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。
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。
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。