北京時(shí)間2021年3月4日7時(shí)許，SpaceX星艦原型（代號(hào)SN10）在得克薩斯州博卡奇卡（Boca Chica）成功進(jìn)行了高空飛行測(cè)試，這是SpaceX星艦原型第三次挑戰(zhàn)10公里級(jí)高度，也是首次成功軟著陸，具有重要的里程碑意義。不過，SN10在落地后不久著火倒地，但這已經(jīng)不太重要了。
SN10平穩(wěn)落地，隨后爆炸
首先星艦飛行到最高點(diǎn)，隨后進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，使腹部沖下，借助腹部增大與空氣接觸面積，加大空氣對(duì)星艦的阻力，然后星艦徐徐向地面飄落，在距離地面一定高度時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)再次點(diǎn)燃，使星艦重新直立起來，靠發(fā)動(dòng)機(jī)的反推成功進(jìn)行了軟著陸。
在本次試驗(yàn)之前，2020年12月10日和2021年2月3日，星艦原型SN8和SN9分別進(jìn)行了10公里級(jí)高度的測(cè)試飛行，發(fā)射和返回的前期都非常成功，但都是在最后著陸階段發(fā)生了觸地爆炸。其中SN8未能成功著陸的原因是飛船的燃料箱壓力不足，發(fā)動(dòng)機(jī)推力不夠，未能讓飛船成功軟著陸。SN9的三臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在著陸的最后階段只有一臺(tái)點(diǎn)火工作，推力不夠，發(fā)生粉碎性爆炸墜毀事故。
圖注：這是之前SN9觸地爆炸畫面。
從完成度上講，SN8甚至比SN9還要更好一些。SN8雖然發(fā)生了爆炸，但已經(jīng)非常接近成功，SpaceX團(tuán)隊(duì)放出消息稱，該拿到的數(shù)據(jù)都已經(jīng)拿到，可看作是一次成功的失敗。然而，誰也沒想到的是，后續(xù)的SN9失敗的還要更慘烈一些。因此，在本次SN10測(cè)試之前，馬斯克也變得謹(jǐn)慎的樂觀，稱成功的概率只有60%。
2021年2月24日，SN10成功進(jìn)行了第一次發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)點(diǎn)火測(cè)試，并發(fā)現(xiàn)了一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)存在故障。
2021年2月26日，在重新更換發(fā)動(dòng)機(jī)之后，SN10成功進(jìn)行了第二次發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)點(diǎn)火測(cè)試，三部火箭發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)了幾秒鐘時(shí)間。
實(shí)用版SpaceX星艦什么樣子？
從SpaceX給這艘航天器起的名字就可以看出其用途，這是一種能夠重復(fù)使用，兩級(jí)入軌的重型火箭發(fā)射系統(tǒng)。目標(biāo)是能夠搭載大宗物資往返地球和太空、地球和月球、甚至地球和火星之間，終極愿景甚至支持火星殖民。
圖注：星艦飛船與超重獵鷹的組合體（藝術(shù)圖）。
目前，我們?cè)谔岬叫桥炦@個(gè)稱唿時(shí)，特指第二級(jí)的飛船部分，就是目前正在測(cè)試的部分。飛船部分高50米，直徑9米，重約1300噸，安裝有3臺(tái)真空版猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)和3臺(tái)海平面版發(fā)動(dòng)機(jī)。托舉飛船的是一枚更加強(qiáng)大的超重火箭（Super Heavy），這種火箭高72米，直徑9米，重達(dá)3500噸，安裝有28臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)。飛船部分加上超重火箭后的總高度達(dá)120米，近地軌道運(yùn)載能力超過100噸，一次性可將100名乘客送上太空。
星艦的核心部件：發(fā)動(dòng)機(jī)
圖注：星艦飛船原型SN9內(nèi)部結(jié)構(gòu)（來源：SpaceX）。
星艦使用的是以液氧甲烷為燃料的大推力發(fā)動(dòng)機(jī)，單臺(tái)最大推力可達(dá)2000多千牛，換算成直覺理解，就是能托舉起200多噸的重物，相當(dāng)于4節(jié)載滿50噸貨物的火車車廂。本次測(cè)試使用了3臺(tái)這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)，上面我們也有提到，完整版的星艦將裝有6臺(tái)這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)，超重火箭則將安裝有28臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。你可以自己估算一下總推力，非常驚人。
圖注：星艦飛船的核心部件：猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)。
為什么要采用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)？
為了深入了解這個(gè)問題，我們首先要簡(jiǎn)單了解一下有關(guān)火箭的小知識(shí)作為鋪墊。
從大類上來分，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)分為固體發(fā)動(dòng)機(jī)和液體發(fā)動(dòng)機(jī)。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是目前小型火箭、火箭炮彈藥、多數(shù)軍用導(dǎo)彈的主流動(dòng)力源，其燃料易于工業(yè)制成，同時(shí)便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸，基本沒有揮發(fā)性和借助空氣傳播的毒性，所以安全性比較好，而且壽命很長，能夠存儲(chǔ)十多年，而液體燃料最多三個(gè)月就會(huì)變質(zhì)。但固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒比沖較小、燃燒延續(xù)時(shí)間較短、同時(shí)整體的燃料質(zhì)量很大、又受到固體燃料燃燒性質(zhì)的影響，所以用途受到限制。
液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于燃料易于制取、通常從石油或化工原料中可以直接制成，燃燒的比沖大、推力強(qiáng)勁、持續(xù)性好，所以，世界上多數(shù)的大推力運(yùn)載火箭都使用液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，像我國的長征系列運(yùn)載火箭，絕大多數(shù)都使用液體發(fā)動(dòng)機(jī)作為推進(jìn)系統(tǒng)，少量采用的固體推進(jìn)器也只是輔助手段。
主流的液體火箭通常使用的燃料包括，四氧化二氮/偏二甲肼；液氧/煤油，以及液氫/液氧，甚至液氧甲烷。
圖注：SpaceX猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)試車畫面（來源：SpaceX）。
目前，SpaceX星艦的猛禽火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，貝索斯藍(lán)色起源公司的BE4火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以及中國民企藍(lán)箭航天的天鵲火箭發(fā)動(dòng)機(jī)都是液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。
液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)有什么優(yōu)點(diǎn)呢？首先，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)相較于液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)比沖要大，比沖是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)常用的衡量指標(biāo)，其物理意義是，消耗單位質(zhì)量的燃料，火箭所能獲得動(dòng)量的多少，顯然這個(gè)數(shù)越大越好。其次，甲烷容易燃燒，不容易產(chǎn)生積碳，有利于火箭的重復(fù)利用。液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)相較于液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)則易于設(shè)計(jì)和維護(hù)，而且物美價(jià)廉，非常令商業(yè)航天公司青睞。值得一提的是，廚房家用煤氣罐里儲(chǔ)存的就是甲烷。
圖注：飛往火星的星艦飛船（藝術(shù)圖）。
甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)或許是未來真正能用于星際旅行的發(fā)動(dòng)機(jī)。我們知道，近幾年不斷傳來在火星上發(fā)現(xiàn)甲烷的消息，這對(duì)人類未來登陸火星是個(gè)積極的信號(hào)。另外，未來登陸火星的宇航員或許能夠在當(dāng)?shù)乩枚趸己退圃旒淄樽鳛榛鸺娜剂稀３嘶鹦峭猓列堑男l(wèi)星“土衛(wèi)六”上甚至布滿了甲烷湖泊，燃料簡(jiǎn)直是現(xiàn)成的。當(dāng)然，要想利用那里的甲烷是非常遙遠(yuǎn)的事情了，只能暢想一下。
星艦測(cè)試的重要節(jié)點(diǎn)事件
2019年7月26日，SpaceX對(duì)最早的星艦原型機(jī)“星蟲”（starhopper）進(jìn)行了高度20米的自由懸浮測(cè)試。
圖注：SpaceX星艦原型“星蟲”完成150米高度飛行。
2019年8月27日，SpaceX再次對(duì)“星蟲”進(jìn)行測(cè)試，成功飛行到150米的高度并安全著陸。
2020年8月5日，星艦原型SN5完成了高度150米的自由懸浮測(cè)試。由于沒安裝頭椎，SN5外觀看起來就像是一個(gè)30多米高的圓柱形不銹鋼大水塔。
圖注：SN5測(cè)試畫面。
2020年8月25日，星艦原型SN6同樣完成了高度150米的自由懸浮測(cè)試。
圖注：SN6測(cè)試畫面。
2020年12月10日，星艦原型SN8進(jìn)行了12.5公里高度的測(cè)試飛行，在最后落地的時(shí)候發(fā)生墜毀爆炸。
2021年2月3日，星艦原型SN9再次進(jìn)行了10公里高度的測(cè)試飛行，仍然是在最后落地的時(shí)候發(fā)生墜毀爆炸。
其他的星艦原型要么在地面測(cè)試中炸毀，要么完成歷史使命，退出了歷史舞臺(tái)。目前，準(zhǔn)備建造的星艦原型，已經(jīng)排到了SN19。
來源：騰訊太空/喬輝
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