不吹不黑,半空爆炸的“星舰”水平怎么样
被称为人类史上最大运载火箭的“星舰”组合体,在20日的首次发射中以爆炸而告终。虽然SpaceX公司CEO马斯克“祝贺”称,“SpaceX团队对星舰进行了激动人心的测试发射!为几个月后的下一次测试发射学到了很多东西。”但毫无疑问,不管从哪个方面来说,这次发射都失败了。

“星舰”最终失控爆炸
马斯克之前就自行“泼冷水”称,这次发射的成功率只有一半。按照他的说法,别管火箭最后怎么样,只要能抵达轨道高度即算“任务成功”。但美国天体物理学家乔纳森·麦克道尔表示,这次“星舰”在爆炸前的最高飞行高度约为39公里,距离国际公认的太空边界卡门线(100公里)还很远。
对于“星舰”的性能到底怎么样,外界一直争议不断。支持者把它说成是人类探索太空的希望,寄托了马斯克殖民火星的梦想;反对者则嘲讽称,这是马斯克向投资者画出的又一张“太空大饼”,它的强大性能还停留PPT上。
那么就“星舰”的首次发射上看,到底谁说得对呢?

从现场直播画面上看,“星舰”发射前40秒曾一度终止倒计时进行检查,但随后恢复了正常点火发射程序。火箭升空时的姿态开始时没什么毛病,但从直播画面可以看到,它的第一级33台“猛禽”发动机中,多台都未能正常工作。老司机数了一下,最初有3台发动机没有工作,后来逐渐增加到6台,但最后奇怪地又减少到5台。
目前最普遍的猜测认为,这些未能正常工作的发动机就是“星舰”首发失败的关键因素。

事实上,“星舰”采用如此多台发动机并联提供动力的设计,引起的争议也最大。因为如此多的发动机相互紧靠着工作,在恶劣的环境下很容易发生故障,从而导致火箭的可靠性问题。之前苏联时代的N-1重型火箭,也曾采用30台NK-15发动机并联驱动的设计。按照当初的设计,一旦其中某台发动机失效,可以通过关闭对称发动机的方法进行处理,从而保证火箭正常运行。但受制于当时的电子设备性能和火箭技术成熟度,N-1火箭的4次发射都没有能取得成功。
“星舰”之所以采用33台并联发动机,是因为如今电子技术和控制系统已经与苏联时代截然不同了。马斯克宣称,“星舰”基于SpaceX公司强大的系统数控系统,在N1那个年代,还没有这么先进的智能。据称,“星舰”采用了大量传感器,可以随时监测发动机的情况,一旦发现异常就能立即动态调整。同时它采用了大冗余设计,即便有多台发动机失效,也能保证火箭有足够推力完成任务。另外,SpaceX公司通过大量的火箭回收,对于控制火箭的空中姿态积累了丰富经验。


就“星舰”首飞的实际表现来看,SpaceX公司的这些技术并非空谈。从直播画面可以看到,没有正常工作的多台发动机基本集中在火箭的一侧,理论上非常容易导致火箭失去平衡。但“星舰”并没有像苏联N-1重型火箭设想的那样,通过关闭对称发动机来解决平衡问题,而是通过协同调整每台发动机的推力,仍在相当长时间内保持了火箭的正常飞行姿态。
不得不说,SpaceX公司在这一领域的确非常厉害。

但累计多达6台发动机没有能正常工作,也证明“星舰”仍没有解决火箭并联发动机数量太多带来的可靠性问题。事实上,除了可靠性外,火箭发动机的并联数增加,还会带来振动、结构、散热等一系列麻烦。
那么为什么“星舰”要采用如此极端的设计呢?这又不得不提到它采用的“猛禽”液氧甲烷发动机。对于主打“完全可回收”和“低发射成本”的SpaceX公司来说,液氧甲烷发动机不但燃料成本低、相对容易获取,而且完全没有积碳结焦,维护很方便,是可回收火箭的理想动力。但问题在于,即便是第二代“猛禽”液氧甲烷发动机的最大推力也不过230吨左右,用于推动“星舰”这样的“人类最大运载火箭”实在力不从心。因此在压缩发射成本的前提下,想要依靠液氧甲烷发动机作为动力,就必须采用大量发动机并联的设计思路,但由此必然会产生一系列复杂的技术难题。
从这个角度看,与其说“星舰”性能如何先进,不如说它是在“极力控制成本”的总体思路下,根据现有技术选择出的最佳组合。“星舰”后续想要通过改进设计来彻底解决由此带来的问题,恐怕得进行更多次的试验。老司机认为,“星舰”的设计思路未必走不通,但未来大概率将面临更多的挫折——不过对于不断通过试错换取快速进步的SpaceX公司来说,这也算不上惊世骇俗。
责任编辑:张迪
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