最前沿｜航空专家：星舰失控因部分发动机未工作，突破MAX-Q验证结构强度可 ...

醉蝶翔舞 · 发表于 2023-4-21 22:58:48

原标题：最前沿｜航空专家：星舰失控因部分发动机未工作，突破MAX-Q验证结构强度可行
全国空间探测技术首席科学传播专家、卫星应用产业协会首席专家庞之浩
出品｜搜狐科技
作者｜郑松毅
4月20日，美国中部时间4月20日8:33左右，马斯克旗下的SpaceX星舰系统满载超4500公吨推进剂从得克萨斯州的SpaceX火箭发射基地点火发射，执行首次轨道级测试飞行任务，但升空3分50秒后爆炸。此前，美国时间4月17日，星舰起飞前不到10分钟，因增压阀似乎被冻住了，无奈暂停位于美国得克萨斯州南部发射的计划。
“本次星舰发射失败的主要原因是它同时并联了33台新型第二代“猛禽”发动机，刚开始是有3台没有成功点火，升空一段时间后又有2到3台发动机熄火了，最终导致星舰在升空接近3分钟时呈失控状态。并联使用这么多台发动机同时点火工作，是一项十分复杂的技术，会产生巨大高频震动和高温，容易影响火箭的推力、速度和姿态控制等。”——全国空间探测技术首席科学传播专家、卫星应用产业协会首席专家庞之浩在与搜狐科技对话中解释了星舰发射失败的原因。
庞之浩表示，箭体上密集部署了33台发动机，其中外圈20台是固定设计，中间的10台和最内圈的3台为了实现变轨是可以摆动的，这么多发动机同时点火会产生高频震动，影响箭体本身的稳定性，也就是大家看到星舰发射时颤动的原因。
庞之浩介绍，SpaceX星舰较之前NASA（美国国家航空航天局）发射的“人类史上使用过的自重最大的运载火箭“土星5号”还是有较大的差异性。从材料和技术角度来看，SpaceX星舰主要具备以下亮点：
1.燃料：SpaceX星舰采用了常规火箭都不采用的液氧甲烷燃料，液氧甲烷燃料具备无毒环保、高比冲、低成本、易于重复使用的特点；
2.材料：与其他登月火箭相比，星舰的箭体是由不锈钢制成的，并配备了耐高温的烧蚀防护层，可以承受高温和高速下的压力，且材料成本低，如果用传统碳纤维材料建造火箭壳体需花费千万美元，而使用不锈钢薄板建造壳体仅需几十万美元；
3.发动机：在超级重型推进器（第一级）上并联了33台新型第二代“猛禽”发动机，是史无前例的，此前只有苏联N1火箭的第一级装了30台发动机，但4次发射均失败；
4.世界首个船舰一体的创新设计：星舰不仅在第一级箭体搭载了33台发动机，在星舰飞船（第二级）上也装了6台第二代“猛禽”发动机，因此第二级（箭体）既是飞船又是火箭，既有变轨能力，又有载人的能力；
5.可重复使用性：星舰是一种可重复使用的火箭，它可以多次发射和着陆。这种技术使得每次发射的成本大大降低，因为不需要每次都重新制造新的火箭；一旦星舰成功返回地球，只需简单的检查和维护即可重新使用；此外，超级重型推力器的回收方式也很新颖，之前火箭如猎鹰九号要么是落在海平台上要么落在某一陆地区域，但星舰可以“大筷子”的方式实现垂直回落在发射台，这样可以节省（了）降落支腿的成本，也避免降落支腿无法可靠的展开。
庞之浩认为，SpaceX星舰如能成功发射产生的作用和影响将是重大的，其不仅有助于实现“火星远征”计划，将人员和设备运载至太空，凭借其强大的运载能力和多用化设计，还可以运载更重、更多的第二代星链卫星到太空，甚至一次可以部署一个小的星座，进一步推进了马斯克的星链计划。庞之浩介绍，星链计划将有广阔的应用空间，可无缝隙覆盖全球，为人类提供信号、语音通信等服务，在军事领域也具备极高的应用价值。根据马斯克此前透露，预计到2040年，星链卫星用户数量有望升至3.64亿，届时每年星链卫星将带来约800亿美元的收入。此外，SpaceX星舰还可以用于地球与太空之间点对点的运输和建造，包括建设巨型太空站、太空旅馆等。它也能在轨回收、修理、升级航天器，比航天飞机还方便。
马斯克曾表示，他的规划是当星舰研制成功时将进行规模化生产，每年建造100艘，共打造1000艘，预计每艘成本将低至1000万美元。庞之浩表示，据业内人士统计，如以上马斯克规划能成功实现，地球与太空之间每公斤运载成本将低至100美元，这是一个令人咂舌的数字，要知道常规火箭最低每公斤运输成本约2到3万美元。
以下为对话实录（经整理编辑）
搜狐科技：星舰与之前发射的重型运载火箭“土星5号”有什么区别？星舰在技术上有什么亮点？
庞之浩：星舰与土星5号有很大的差别，其中亮点技术包括：
1. 星舰采用液氧甲烷燃料，无毒环保、高比冲、低成本、易重复使用，且可以在火星原位生产；
2. 星舰的超级重型推进器首次并联了多达33台新型第二代“猛禽”发动机，推力达230吨，如33台同时点火，总推力可达7500吨，是史无前例的；
3. 星舰采用世界上首个船箭一体的创新设计，其第二级星舰飞船也装有6台第二代猛禽发动机，使其同时具备变轨和载人、载物的能力；
4. 星舰首次采用不锈钢材料建造箭体，目的是节约成本，如果用传统碳纤维材料建造火箭壳体需花费千万美元，而使用不锈钢薄板建造壳体仅需几十万美元；
5. 星舰第一级、第二级箭体都可回收后重复使用，且可精准垂直回落至发射台，不用额外建造降落支腿，进一步节约了火箭发射成本；
6. 星舰凭借强大的运载能力和多用化设计，可以运载更多、更重的第二代卫星、人员到太空；
搜狐科技：SpaceX在星舰发射失败后表示，失败原因是由于星舰和推进器未能分离，从您专业的角度来看，这是主要失败因素吗？未成功分离的原因是什么？
庞之浩：是的，主要是由于发射的时候并联了多达33台新型发动机，刚开始有3台没成功点火，升空一段时间后又有两三台熄火了，最后导致星舰失控，在空中打转，为了避免坠落地面造成重大损失，无奈只能启动自毁装置。这么多发动机同时点火是一个非常复杂的技术，会产生巨大高频震动和高温等，影响火箭本身。下一阶段需进一步攻克发动机布置、结构、热防护和可靠性等一系列难关。
搜狐科技：有业内人士表示，“箭体用不锈钢本身是不可取的行为，火箭升空后的高温这个东西扛不住”，那么星舰主打的“航天材料可重复利用，减少航天制造成本”的技术亮点究竟能实现吗？如果能实现将能节约多少制造成本？
庞之浩：我认为使用不锈钢材料是没问题的，本次星舰发射失败也没有归因到箭体不锈钢材料。星舰发射前马斯克已通过多次原型仿真实验证明了不锈钢材料的可用性，如果用传统碳纤维材料建造火箭壳体需花费千万美元，而使用不锈钢薄板建造壳体仅需几十万美元；可重复利用性主要还是指的箭体，最值钱的还是发动机。
搜狐科技：SpaceX星舰另一技术突破亮点号称是环保设计，燃料采用甲烷和氧气，较传统火箭燃料燃烧产生的二氧化碳少得多，但其实我们知道甲烷和氧气作为燃料已经是很久之前就应用的技术，这还算是突破性创新吗？
庞之浩：液氧甲烷燃料，无毒环保、高比冲、低成本、易重复使用，且可以在火星原位生产；但是，历史上使用这种燃料发射的火箭都未成功，燃料可用性还值得探究。
搜狐科技：星舰的单次发射成本大约是多少？马斯克在星舰发射后表示，将根据失败数据及时优化技术，且SpaceX将很快再次尝试，称正在德克萨斯南部建造一系列星舰，今年有80%的机会进入轨道，您认为马斯克的SpaceX确实具备及时调整并在今年大概率再次试飞的实力吗？还是只是马斯克为了稳住股价的说辞？
庞之浩：火箭发射成本主要就是火箭建造成本，传统火箭如土星5号建造成本约40亿美元，此次星舰因首次为试验制造，制造成本约30亿美元，马斯克表示未来规模化建造后成本将低至1000万美元。
值得一提的是，如果上述规划能实现，地球到太空的运输成本将低至每公斤100美元，常规火箭需约2到3万美元每公斤。
SpaceX是具备短期内再次尝试发射的实力的，此次星舰同批建造并获得NASA发射许可共5艘，还剩4艘可以用于试射。
搜狐科技：星舰如能发射成功，将会产生什么作用和影响？“火星远征”计划真的可以实现吗？
庞之浩：不仅有助于实现“火星远征”计划，将人员和设备运载至太空，凭借其强大的运载能力和多用化设计，还可以运载更重、更多的第二代星链卫星到太空，甚至一次可以部署一个小的星座，进一步推进马斯克的星链计划。此外，星舰还可以用于地球与太空之间点对点的运输和建造，包括建设巨型太空站、太空旅馆等。
搜狐科技：星舰发射虽然表面上是“失败”，但很多人认为走出这一步，能发射就是成功了，您是怎么看待这个问题？对于火箭发射，一般要尝试多少次失败才能走向真正的成功？
庞之浩：本次试射有两方面的成功：一方面是如马斯克所讲，星舰没在发射台爆炸；另一方面是星舰突破了MAX-Q（火箭穿越大气层时遭遇最大气动压力的阶段），证明星舰结构和强度是没问题的。
马斯克造火箭实际上是“互联网式”思维，不断通过发射试验发现问题，并且不断改进优化，似乎对于真正的成功没有一个可量化的定义。

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