马斯克的火星飞船试飞又炸了,问题出在哪?

还记得去年12月9日,SpaceX在直播里了吗?

星舰SN8号原型机在落地时“计划外快速拆解” | SpaceX

当时,火星飞船原型SN8号星舰进行了首次高空飞行试验,落地时速度过快导致“计划外快速拆解”。

直播画面最后定格在炸碎了一地的残骸上,下面打出一行字幕——SN9 UP NEXT!

炸碎了一地的SN8号星舰 | SpaceX

北京时间今天凌晨2点25分,上次被cue到的SN9号星舰在美国得克萨斯Boca Chica的试验场点火起飞,再次挑战高空飞行测试。

结果,在完成升空、关机、放躺和飘落等一系列动作之后,星舰SN9没能完成落地前最后的翻身动作,倾斜着砸向地面,又一次演示了计划外快速拆解。

简单说,星舰SN9也炸了

星舰原型机SN9号落地瞬间 | LabPadre

星舰及其配套的超重火箭,被SpaceX的埃隆‧马斯克寄予厚望。前不久,他还透露了自己的宏大计划:未来10年内,他希望建造1000艘星舰,要在2050年前送100万人移居火星

未来的火星基地想像图 | SpaceX

再回来看看星舰SN9号飞船,可能不少人会大吃一惊:就这?也太简陋了吧!要不是刚飞炸了一回,谁相信它能上天?更别说飞向火星了……

星舰SN9号原型机细节 | Adrian Aguilar

其实,星舰的这副古怪模样,是SpaceX工程师精心设计的结果。

银光闪闪大瓶胆

无论是功亏一篑的SN8,还是再次功亏一篑的SN9,最抢眼的都是那银光闪闪的外壳,星舰也因此被很多人戏称为大号暖瓶胆,完全颠覆了我们对火箭和飞船的传统印象。

之所以如此银光闪闪,是因为星舰是用不锈钢材料造的。对,就是你家厨房里锅碗瓢盆常用的那种不锈钢。

事实上,星舰的前身,即星际运输飞船(ITS),在2016年马斯克刚刚提出概念的时候,用料还是挺高大上的,打算用碳纤维复合材料来造燃料储箱。后来,设计方案几经更改,到2018年,马斯克决定彻底更换制造材料,改用廉价的不锈钢来造飞船。

曾经,SpaceX也想过用高大上的碳纤维来造星舰 | SpaceX

据马斯克说,这是仔细斟酌后的选择。对比碳纤维和不锈钢这两种材料:

  1. 碳纤维虽然又轻又坚固,但实在太贵,每千克成本高达200美元,而301不锈钢只要3美元

  2. 在液氧和甲烷推进剂所处的超低温下,不锈钢强度会提高50%以上,强度重量比媲美碳纤维,同样能做到轻质坚固

  3. 碳纤维复合材料耐热能力弱,而不锈钢熔点高、耐热能力强,减轻了热防护系统的设计和制造难度;

  • 碳纤维加工难度高,加工速度慢,而不锈钢易于加工制造。试想,如果星舰在火星上出了问题,去哪里找碳纤维的加工工具和人才呢?

  • 总而言之,列举了不锈钢的诸多好处后,马斯克大手一挥,把星舰的结构材料换成了不锈钢。

    不过话说回来,不锈钢造火箭在美国也早有先例,早期的雷神导弹和大名鼎鼎的半人马上面级,用的都是不锈钢,跟星舰一样银光闪闪。

    1966年发射勘测者2号月球着陆器的半人马上面级,就是不锈钢的 | NASA

    火箭还长大翅膀?

    星舰另一个吸人眼球的特点是,它长着两对大“翅膀”,还能呼扇,跟其他火箭固定不动的短小尾翼截然不同。

    历代星舰及火箭的设计演变 | KIMITALVITIE

    星舰的“翅膀”同样经过了多轮迭代发展。

    星舰的前身ITS外形极为科幻,没有“翅膀”(上图左一),改款后的BFR(大猎鹰火箭)先是有了一对大“翅膀”(左二),后来又变成了一对鸭翼加三个尾翼的独特设计(左三)。马斯克称,这样的改动受到了《丁丁历险记》中火箭设计的影响。

    星舰前身的一款设计跟丁丁历险记里的火箭有点像 | 《丁丁历险记》

    当然,马斯克的个人倾向最后还是要向实际的工程取舍让步。最终,星舰改成了现在这样一对鸭翼和一对尾翼的设计,以实现再入大气层尤其是垂直降落时的气动控制。

    这两对“翅膀”不是用来产生升力的,无法像航天飞机那样低速平飞。它们的作用主要是产生阻力,控制星舰的姿态和航迹。这不仅和普通飞机或者航天飞机大相径庭,和外形相近的导弹也截然不同。

    星舰飞船(左)与航天飞机(右)和载人龙飞船(中)的对比 | Dale Rutherford

    这种新型“翅膀”,设计简单,做工可以用粗糙来形容,但它的气动特征相当出色。

    从这两次高空试飞来看,前后两对“翅膀”配合使用,无论星舰在高空放躺自由下落,还是落地前水平拉起改为垂直下降,都能有效控制箭体姿态,飞控表现堪称完美。

    降落堪比高台跳水

    话又说回来,为什么星舰试飞要搞得如此花里胡哨,又是放躺又是翻身呢?

    因为按照设计,星舰要从地球轨道甚至更远的轨道再入大气层返回,必须考虑超高速再入大气层的姿态控制和航迹控制等问题,飞控比猎鹰九号火箭第一级复杂得多。

    猎鹰九号火箭第一级,以及同款的重型猎鹰火箭助推级,是目前唯一实现了轨道发射回收复用的火箭。2018年重型猎鹰首飞时,两枚助推火箭肩并肩垂直落回着陆场的画面,相信不少人还记忆犹新。

    重型猎鹰两枚助推着陆回收经典画面 | SpaceX

    但星舰飞船不可能那样直上直下,因为将来它从外太空返回地球时,速度将是猎鹰9号的3~4倍,只靠剩余的燃料是不足以给自己减速的。

    唯一可行的办法,就是机腹朝前“拍”入大气层,这样可以用来“兜风”的面积最大,能够产生足够的空气阻力,把自身速度降到可以安全着陆的范围。

    星舰飞船从外太空返回地面的非官方演示视频 | NickHenning3D

    这也是两次高空试飞中,星舰在下降时会在空中躺平的原因。

    这种独特的下落姿态被称为bellyflop,在英语口语中是指胸腹着水的跳水动作,形象地描述了这个动作的笨拙。很多人干脆把这个动作称为“肚皮向下的可控坠落”。

    星舰SN8号原型机的“肚皮下向可控坠落”| SpaceX

    但是不是真的“可控”呢?在SN8号原型机试飞之前,马斯克和SpaceX公司的技术团队也没有太大把握。

    实际试飞的表现可以说相当出色:星舰的两对“翅膀”响应迅捷,姿态控制相当灵敏,结合喷气反推RCS系统,让星舰很好地保持了接近水平的下落姿态。

    注意“翅膀”的动作,这是“肚皮下向可控坠落”的关键之一 | SpaceX

    不过,星舰不可能一直肚皮向下,否则就拍地上了。

    最后落地时,它还要像猎鹰9号一样,利用火箭反推点火消除垂直和水平方向上的速度,配合伸出的着陆腿实现定点垂直软着陆。这就要求它在即将着陆前,还必须完成一次flip机动,从肚皮向下改为尾部向下,堪称“神龙摆尾”

    这样的特技动作,必须靠星舰那两对特殊的“翅膀”,再配合猛禽发动机的推力矢量控制,才能完成。

    SN8号的“神龙摆尾”,水平改垂直,完成度很高了 | SpaceX

    靠近地面时做这么大幅度的姿态调整,恐怕也只有马斯克敢想,而且真的敢干!

    上个月SN8号星舰原型机试飞时,这样的“神龙摆尾”其实已经完成了,只是最后火箭反推不够给力,落地“硬”了一点,炸了。

    SN9号星舰“神龙摆尾”,可惜栽了…… | SpaceX

    而今天凌晨,SN9号星舰更是直接栽在了这招“神龙摆尾”之上,最后没能把姿势摆正。

    虽然它的两对“翅膀”在呼扇了,但本该开启两台的猛禽火箭发动机只点着了一台。推力不够,小“翅膀”再努力,也回天无力呀!

    换个角度再“炸”一次,注意SN9的“翅膀” | NASAspaceflight

    两次高空试飞,无论是水平可控坠落的稳定性,还是水平改垂直动作的迅速和精确(此处单指SN8),都证明星舰飞船的古怪设计是有效的,验证了这种疯狂的着陆方式应该是可行的

    只是,最后落地要是能不炸,就完美了。

    不过,这也正是飞行“测试”的目的所在——不炸个几次,又怎么能发现哪里会出问题呢?

    目睹了SN9试飞全程的SN10(右)表示瑟瑟发抖 | Trevor Mahlmann

    就像上次SN8炸机时cue到SN9一样,这次SN9炸机时,SN10号星舰干脆已经立在了测试台上,完完整整地目睹了全过程。

    接下来,SN10,该你上了!

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