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回眸:从SN8的炸到SN15的成功,马斯克带领SpaceX到底经历了什么

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科学声音 2021-06-13 09:34

作者:科学声音吴京平

2020年年末的SN8首次试飞,完成了一系列目标,但是最后落地的瞬间炸掉了。到底算是成功还是失败呢?我在网络上没少跟人吵过。有人认为这是失败的,我认为是部分成功,因为评价标准是不一样的。

你在上小学阶段,数学考试要是算错个数,那就是全错,一分不给。但是到了大学阶段,你要是计算步骤都对,最后不小心最后算错个数,也就是扣两分。在我看来,SN8已经达到了一系列的实验目标,能不能顺利的起飞?行啊,没问题,那么在空中调整姿态,横过来行不行呢?也没问题啊,也做到了。靠近地面的时候,一个“鲤鱼打挺”竖过来行不行?也做到了。所以最后即便是炸了,也不过就是扣两分的事儿,不算大问题。

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图:SN8爆炸了

那么最后为什么会炸呢?问题出在哪儿?其实就是出在火箭顶部的那个小燃料箱里。本来是要用高压氦气把燃料压进发动机,可能是压力不足,导致了燃料供应不够,最后发动机的推力不够,导致SN8一屁股墩在地上,结果就炸了。

SN8遇到的问题是前所未有的,因为过去火箭从来也没遇上过这么复杂的降落过程。燃料罐基本上是空的,如果不采取措施,剩余的那一点燃料肯定会在罐子里晃来晃去,根本就不沉底。吸取燃料的管子什么也吸不到,发动机肯定会熄火。所以SN8火箭的头部有一个小燃料罐,因为小,所以可以装满,不留空隙,降落的时候,怎么晃也没有关系,从这个小燃料罐里抽取燃料,想来是不会抽不到的。

SpaceX的工程师们也设计了好几个版本,一个版本是液氧罐的顶部和液态甲烷罐子的顶部各放一个小球。但是,后来还是把两个燃料罐都放在了火箭的鼻子尖上,也就是火箭的最顶部。为的就是让火箭的重心比较靠前。

图:顶部的小燃料罐

重心靠前有两个好处,首先是发动机是装在尾部。无论是让火箭横过来还是竖过来,力臂越长,发动机越省事儿。重心靠前,翻身的时候力臂更长一点。另外一个好处是更加容易控制平衡,控制火箭的姿态。

打个比方,我们用手顶着一根长长的杆子,不断调整位置,让杆子保持不倒下来。这种玩意儿杂技之中很常见,天桥的中幡不就是嘛。

那么是往杆子头上重一点更好,还是杆子底下重一点更好呢?其实是往杆子的顶端重一点更好。因为杆子重心靠上,转动惯量会变大。倒下来的过程会变慢,人就有机会调整。如果是重心偏低,杆子倒下去太快了,手来不调整。这个道理对于火箭来讲,也是一样的。

但是,燃料罐离发动机就远了,管路就比较长,毕竟火箭本身有50米高呢。这也是一个麻烦,必须用高压氦气把燃料给挤进发动机。不过,当时我想这个问题不大,解决起来也没有那么难。但是我似乎想的太简单了。我想,下一次应该比这次好吧,迭代嘛。结果,根本不是我想的那样,SN9又一次爆炸了,这次还不如上次呢,前面倒还顺利,飞到10公里的高空,然后发动机关机,火箭横躺下来开始做自由落体运动。下一步就该是鲤鱼打挺了吧,结果这一次鲤鱼打挺之后,姿态都没有完全调整到位,就直接摔在了地面上,炸成一团火球。

图:SN9只开了1台发动机

后来发现,SN9从横着自由下落的过程之中,猛禽发动机要2次点火,然后在完成姿态调整工作,本来应该点燃两台发动机,但是这一次,有一台发动机出了故障,压根没有点燃,不但没点燃,还往外喷零件,结果嘛,必然导致了推力不足,最后摔下来炸掉了。

有懂行的人在SpaceX的工程师twitter上留言。他说,你们为什么只点燃2颗引擎呢?为什么不点3颗呢?你想啊,两颗引擎只要有一个出了故障,必然就是这个结局。如果你同时点燃3颗,即便是其中一个有故障,还有两颗在工作啊,也不至于要命吧。为什么你们就不这么做呢?你们是咋想的?

人家的工程师回答的倒是干脆,为什么不这么做?我们太笨了呗。

其实呢,话是不能这么说的。开几台发动机,可不是随随便便来的,那都是经过精心安排的。星舰飞船不算燃料的话是140吨左右,毕竟是9米粗50米高的这么一个大煤气罐,不锈钢还是比较重的。其实,开一台猛禽发动机推力就有300吨,即便是开小油门,憋到40%,推力也有120吨以上。说实话,要是早早的开一台发动机反推,减速时间拉长,动作会更加从容,调整余地更大,但是,花掉的燃料也就更多,返回的时候就要留足余量,火箭的运载能力就要打折扣,这样做未必划算。

要是开2台发动机反推,迅速就能把火箭给刹停,因此必须到靠近地面的时候再玩儿鲤鱼打挺的动作竖过来,减速刹车非常快,必须刚好速度减低到0,恰好落地,要是配合不好,还没落地,速度就减到0了,然后呢,火箭的会被向上加速,反而落不了地了,这就不好了。时机必须拿捏得非常准才行,这个时间就非常的短促,调整余地就很小了,但是消耗的燃料少,更加划算。

SpaceX公司的特点就是迭代速度非常快,马上他们就对程序进行了修改。SN10准备下落过程之中2次点火的时候开3台发动机。假如全都没问题,那就关掉1台。假如只有2台点着了,那就这2台了。这样就增大了保险性。

按照一般的思路,应该去寻找猛禽发动机的BUG出在哪里,弄不好还要“归零”。也就是彻底找到问题所在,彻底解决它,大家都是这么做的。不过,进度就慢多了,时间就是钱,SpaceX不是上市公司,花的都是自己的钱,他们是不可能不在乎的。

所以呢,马斯克他们一方面让人去找猛禽发动机的BUG,另外一方面从系统工程的角度去规避这个问题。反正是尽量不耽误进度,时间是最宝贵的。

对于马斯克这个商人来讲,他打破了很多航天界固有的规矩,所以很多人看不懂,也不敢想象事情还能这么干。火箭是一个复杂的系统,你不可能保证一点毛病都不出,而是要出了小毛病,带着伤也仍然能完成任务。

图:SN10先开3台发动机,选状态最好的留下,然后渐次关闭另外两台发动机

所以,SN10就带着大家的希望飞上了蓝天,过程跟前几次还是差不多。飞到十几公里的高空,然后横过来,开始自由落体降落。等到近地面附近的时候,发动机2次点火,这一次是3台发动机都打开了。开始鲤鱼打挺的动作。火箭顺利的竖过来了,3台发动机都是可以摆动的。来回摆了几次调整火箭的姿态,保持垂直姿态的稳定。然后,逐渐关掉了2台发动机,最后在1台发动机的反推之下落向地面。

图:SN10火箭落地都是稍稍倾斜的

3台猛禽排列成品字形,因此不论是开两台发动机还是1台发动机,推力作用点都不在轴心上,都是偏心的。因此为了抵消这种偏心,火箭下落的时候稍稍要歪一点。这就为支撑腿提出了要求,这三条腿肯定不是同时碰到地面,能不能稳稳当当的站住,这就不好说了。未来支撑腿要适应高低不同的表面,毕竟落到火星上或者是月球上,是没有水泥地面的。哪有那么平整的地方让你降落啊。

你别说,SN10火箭还真的是稳稳当当的落在了地面上,只是火焰微微有点发绿,这并不是什么好兆头。果然,内部管道估计是出了问题,尾部一直有明火,在过了6分钟之后,火箭突然爆炸了。最后还是没有保住这枚火箭。

但是,尽管最后还是炸了,但是我们还是看到了星舰火箭的进步。马斯克当然是马不停蹄的准备下一次SN11的发射实验了,因为目前看来,BUG也越来越少,就差最后一哆嗦了。

但是,这一次是联邦航空局出来找麻烦了。其实也不是联邦航空局自己乐意来蹚浑水,主要是还是美国国会接到投诉。说是SN8最后爆炸了,没有顾及到周围安全,这样不行。下次飞行必须有联邦航空局的督导员在场监督才行。本来SN11定在今年的3月29号发射,结果呢,联邦航空局的督导员没赶上飞机,来不了了,本来改签一下就行,结果人家这位督导员不肯加班,回家睡觉了,第二天才搭航班飞过来。这一下就拖延到了当地时间3月30号。这天是满天的大雾什么都看不清楚。周围来观看发射的马斯克的粉丝这叫一个失望啊。都是被官僚主义给耽误的,马斯克也开始抨击监管部门,要是去不了火星,都怪你们不好。

图:从发动机舱也能感觉到雾气太大

那也没办法啊,SN11就是在这样的环境之中发射了,只能看到火箭上携带的摄像头发送回的画面,是在尾部盯着发动机的摄像头。前边都很顺利,飞到10公里的高空,开始横过来,自由下落,然后就等着发动机二次点火。整个过程其实也就5分多钟,结果大家只看到一台发动机点火了。然后,直播信号就断了。大家都不知道发生了什么,雾气太大什么都看不见。

不过,不久以后,有老百姓在5公里之外捡到了SN11的残骸。看来这次实验又失败了,这还不如前几次呢,前几次起码是落地以后才炸的,SN11是半空中就炸了的。这是怎么回事儿呢?

图:SN11的残骸

有爱好者在10公里之外拍摄到了SN11的图像。距离远一点,反而不受地面大雾的干扰。SN11的姿态控制并不好,一边下落一边乱转。看来是出故障了,最后是主动发出了自毁的指令,所以才会凌空爆炸了。

这次挫折可就大了。导致马斯克直接取消了后边SN12~14这三枚实验火箭,直接跳到了SN15,内部肯定是大改了一番,有些问题是不能凑合了。这一次马斯克沉寂了2个月,SN15的方案又回到了最开始的开2台发动机实现鲤鱼打挺的动作,然后还是开2台发动机实现反推着陆。发射时间定在了5月5号,也就是一个月之前。这一次的动作比较轻柔,落地的时候稳稳当当的。只是这一次不知道怎么搞得,火箭传回的直播画面比较卡顿,丢帧,弄得观众还挺揪心的。火箭的尾部还是有明火冒出来,但是这一次周围的消防水管比较得力,没有让火势蔓延开,最后逐渐的熄灭了,这一次算是比较圆满的完成了任务。

图:SN15终于站住了,而且没有炸

但是,别忘了,这枚火箭并不是一个完全版,屁股上只有3台发动机。也没有进入环绕地球的轨道,只是飞到十几公里的地方再飞回来。真正的星舰火箭是一个远比土星5号大得多的巨型火箭,现在折腾了半天的这个星舰其实只是第二级。第一级火箭还没开始测试呢。未来的路还长着呢。

尽管星舰火箭现在还不成熟,也只是取得了第一步的成功,但是NASA已经迫不及待的和SpaceX签约,让他们为美国阿尔忒弥斯计划提供载人登月系统,这一下就捅了娄子了。

美国人为了应对世界其他国家在太空科技方面的进步,特别是我国的大幅度进步,有点着急了。国际空间站目前快到寿命了。未来在近地轨道上搞个空间站似乎没什么新意。所以,他们就把主意打到了月球上。所以,NASA的目标其实就是重返月球。当然这和国际空间站一样,也是一个国际合作项目。这钱不能美国一家来掏,地主家也没有余粮啊!

图:月球门户空间站是国际合作的产物

首先,和阿波罗登月计划如果重复的话,那就没意思了,而且也不划算。最划算的办法是在环绕月球的轨道上放一个小型空间站,不用太大,只要50吨就够了。结构比较简化,比现在的国际空间站小多了,名字就叫“月球门户”。从月球门户出发,不论是下到月球表面,还是去往其他星球,都比较划算,也是属于多方考虑的一个折中方案。

图:猎户座飞船

把人员运送到月球轨道,和月球门户空间站对接,这个任务用猎户座飞船来完成,这个飞船比当年的阿波罗飞船大多了,能运送6~7名宇航员上太空,技术上比较先进,兼顾月球和深空,这是NASA谋篇布局的一个重要技术节点。

图:SLS火箭的各种版本

猎户座飞船用SLS火箭作为发射工具,也就是太空发射系统。这个火箭比土星5号的推力还大15%,载人版本高度为98米,载货版本高度为120米。发射推力4173吨,运载能力将达到165吨,最大能运送40吨的载荷到环月轨道。

日常的送货补给,则交给SpaceX的重型猎鹰火箭。给空间站送货这事儿,他们比较熟练,不就是送快递嘛。

最重要的是从月球门户空间站到月球表面,到底用什么运输工具好呢?重复使用是必备的要求,可不能像阿波罗计划那样,一路走一路丢。3000吨重的火箭最后全扔光了,只剩下一个几吨的飞船回到地球,那不行啊。这个着陆器需要从月球轨道下到月球表面,然后再飞回月球轨道。对接月球门户,然后加完油可以再下去,再上来。这可不是一锤子买卖。

图:阿尔忒弥斯计划的LOGO

所以,太空发射系统+猎户座飞船+月球门户空间站+月球着陆器这一整套,就是所谓的“阿尔忒弥斯计划”。古希腊神话之中,这个阿尔忒弥斯是阿波罗的孪生姐姐,从这个名字,也能看出这个计划和当年阿波罗计划的关系。

不管是猎户座飞船,还是太空发射系统,早就开始研发了,只是波音洛马这些老牌的防务承包商的手脚实在是太慢了,牵扯到国际合作,那肯定又是扯不完的皮,开不完的会。眼睁睁看着我国追上来。要不是出了马斯克这么个异类,美国人还未必就能抢了先。但是,NASA作为家长,那必须是雨露均沾,人人有份,鸡蛋不能放在一个篮子里。

现在就月球着陆器还没着落,于是NASA展开了招标,有三家来竞标,一家是蓝色起源,一家航天动力公司,还有就是SpaceX,本来NASA是3取2,刷掉一家。结果等到NASA公布结果的时候,差点把蓝色起源的老板贝佐斯的鼻子给气歪了。欲知后事如何,且听下回分解。关注“科学声音”吧。

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