潮新闻客户端记者屠晨昕
据环球网报道,北京时间11月18日晚21时左右,美国SpaceX(太空探索)公司的“星舰”超重型火箭点火升空,进行第二次入轨级测试飞行。本次试飞计划飞行90分钟,“星舰”飞船首次到达了太空,但发射约10分钟后失去了联系,其自毁系统被迫触发,试飞被宣布失败。
据CNN报道,这次比今年4月尝试时走得更远,但不幸的是,依然没有完成所有预定计划,最终还是再次爆炸。
4月20日,“星舰”的首次入轨级试飞中持续了3分59秒,最高飞到了39公里,但一二级未能分离,并很快失控翻滚,在地面发出自毁指令40秒后解体爆炸。
自4月份首飞以来,SpaceX对星舰进行了1000多次修改,包括用更稳定的发动机,加固了发射台,升级了自毁装置,还把一二级分离从冷分离改为热分离。
4月20日,“星舰”首次轨道级测试飞行任务。图源:视觉中国
在刘慈欣科幻巨作《三体》中,当今人类拥有的化学能火箭飞向深空被形容为“划着独木舟横跨大洋”,是“痴人说梦”。为使未来航天走“可控核聚变无工质推进”之路,主角之一章北海不惜采取行动制造意外,推动了恒星级战舰的诞生。这些星舰在三体文明入侵的生死关头飞向遥远外星系,成为“星舰文明”,为地球文明保留了火种。
真实世界里的伊隆·马斯克,就像是划着独木舟横跨大洋的“痴人”。他要把化学能火箭的潜力压榨到极致,他邀请全世界仰望星空之人和他一起大梦一场,想把人类历史快进到移民火星这一集。
2014年5月29日,马斯克在位于加州霍索恩的SpaceX总部。图源:视觉中国
而他用以实现“痴人梦”的“独木舟”,被冠以“星舰”之名——在科幻世界里,这通常指穿梭于恒星系之间的飞船,是未来超级星际文明的标志。
这枚大火箭,顶着极度高大上的名字和目标,所用的材料和燃料却极度接地气——箭体是你手里的保温杯、你家高压锅的304不锈钢造的,所烧的“油”是你家煤气灶每天在烧的甲烷。
液氧甲烷是当下最适合打开通天之门的航天动力,没有之一。对此潮新闻在报道浙产火箭朱雀二号从“星舰”手中抢下“全球首枚成功入轨的液氧甲烷火箭”桂冠中,有过详细的叙述。
不锈钢造的火箭真的能为地球人叩开通向月球和火星的“星际之门”吗?潮新闻邀请国际宇航联空间运输委员会副主席杨宇光为你做一番科普。
4月10日,美国得克萨斯州博卡奇卡,星舰在发射台上。图源:视觉中国
不锈钢造大火箭,可不单纯是“傻大黑粗”
“不锈钢最大的缺点就一个字:重。但优点有很多,强度高,耐高温耐低温,而且极其便宜。”杨宇光说。
根据测算,再入大气层时星舰二子级表面有20%暴露在1470多℃高温下,还有20%最高温是1300多℃,其余表面最高温低于1176℃,堪称“鬼门关”,必须采取足够的隔热措施。304不锈钢熔点在1398-1454℃,比目前任何主流的箭体材料都要耐高温,这就使得“星舰”的隔热瓦有1.5万多块,能经受1648℃高温,而不锈钢也可以扛一扛。马斯克本来想在“星舰”二子级上用碳纤维,但是碳纤维抗高温不行,就大胆改成了不锈钢。
太空里更多是极寒的环境,不锈钢即使在零下160℃也能保持足够的延展性和强度,在平均温度零下63℃的火星表面就能游刃有余。更神奇的是,不锈钢在低温条件下强度会提高50%,甚至高于铝锂合金,添加铬镍的不锈钢还会增加12-18%的延展性,碳纤维还坚固。
然后就是廉价,不锈钢简直太便宜了。304不锈钢在我们生活中很常见,家里的高压锅、保温杯、橱柜……随处可见。
2020年10月29日,金华哈尔斯工厂的工人在检验产出的不锈钢真空器皿。图源:视觉中国
在马斯克最关心的价格方面,他算过一笔账——用碳纤维造火箭,每公斤成本超过135美元,同时碳纤维有35%的损耗,总体算起来每公斤要花200美元;用铝合金也要每公斤三四十美元;用301不锈钢薄板造同样的火箭,每公斤才3美元!
这还没完,碳纤维制造工艺复杂,技术人员每小时工资得250美元,而焊接不锈钢板的普通焊工每小时工资不到50美元。马斯克曾说,NASA的SLS重型火箭花费的钱,够“星舰”炸100次。
“不过,太重的确是个很大缺陷,因为航空航天材料都追求一个‘轻’字,为减重的每一克奋斗。”杨宇光介绍,“箭体太重,推力又不变,有效载荷就小了,所能带的燃料和货物就少了。”
因此,想要采用不锈钢当箭体材料,必须有前提条件。“发动机必须足够优秀。‘星舰’的‘猛禽II’全流量分级燃烧循环液氧甲烷发动机,做得个子又小、推力又大、比冲又高,这些优点弥补了不锈钢在重量上带来的损失。”杨宇光说。
另外一点,如果火箭做得特别大,也可以部分弥补不锈钢太重的缺点。换言之,就主打一个“大力出奇迹”,这也正是“星舰”的设计思路。
不过杨宇光强调,我们不能单纯以为“星舰”就是“傻大黑粗”,其实“星舰”的不锈钢箭体非常有技术含量,“它做得非常薄,又大又薄又耐压,背后的材料技术和加工水平都非常高”。
4月20日“星舰”的首次发射虽然失败了,但在天上翻滚了好久才解体,恰恰说明其不锈钢箭体的强度相当之大。
上图为N1火箭第一级的30台发动机,下图为“星舰”第一级的33台发动机。图源:视觉中国
选择苏联登月火箭一个路数,会不会重蹈覆辙?
自从2016年“星舰”计划披露以来,坊间便称呼其为“史上最强大火箭”。它的5000吨起飞重量,大大超越了前世界冠军美国登月火箭“土星五号”的3039吨,它的7590吨起飞推力也大大超越了前世界冠军苏联登月火箭N1的4620吨。
尤其有话题性的是,“星舰”一级大胆采用33台并联发动机,密密麻麻简直能引发有些人的“密集恐惧症”。这被外界认为是延续了半个世纪前N1的一级30台并联的思路。
N1可不是一个成功的榜样,从1969年2月到1972年11月,N1火箭四射四炸黯然退场,最终苏联在登月竞赛中落败。“星舰”首射也炸了,火箭也同样失控了,不由让人怀疑这种用数十台并联的技术方案有没有前途。
事实上,苏联给登月火箭装这么多发动机是出于无奈。“土星五号”采用的F1液氧煤油发动机,单台推力高达680吨,一级只需要5台就能发出3400吨推力。而当时苏联造不出那么强力的发动机,其NK-15发动机推力仅有154吨,为获得4000多吨推力只得采取30台并联。
苏联N1登月火箭。
与苏联航天部门的处境类似,SpaceX设计“星舰”时,现有的液氧甲烷发动机推力不足,230吨推力的“猛禽II”已是全球现役最强了。
杨宇光告诉潮新闻记者,SpaceX同样选择多台并联,在一个箭体里塞进这么多发动机,就不能像长征五号、“重型猎鹰”那样捆绑几个助推器,还有个重要原因,就是为了重复使用。
“马斯克说过,无论多大的火箭,需要的控制系统都差不多,所以火箭越大性价比越高。一个第一级加上两个助推器,要回收三个箭体,这样成本比用一个大火箭高多了,过程也复杂多了,越复杂可靠性就越差。”杨宇光解释说。
然而,“水多加面、面多加水”的逻辑并不完全适用于造火箭。
“火箭发动机的工作环境远比汽车发动机和航空发动机更恶劣,一样重量的发动机,火箭推力远远高于后两者。这就不可避免地因为剧烈燃烧产生强烈的振动,出现耦合共振现象。”杨宇光说。
如果几十台发动机装在不同箭体上,比方说“重型猎鹰”也有27台发动机,但它是分散在三个箭体上,每个箭体上也就9台,再通过级间连接装置连在一起,耦合共振没那么严重。“但如果几十台装在同一个箭体上,耦合就厉害得多。共振不单影响发动机,从储箱到管路到阀门都有影响。”杨宇光分析道,N1的几次失败主要不是发动机出故障,而是共振导致管路破裂或阀门坏了。“星舰”4月首射时箭体冒出大量白雾,也可能是管路被震坏导致液氧泄露。
星舰首飞时冒出白烟。图源:视觉中国
但这不意味着“星舰”一定就会步N1的后尘。“时代毕竟不同了,当前计算机应用能力、动力学、振动分析与控制方面的认知是半个世纪前没法比的。”杨宇光举例说,波音公司能做到设计飞机时都不用做风洞试验,完全靠数字模拟就做到很准。在他看来,从理论上来说,多发动机并联的问题可以解决。
在首发失败后,SpaceX采取了很多改进措施,包括喷管摆动从液压改成了电动,因为液压受动力学影响更大;发动机之间加了好多隔板,以隔离相互影响;还有计算机数字模拟。“但所有这些都代替不了地面试车。‘土星五号’即便只有5台发动机,都做了全尺寸试车台进行地面试验,发射时依然出现了耦合共振。”
而马斯克为了省钱,没有建全尺寸地面试车台,“星舰”的试车也无法达到满功率,只有50%推力。因此问题在理论上能解决,在现实中能否过关,还很难讲。
1983年4月5日,美国第二架“挑战者”号航天飞机首航成功,这是其在发射前夕。图源:视觉中国
普通人坐“星舰”上天,在可预见的未来还没戏
在SpaceX的“星舰”蓝图里,未来将完全回收一二级,同时每台发动机理论上可复用50次。最终目标是发射成本只剩下燃料、测控维修等杂费,将每公斤载荷发射成本降到10美元的极低水平,让普通人都能圆太空梦。目前我们距离这一步还有多远?
杨宇光坦言:前景不明朗。他举了航天飞机的例子,来证明“理想丰满,现实骨感”。
“航天飞机就是入轨级可重复使用,但为此付出了极大的代价。”据杨宇光介绍,航天飞机全系统起飞重量达2000多吨,如果是常规构型的运载火箭,低轨运力至少能有六七十吨,但是航天飞机的运力只有29吨。付出那么多代价,第一是为了能载人,第二是为了能回来,能重复使用。
为了复用,航天飞机不仅运力损失了一多半,每次回来还都要做非常复杂的检修,它的每块隔热瓦形状都不同,难以标准化量产。“星舰”好一点,大多数防热瓦形状是一样的,但靠近顶部以及升降翼面的防热瓦也不一样,要更换这些必然带来时间和人才成本。“因为技术过于激进,首先能不能成功还要打个问号;即便完全复用在实践中成功了,最终是不是省钱也不好说。”
尤其是未来“星舰”要计划载人飞行,安全将会是更大的难关。航天飞机只是载7个人,在135次飞行中就炸了两次(1986年的“挑战者”号和2003年的“哥伦比亚”号),共有14名航天员遇难。“星舰”一方面要极致地压缩成本,另一方面要一次运载100人,万一发生一次严重事故,基本可以肯定这100人都无法生还,这对于“星舰”计划带来的冲击是难以想象的。
2021年5月2日,载人“龙”飞船从国际空间站返回地球,溅落在墨西哥湾。图源:视觉中国
载人航天的安全要求有多严格?杨宇光举了个例子:SpaceX本想在载人“龙”飞船上使用火箭反推着陆,但被NASA和FAA(美国联邦航空管理局)给否决了,还是担心反推太不安全,要求SpaceX改回降落伞减速着陆。
“‘龙’飞船外形非常短粗,其8台发动机只要4台工作就能着陆,就这样美国官方都不允许。‘星舰’二子级可比‘龙’飞船要细长得多,稍微一歪就可能倒、可能炸,风险太大,至今只成功回收过一次。不载人也就算了,载人的话,官方怎么可能开绿灯?”
杨宇光提醒说,“星舰”载人的二子级要想重复使用,其唯一的着陆方式就是火箭反推,因为其空重达120吨,这远远超出了降落伞的承重极限。
如果管理部门不允许,那么“星舰”载人飞行也只是空中楼阁,且不说登陆和移民火星,就算载客从纽约到上海都不可能实现。
4月15日的星舰。图源:视觉中国
“星舰”更擅长绕着地球转,而不是飞向月球火星
杨宇光进一步指出,“星舰”事实上不太适合送人送货月球、火星,最适合它的工作是绕着地球转,比如发射卫星到近地轨道。
“因为发射深空载荷需要更高的速度,只有级数多,速度才能加上去。比如‘土星五号’是三级火箭,N1更达到了五级;再比如,发射‘天问一号’火星探测器的长征五号基本型是两级半,专门发射空间站的长征五号B就是一级半。”杨宇光认为,“星舰”为了百分百可重复使用,选择了两极构型,对于近地轨道是合算的、高效的,但对于深空运输来说效率却是极低的。
所以,“‘星舰’是人类有史以来最强大的火箭”这个说法在他看来是有问题的。“你说它是最大最重的火箭那没有问题,近地轨道运力250吨它绝对是最大的,但如果是奔月轨道,‘星舰’不在轨补充推进剂的话,恐怕不如‘土星五号’。”
据杨宇光透露,根据SpaceX的计划,“星舰”从地球去火星,要先在近地轨道加注液氧甲烷推进剂多达5次;如果是去月球,更是要补8-10次,因为去月球需要的速度增量更大。用来给“星舰”加油的“太空加油机”每天只有1-2次发射窗口及1-2次返回窗口,整个系统和任务搞得过于复杂,其成本和故障率都会指数式上升。
“还有一大难题:液氧甲烷如何在轨长期储存?虽然这比液氢容易很多,但是人类还没有做到过,迄今液氧在外太空储存还没有超过一天的。”杨宇光分析说,同样是在太空里,近地轨道的航天器能得到强大地球磁场的保护,而深空环境要恶劣得多,飞向深空时“星舰”肚子里大量易燃易爆的燃料会不会出状况,谁都没法打包票。
这场迈向“星辰大海”的远征,再壮丽再浪漫,人类也只能一步一个脚印,摸索着艰难前行。
他是终将能写进教科书的人物,一心搞科研探索太空的人。人类进步离不开这样的先驱者
总有实验!失败的没啥大惊小怪!
当年可回收火箭炸了又炸也是这么报道的,等到人家成功了又全部希声
嘴炮吹得极大,砖家你以为全世界的精英都不如你,你去试试?
一群嘴炮去质疑一个全球首富,真以为自己比全球首富还牛,真是讽刺。就像井底之蛙在讽刺天上的飞鸟一样
多看看别人成功的部分,系统工程从来不是一蹴而就
但是不管怎么说,人类迈向太空的每一小步都值得敬佩和赞扬[点赞]
马斯克又不是第一次被人笑话
如果他成功了。才对我们航空有更加积极的意义。毕竟不是量产。有成功案例才好节约成本,照葫芦画瓢[得瑟]
一个连导流槽都不挖的实验项目你跟我说他科学严谨?人家发火箭一来可以免费在全世界的所有媒体做个广告,而且是主流新闻正文里做广告,二来骗骗投资人和nasa的钱,三来骗骗傻子们,让各国的吹们吹吹他公司增加影响力,指他加几台发动机就能上太空那明朝那椅子上绑窜天猴的早就占领月球了[病了哦]
还是等华为来进军太空行业吧[点赞]
科研是有容错机制的,不要笑话别人的失败,站在科研的顶端,每一次成功都具有划时代意义。所以不会那么简单
有钱就是任性,万一成功了得节约多少成本。看看满太空的星链就可以体会低成本发挥大作用的好处。还有AK47等等…
炸的好,祝愿永远不成功
个人觉得这个发动机方案不太可靠,危险因素太多。
这个人必定要在人类文明史上留下浓墨重彩!
站在人类的立场上,我希望他成功,站在中国的立场上,我依然希望他成功,因为他能成功就意味着存在一条我们也能走通的路子,众所周知我们后发优势是很强的
又前进了一小步[呲牙笑]
胡说八道。液氧不超一天。那美国登月怎么去的。怎么回来的
制造太空垃圾得垃圾国家
回升火舰是星航的基础
人家在探索
加油
只有跟我们种花家合作,才能更快实现梦想
就凭NASA又出技术又出力,马斯克绝对有军方背景
苏联曾经最牛B的超音速飞机就是不锈钢外壳。。。
这是个人行为!个人行为![点赞]
不锈钢做的是火箭,不是飞船。
这个很矛盾,一方面不锈钢便宜,一方面发动机要求超级好而更贵。
科学家
没有一点火当场就爆不好看
科技进步必然需要在不断失败中突破。特斯拉的产品在成本和效率都具有优势。未来成功是必然。一个新生企业迅速成长是有独到的优势。承认别的优势,学习别人的优势这是不是失败。
火箭垂直回收技术不也经历了许多曲折。不经一番寒彻骨,怎得梅花扑鼻香。
火箭都后驱,改前驱,头大箭身长
发动机并联多了,控制系统就难了。故障率也会高很多,只要其中一台出问题,问题就是大问题。
是不是可以做出推论,米国之前的登月都是演的[抠鼻]
没有核能发动机肯定不行
没事我们就坐着看笑话,等他成功了再说一句不过如此我也能。
谁的成功都不是一蹴而就
营销!
吃太饱了。
太空垃级越来越多,
衷心祝愿马斯克取得成功
看来33台发动机并联,风险还是很大呀
直接找鲁班造一架[呲牙笑]
为啥不用新能源?注定是失败的
美国曾经上去过…可如今不想上!只想讹诈美国人!试一试怎么炸…[笑着哭]
敢用视觉中国的照片,等着打官司吧。
比第一次好太多了,当初猎鹰系列成功前也是不停的炸,现在猎鹰系列占据了全球商业卫星发射的半壁江山。
失败才是成功之母。越失败离功成不远了![点赞][点赞][点赞]
我是不是也能搞几台摩托车发动机造飞机试试?[得瑟]
被东方神密武器攻击导致任务失败
没钱真玩不起
别刚舔完,回头马斯克就说不玩了,没劲。他首先是个商人,随时可以撒手。
资本和资源是为了提高人类的生活质量和实现梦想的,而不仅仅是生更多的钱,很佩服马斯克。
我们的发射失败各种骂,别人的发射失败各种安慰,果然外来的和尚好念经[得瑟]
他是真的勇,但是这么试下去,迟早会成功的,哪次发明创造不是建立在无数次失败之上!就怕他成功后就飘了!
我们最好采用组合式登陆火星月球,这样比较保险
地精科技
尊贵特斯拉的车主们,感谢你们的支持!
样子货
我这种面朝机床,背靠天的人,就不评论天上飞的东西,跨太大了!
大海还弄不明白呢?就想去太空?步子迈的大了扯淡了
失败乃成功之母,加油,多积攒经验,为人类谋福
就这失败率谁敢坐[笑着哭]
牛币啊,每一个高科技都有一个自毁程序,原来电视剧没骗我
好漂亮的不锈钢火箭,就像艺术品 摆件一样惹人喜爱!
仍家已经在做了!
美国人认为成功了 达到预期测试效果
刺激!
迈向宇宙的起点是地球下一步是太空再下一步是月球 我们需要一个非常大的平台在太空中组装足够多的设备去月球建设足够大的工厂作为基地
等我们登月时会发现,太空里全是美国佬炸的到处都是的垃圾,让我们的飞船寸步难行[裂开]
地球都没玩明白,还火星
据说达到预期目标,32个发动机都工作了
特斯拉赚的钱都花在这了?
很不错,但是评论区不用太期待,成功了又能怎样?也不用太杞人忧天,我们还不至于怕他们星链星舰的,我们有我们的南天门计划[笑着哭]
看完这个人说的,感觉章北海的确是应该干掉那几个专家。
马斯克就是个笑话!一个农民还造星!看看我们国家的科学团队!他就是为了卖车!
钛合金更适合制作可重复航天器,重量更轻,性能更优异,但是价格也高的多,需要克服的是加工难度。
这么喜欢看热闹
304钢建造成本低,但是推进系统保温系统成本高啊[笑着哭]
按照美军准备的采购习惯,一个不锈钢水杯都要二千五百美元,玩这种超大号的保温杯更容易洗得干净,才吃完了德州的电池车补,又来骗休斯顿的火星车补,高人,[点赞]
如果这种低成本的一两次就成了,那将是多么可怕的事?
根本不敢说马斯克厉害,会被骂死。[得瑟]
失败不过是迈向成功的一步,迟早会成功。但是我希望第一个成功是中国
120米长的火箭,我擦
总要有先驱者,然后慢慢的把不可能变为现实
马斯克是一个成功的企业家!仅此而已。
我就闻见了醋罐子
这匹马跟我们国家的马云马化腾不是一个级别的,他玩的那几个项目如果成功就是人类的进步。
考虑考虑做成飞碟样的,借鉴一下!
其实人家已经成功了
试目以待,精神可嘉。[点赞]
这有啥可笑的 科学就是勇于尝试 勇于探索
都是诸葛亮,理论知识全宇宙第一,实践没一个能出东西的。科学始终没有捷径弯道超车![得瑟]
星爷曰:“做人如果没有梦想,那跟“咸鱼”又有什么区别!”[点赞]
这就是他门团队的技术,用简单的食材烹饪好食品
真是丑陋的嘴脸[点赞]
一切的奇思妙想都来自于胡思乱想 不要笑话别人 无论是立场还是情况都要从两方面看
美国人搞的东西一般噱头比较多,重在展示实力,实用性不强,比如f22,朱姆沃尔特,福特级航母。我们航天最终就是便宜又好用