D打印来解释猛禽3的极端简化。但这是猛禽2的示意图，图中左侧通往甲烷预燃室的液氧管与通往液氧涡轮泵的甲烷管是猛禽2的典型特征。至于剖面示意图中看上去复杂的发动机主体，大部分是靠传统航天工艺制造的，并不比航天飞机的发动机更复杂。
SpaceX真正用3D打印的是新增的几个集成零部件，以此将之前外置的二次流道转化成内部结构。3D零部件在整个猛禽发动机中的占比并不高，这是因为3D打印零部件会影响批量生产的效率。SpaceX在开发迭代发动机时，会利用3D打印组件来加快开发进度，但在后续批量生产环节会尽可能减少3D打印，用铸造焊接工艺来提高生产效率。
除了3D打印新组件，SpaceX还进一步对猛禽3的外部结构添加了再生冷却系统，从而使发动机不再需要隔热罩与灭火系统。猛禽3点火测试照片中表面有大量结霜，说明这些区域都实现了再生冷却。从猛禽2到猛禽3，看上去简化零部件远比猛禽1到猛禽2要少，但在已经高度优化的猛禽2发动机上进一步极限优化，每一步都需要惊人的工作量。用马斯克的话说，猛禽3接下来会进一步优化到300吨推力，达到已知物理的极限，让星舰起飞推力突破万吨级。
星链与国内星座
NASA希望能靠星舰实现登月计划，而马斯克给星舰量身定制的主要发射任务是第二代星链星座。未来几年，随着第二代星舰投入使用，功能更强大的第二代星链星座会快速部署，而且还是以直连（存量）手机的方式服务。目前星链用户已经超过了400万，成为SpaceX主要的盈利来源。在过去两年的俄乌战场上，星链也充分证明了军事价值。前些年还有网友说星链是“垃圾”、是“骗局”，现在国内也推出了几个类似的星座计划，计划总规模已经超过了4万颗卫星，其中最受重视的是中国星网的GW星座与上海垣信的千帆星座。
就在刚刚过去的10月15号，千帆星座第二批卫星成功组网。千帆星座今年要发射6次，组网108颗，而星座总规模计划达到1.5万颗。千帆星座采用了类似星链的刀片式卫星，每颗卫星300公斤，目前靠长六甲一次能组网18颗。原型计划未来用新火箭升级成一舰36星、一舰54星，但受限于国内火箭运力，只能将发射任务规划到2027年完成组网1296颗。
以此计算，如果千帆星座想在ITU的最后截止期限内完成组网，那么从2028年到2036年的9年时间里，要组网近1.4万颗。按照一舰54星，每次投送16.2吨入轨，也要每年发射至少28次，平均每年入轨450多吨。而去年全国一共才发射了67次火箭，总共投送了155吨载荷入轨。接下来几年，国内如果没有运力指数及增长，连垣信一家的需求都满足不了，更不用提组网规模更大、截止日期更靠前（2032）的GW星座。
试飞箭的改动
最后我们回到这次发射任务，简单聊聊细节。相比于前四次试飞中的迭代改进，星舰第五飞的技术改动不多。B-12几乎就是B-11的翻版，比较明显的改动是调整的复合材料压力容器（COPVs）的外壳，更换了外壳顶部的星链天线。此外，此外在液态甲烷传输管道附近增加了一处飞行中止系统（FTS），在表面凸起处增加了几道过渡纵梁，避免发射塔机械臂在夹取助推器时造成刮伤。这几处过渡纵梁被涂成了黑色，可能是希望回收后观察刮蹭情况。
星舰飞船S30的改动相对多一些。S30的甲烷驻箱增加了一个排气管，为液氧驻箱增加了一个通风口，更换了新的电天线布局。星舰四飞再入阶段，飞船的四个襟翼都出现了严重烧蚀，右前方襟翼因为公差问题烧穿的最严重，所以S30更换了摄像头位置，让观看这次试飞的网友都能清楚看到襟翼的烧蚀情况。星舰四飞时由于襟翼被烧坏，影响了再入精度，S29在海上溅落时偏离了计划落点近6公里，而且再入过程还出现了多处隔热瓦破损。SpaceX早就知道S29存在的问题，也早就准备了改进措施。星舰四飞前，国外航天博主参观星舰工厂，就看到了改进后的热防护工艺。但马斯克希望在新工艺测试之前看看传统工艺的极限，于是S29保留了过去的隔热措施。
过去星舰飞船隔热系统有两种。一种是底层毛毡、中间挂网，外部用销钉固定蜂巢式隔热瓦；另一种是在焊接接缝与极度弯曲位置粘贴更厚的隔热瓦。S30使用的新的工艺，在迎风面大部分区域覆盖了一层黑色耐烧蚀材料作为中间夹层，里面和外面替换为更薄的毛毡和隔热瓦。星舰五飞虽然仍然出现了襟翼烧蚀问题，但在再入阶段，海上浮标近距离回传了溅落影像，说明这次星舰的再入精度非常高。
塔架回收的精度
在这次星舰助推器回收之前，很多网友都以为发射塔机械臂要承托的是助推器的栅格翼。马斯克最初构思星舰回收方案时确实是这个思路，但后来SpaceX发现，想要把栅格翼加强到足够回收的结构强度代价太大，不如提高飞行控制精度，换成两个受力条件更好的结构支座。在星舰五飞之前，SpaceX在会议上宣称四飞时的助推器溅落精度达到了0.5厘米，网友普遍认为这是说错了单位。为了在第五次试飞中成功夹取助推器，SpaceX对发射塔机械臂做了上千处改进，减少了机械臂晃动，在机械臂内侧增设了缓冲垫，还用B14.1做了多次夹取测试。
星舰回收有大约15度角的偏转冗余。但箭上摄像头显示，助推器支座的落点非常精准，几乎没有额外偏转，落点也在机械臂的最佳受力范围，就算达不到宣称的0.5厘米，起码也是几厘米的精度了。这反过来说明，猎鹰9的回收精度也比很多人预计的要高，只是海上回收平台在不断晃动，所以影响了一级火箭落点，导致看上去没有厘米级的精度。
星舰助推器返回过程中，底部脐带接口处出现火灾，一处复合材料压力容器（COPVs）外壳脱落。从慢镜头来看，外壳脱落与脐带接口处的燃料泄漏，在发动机二次点火前就发生了。因此外壳脱落与燃料泄漏不是因为二次点火时的震动，更有可能是因为再入时，火箭底部受到大气摩擦导致过热，使得有缺陷的联系点出现了破损。中圈发动机二次点火并关机后，有一台发动机状态看上去不太正常，位置恰好对应了脐带接口，这进一步说明了对应位置管线很可能出现了问题。由于返回阶段底部过热，外圈发动机喷口也出现了变形。马斯克在推文上说，变形的问题不大，简单修理就能再次使用。未来，随着有再生冷却外壁的猛禽3头入使用，发动机会更耐高温，星舰助推器底部隔热罩与灭火系统都可以取消，而且在返回阶段也更容易散热。到时候我们可以对比一下助推器返回阶段的底部过热情况，是否出现了明显改善。
星舰飞船在海上溅落后发生爆炸，有些网友以为是意外爆炸，还有媒体以为这是返回测试出现的部分失败。但星舰飞船溅落爆炸是发射计划的一部分。如果不爆炸，星舰飞船就会变成不受控制的漂浮爆炸物，驻箱残留的甲烷也会造成环境污染。FAA在星舰飞船印度洋溅落环评文件中明确说，星舰飞船水平倒下之后，与海平面的撞击会导致管线破损，使剩余的甲烷与氧气混合并发生爆炸，所有燃料都会在爆炸中消耗，只留下不锈钢结构碎片，不会造成环境影响。FAA还基于SpaceX提供的数据资料，估算了发生爆炸的燃料总共约10吨，以此推算爆炸对海洋生物的影响。
好，本期节目到此结束，感谢各位收看，我们下期再见。
附录
信息来源
- 4 月 4 日马斯克公布星舰二代/三代架构：与 SpaceX 官网 Updates（"At Starbase on Thursday, April 4, Elon Musk provided an update…"）核符，SpaceX
- 播出日期 2024-10-18 星期五与 B站发布时间核符（BV1u5yTYXE4s）；五飞 10 月 13 日、塔架回收、IFT-6 用 B13+S31 等均与公开报道一致
事实订正
已核对
- 千帆星座的运营方即上海垣信卫星科技有限公司，2024年10月15日长征六号改成功发射千帆极轨02组18颗卫星，“垣信计划”用字正确。（来源 中国政府网）
- 室压单位应为bar而非kg。SpaceX官方口径（2024-08-03推文/维基百科引）：Raptor 3室压350bar、推力280tf、干重1525kg；Raptor 1设计室压250bar、推力185tf、干重2080kg——文稿三组对比（2080→1525kg、258→358、185→280吨）同属R1→R3口径，故“258→358”应为“250→350bar”，已订正。（来源 维基百科）
待核对
- 「更换了新的电天线布局」——"电天线"疑有误转写
- 「四飞时助推器溅落精度达到了0.5厘米」口播原样保留（文中已说明"网友普遍认为这是说错了单位"）。
- 「底部脐带接口处出现火灾」表述略怪但按口误不改原则保留。
- "B14.1"夹取测试箭体编号保留原样。
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