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“星舰”第四次试飞,美国离实现“重返月球”还有多远?

已有 1169 次阅读 2024-6-11 09:54 |系统分类:观点评述

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北京时间6月6日晚,美国太空探索技术公司(SpaceX)新一代重型运载火箭“星舰”及飞船集成系统从位于美国得克萨斯州的基地发射升空。这是“星舰”的第四次试射。作为一个二级火箭,“星舰”下半部分是超重助推器,上半部分也叫“星舰”,但有别于同样被称为“星舰”的火箭整体。此次试飞采用的是反推式着陆,而不是像降落伞那样传统的着陆方式。北京时间6月6日21:57,SpaceX宣布,“星舰”本体确认在印度洋溅落,第四次试飞取得成功。马斯克发文称,尽管损失了许多瓦片并且襟翼受损,“星舰”仍然成功在海洋上软着陆。此前,马斯克曾表示至少要等“星舰”在海面成功降落2次以后,才会开始尝试在地面对其进行回收。

受《新京报》之邀,中国科学院国家空间科学中心研究员、中国航天科普大使周炳红和天仪研究院副总工程师陈险峰结合“星舰”第四次试射实况的直播,在线介绍了“星舰”此次整个发射流程的几个关键节点,并对商业航天的可能性进行了讨论。

火箭入轨和回收利用的三大难点

火箭发射的整个程序包括一级的起飞,一、二级的分离,二级的再次工作,以及一、二级的再入和最后着陆前的点火,有将近10个节点的步骤,“星舰”在之前的两三年大约测试并验证了其中的60%,还有三、四个节点尚未测试到。在此前3次试飞积累了大量数据支持的基础上,“星舰”此次试飞的重点是挑战超重型火箭的回收能力,主要目标是使用超重型助推器在墨西哥湾进行着陆燃烧和软溅落,并实现火箭的受控落地回收。“此次它的试飞和人类历史上任何一款火箭研制的流程都不一样”,周炳红说,“它不追求第一次试飞就完全成功,整个试飞过程分成很多次,不断推进。”

周炳红介绍,为了实现一款火箭的成功入轨和回收利用,有很多问题需要解决。首先,要使火箭能够脱离地球的引力飞起来,需要足够的动力。就星舰而言,它在第一、第二次试飞中都没有实现33多个发动机一起稳定工作的目标。第三次试飞时,在入轨过程中,33个发动机基本都正常工作,但在返回过程中,发动机重启失败。动力问题主要看火箭第一级的超重助推和它返回过程中的二次点火能不能成功。从“星舰”的这次试飞看来,它基本已经解决了这个问题。

由于两级火箭都要返回,而且是以接近第一宇宙速度飞回大气层,会产生很高的热流,所以火箭研制的第二大难点是防热。“星舰”的防热性能在第一、第二次测试中都没有测到,第三次应该说基本过了最大热流点,但在快到达最大热流点时,舰体已经解体,因此,防热此前只是接近成功,这次也是一大看点。为了防热,“星舰”此次贴了18000多片防热瓦,即使是用机器粘贴,也很难实现每一片粘贴工艺的一致。所以,火箭的防热问题也是“星舰”这次希望测试的一个重点。

第三个难点是实现对飞行中火箭姿态的控制,这样火箭才能够抵达预定的目标。前几次,特别是在第三次试飞中,“星舰”的姿态失控是在一、二级分离以后出现的。姿态失控导致了超重助推器以非常高的速度进入,无法成功地进行二次点火;星舰本来要在关机后进行二次点火,也由于没能控制住姿态,当时已出现翻滚、旋转的动作,所以没有进行很可能会失败的二次点火,而是先测试了再入过程。

这3个方面的问题都是在火箭试飞后期出现的。之前火箭在返回大气层的过程中,姿态失控、点火失败、防热作用也失效,为了让火箭能飞得更远,这次对几个核心的难点都进行了更加深入的测试,以完成一个接近完全回收的流程。但由于这次“星舰”的两节火箭都是降落到海面上,尚未能回到发射的塔架,它其实仍没能完成全流程的验证,这次它只绕地球飞了半圈,不到两万公里,所以还不是一个真正的入轨飞行。“星舰”降落到海面的时候,很关键的一点是看它能不能在靠近海面的时候,调整它的姿态。因为它为了增大阻力,进入大气层的时候,是“躺”着飞的,要从接近8公里每秒的第一宇宙速度降到在海面上速度接近于零,在接近海面的时候,它要调整到接近垂直的姿态,再次点燃发动机,以接近悬停的状态,才能比较平稳地降落到海面上。这是它的控制中很关键的环节。前几次“星舰”的姿态都已经失控,这意味着它的推进剂已经在里面翻转、飘起来了,难以顺利进入到主发动机中。

“星舰”要实现载人登月还需进行三方面关键试验

周炳红指出,当“星舰”火箭的系统工程方法不追求一次成功的时候,它虽然已在地面上做了很多次实验,在试飞过程中还是出现了许多传统的火箭测试流程中不该出现的问题。比如上一次,之所以发动机二次点火没有成功,并不是因为推进剂没有沉底,而是液氧的过滤装置发生了堵塞,导致发动机的推力不足。这样的问题其实通过地面试验就可以在火箭尚未飞行的时候在真实的环境中测试出来,却在试飞过程中出现,反映出SpaceX公司非常急于进行火箭入轨的飞行实验,而没有在地面花更多的时间进行关于发动机以及一、二级火箭的完整流程测试。

周炳红认为,现在还不太好说“星舰”和传统的火箭测试方法相比,哪种方法更好。像我国传统的火箭,一般几十款火箭一共飞行400次左右,所以每款火箭整个生命周期的使用次数最多是100次量级,但“星舰”计划未来最多的时候一年就发射几百发到1000发,这样的话,火箭在试验过程中即使失败10次、20次甚至炸掉,成本相对而言也很小。将来飞行的目标次数会对火箭研发的流程产生影响,这是一种全新的系统工程火箭测试方法。

他认为,应该说,“星舰”这次回收的过程接近了完全成功,第一次完整地得到了全流程的数据,意味着它的理论模型已经可以得到很好的校核和计算。即便如此,之后为了实现美国2026年9月“重返月球”的计划,“星舰”还有三方面关键的试验需要进一步接受挑战。一是“星舰”能不能在2年内把重量减下来;二是太空加油能不能实现很顺利地在连续5到10天内平均每天加200吨左右的推进剂;三是无人“星舰”的月球着陆。因为美国要重返月球的话,“星舰”需要着陆在月球表面,而现在尚未看到它进行这个试验。月球表面是不平整的,而“星舰”有50米高。各项技术起码分别试验2到3次的话,加起来起码还有5到10次试验。按现在的时间计划,这些在两年内必须完成,周炳红估计来不及,起码要推迟1到2年。“技术上没有问题,但工程上还要进行很多试验。时间紧迫,按时实现载人登月的可能性不大。”

美国商业航天发展具有强前瞻性

陈险峰也认为,这次“星舰”飞行全过程验证的内容,已经达到了全部有待验证内容的90%以上,奠定了一个非常好的基础。目前,马斯克在全球商业火箭发射领域已经独占鳌头,比其他商业火箭发射公司的成本低3到5倍,对于很大的运载能力来说,将整个载人航天速度提高一个数量级,成本也降低一个数量级,这是可以期待的。有了这种技术上的跨越,人类真的可以期待真正大规模地移民太空以及建立月球和火星基地。

他指出,美国的商业航天发展之所以具有非常强的前瞻性,一方面得益于马斯克个人的开创性能力;另一方面,美国政府的引导作用也很重要。从20世纪90年代开始,美国政府就实施了包括补贴以及在国际电联争取和使用频率和轨道资源等引导措施。前阶段美国联邦通信委员会批准使用手机直连卫星的频段,这种开创性的设计和规划,是其他国家没有的。又比如,在SpaceX还不成熟、反复失败的情况下,NASA就与它签订了价值几亿美元的卫星发射合同,对它进行鼓励和支持。由此,借助马斯克的创新思维,美国的商业航天整体快速发展。

同时他认为,中国在该领域具有值得报以信心的后发优势。比如眼下国内同时有蓝箭、星际荣耀、宇航推进等四五家商业航天公司在做七八十吨级的液氧甲烷发动机。此外,中国的企业能以极低的成本生产出固体火箭。



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