等来等去,马斯克的星舰飞船跟超重助推器的联合体终于是发射了。这次发射可以说是引发了全球航天业界的高度关注,大家的心情都很复杂。
首先,星舰这样一个巨大的火箭是人类迄今为止制造过的最大的火箭,它的高度、重量,都超越了阿波罗时代的土星5号和苏联的N-1火箭。
(资料图片仅供参考)
这枚火箭起飞的最大推力超过了7000吨,它的一级火箭配有33台猛禽发动机。这样的火箭过去从来没有成功的尝试过,因为体量大,而且结构也比较复杂。运载能力非常惊人,理论上它可以把150吨的载荷运到近地轨道。
更重要的是,这样一个如此巨大的火箭,居然是一家商业企业研发的,所以大家都在看着,到底是否能够成功。最终,这次发射不出意外的又出意外。
(星舰火箭起飞瞬间)
就像是马斯克此前多次失败的星舰测试那样,这枚火箭在飞行了3分59秒的时候,在距地39公里的高度上,发生了失控解体,进而爆炸,最后是以一团火光宣告结束。
事后在新闻媒体上,马斯克的SpaceX公司并没有把这次实验称作是“爆炸”,而是说“火箭发生了计划外的快速解体”。换句话说,这种解体可能是最早没有预料到的,也并不是地面发出指令让火箭自毁。
(星舰空中解体爆炸)
那么发射究竟出了怎样的问题?
实际上在星舰发射之初,有些朋友就已经发现不大正常了。一级火箭的33台发动机中,有3台发动机没能够正常点火。在火箭的尾部是有三个暗点的,一看就是有3台发动机没点火。实际上像这样的火箭,多台发动机并联驱动的,它本身有着冗余设计。
(星舰火箭的发动机在发射中出现了问题)
换句话说,星舰助推火箭的发动机有一到两台故障是没问题的,剩余的火箭发动机只要控制系统正常,仍然能够齐心合力地把火箭送上轨道。但故障的发动机是怎样的故障导致它不工作的,而这种故障是否还可能扩散到其他的系统,这个就很难说了。在故障的模式下,火箭的姿态,实际上它的控制就更为困难。这里面可能有一系列复杂的模型需要去建立和解决,马斯克的团队是否做到了,这个也不清楚。
(星舰火箭在多台发动机熄火的状态下坚持飞行了39公里的高度)
在3台发动机没有能够成功点火之后,星舰火箭继续向上飞行,但在飞行过程中,又有两台发动机发生故障。此时,火箭应该说有5台发动机的推力都是缺失的,但是火箭仍然在继续地飞行。
在80秒的时候,科研团队甚至还小小地兴奋了一下,因为火箭此时已经超过了最大的动压点。换句话说,这枚不锈钢的火箭确实挺结实,它承受了最大的动压的极值。火箭冲破了这个点之后,继续地向上飞行。
(星舰火箭发射3分钟后开始在姿态失稳,在空中打转)
在3分钟的时候,遭遇了一次重大的问题,这次问题可能也是致命的,跟前面的问题也可能有关联。3分钟的时候,按照预定的计划,火箭的一二级应该完成分离,而马斯克的团队也说,火箭实际上从录像显示,是有一个分离的动作,但是这个分离显然没能成功。
一二级继续作为一个整体,而一级火箭发动机预定的关车也没有实现,发动机继续工作。此时的火箭就开始发生姿态严重的异常,发生了翻转。有可能这种剧烈的翻转引发的异常过载,导致了火箭的解体并且爆炸。
(令人震撼的一级火箭发动机)
马斯克的团队认为,实验还是有一定成果的。比如说最大动压点的突破,火箭的一级发动机系统整体起飞过程的成功。因为马斯克最早也说过,没有炸在发射台上就算是成功,这也是他乐观主义的表现。
但是严格地说,如果这样一个为了未来的载人航天工程,甚至是预想的载人登月登火这样的项目准备的重型火箭,在全系统试飞的过程中,如果仅把没有炸在发射台上就作为目标的话,或者说作为一种预期的表达的话,显然是不大符合严肃的科学态度。
(星舰火箭组合体是目前人类发射过最大的火箭)
也许马斯克背后的投资者们足够乐观,或者说他拥有足够强大的经济资源,可以承担这种实验的风险。但至少目前看来,没有一家政府机构,会以这样的态度去进行实验。
这个实验,美国业界人士实际上也说了,马斯克的公司最近一段时间就是在快马加班地赶时间表,因为距离2025年美国实施“阿尔忒弥斯3”登月计划实在是太近了。从现在算起来,满打满算两年多的时间,而马斯克还有大量的实验要做。
(星舰是美国登月计划的重要载具)
星舰火箭的组合体这是第一次实验,后面还有无人飞行、载人飞行、入轨飞行,包括环月的有人和无人飞行,可能还有无人的环月、落月的飞行。每一项都是高难度的实验,而现在的时间实在是太短了,所以快马加鞭的时间表是否是马斯克这次实验的一个原因,现在值得我们推敲。
这次实验的失败,让一些专家联想起当年在登月行动中,苏联失败的N1火箭。N1火箭的一级也装备了很多发动机,30台。而且数次实验失败应该是4次,4次实验失败都跟推力系统有关系。比如说,其中有发动机的自激振荡引发的零件破损,进而导致了火灾;也有发动机的涡轮泵爆裂,引发的燃料泄漏,最终还是导致了爆炸;其中,也掺杂着发动机的控制系统的异常。
(苏联的登月火箭N1的一级采用了30台发动机并联设计)
考虑到今天马斯克所处的时代,液体火箭发动机已经相当的成熟。而且在现代的电子控制系统,包括现代计算机的助力下,多台发动机的联合控制也成为可能。但是这并不意味着问题不够复杂,考虑到如此巨大的火箭,如此多的发动机,而且在如此多的发动机背景下,还要考虑个别故障所引发的各种奇奇怪怪的飞行状态,所以这个问题一点都不简单。
苏联N1火箭的失败,有一个重要的原因,就是一级火箭并没有进行过系统试飞,当时是为了赶进度、省成本。而马斯克现在为了赶进度,它的一级超重助推器也没有进行过充分的验证。当然在马斯克的观点里,这次试飞也可以算是一次系统验证,但是这样的验证成本有点高。而且由于是飞船加上火箭的全系统试飞,它对于未来排查问题,也带来了更多的困难。
(星舰组合体在本次发射前并未做充分的系统可靠性验证)
现在看起来,火箭的动力系统异常,很有可能是引发后续问题的原因。因为在个别发动机出现异常的情况下,控制系统为了协调推力,就必须要对其他发动机的推力进行非常复杂的控制。而这样的控制模式,对于火箭的震动的状态是不是会引发一些不利的影响,对于火箭上其他的一些系统是不是会产生负面的因素,进而有没有可能引发其他的故障,这些问题都要考虑。
所以,目前排查故障的根本原因是个重点,而且接下来马斯克还得快马加鞭地往前赶。所以我们看到,现在SpaceX的厂房内据说是有8枚星舰系统正在建造。
(星舰走的是快速迭代的研发思路,需要大量资金支持)
用美国NASA掌门人纳尔逊的话来说,马斯克这种模式其实是值得注意的。首先就是快速建造快速飞行,然后快速失败,快速地再次试飞。这种快速迭代的模式,可能是商业航天企业的一个特征,但是它的背后一定是需要有强大的经济资源来支撑。而且要想让这种闭环能够持续下去,还需要有巨大的技术资源的投入。如果中间一旦是断了链的话,后续的问题就很难解决。
当然了,航天本来就是一个高风险的项目。但是按照美国航天一些专家的说法,说高风险也意味着高回报,那么这些可能都是支持马斯克的观点。
也有专家认为,马斯克现在的行动,可能会给后来的工作带来更大的压力。因为一方面时间表很近,另外一方面这样巨大的火箭如果有些实验做得不够充分的话,或者说它的排班过于紧密的话,很可能会造成意想不到的其他的问题。
(看到星舰发射失败,坐在控制室里的马斯克表情也不轻松)
目前,马斯克的压力确实足够大。因为在2025年美国登月的计划中,马斯克的星舰系统是作为登月着陆器准备。也就意味着,在2025年之前,他一定要完成订单所预期的内容。如果星舰系统在发展中,波折不能够迅速地走向平复的话,那么阿尔忒弥斯登月计划,很有可能也不得不做调整。
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