北京時間4月20日21時許，美國SpaceX公司研制的新型運載火箭“星艦”在美國得克薩斯州博卡奇卡的自建發射場點火起飛。火箭升空后即發現一級有多臺發動機工作不正常，升空2分30秒后火箭姿態失穩并開始旋轉，最終解體爆炸，發射宣告失敗。雖然未能完成首飛目標，但“星艦”技術指標的確刷新了航天器的運載指標紀錄，未來有望為航天發射事業提供更多可能。那么“星艦”采用了哪些新技術、新設計？這款運力強悍的運載火箭有著怎樣的應用前景呢？
“星艦”點火起飛。
“星艦”點火起飛。
(資料圖)
“星艦”首飛以爆炸解體。
刷新紀錄 任務多樣
“星艦”全箭直徑9米，高約120米，箭體材料主要采用不銹鋼。第一級被稱作“超重型助推器”，高達69米，可加注推進劑3400噸，起飛總推力達到了驚人的7590噸，是“阿波羅計劃”使用的土星5號重型火箭的2倍多。第二級實際上是特殊的飛船，高約50米，可加注推進劑1200噸，推力1500噸左右。此外，“星艦”取消了整流罩，在第二級頂部設置有類似航天飛機的可開合式載荷艙，因此具備載荷下行能力。
豎立在發射臺上的“星艦”。
為了驅動龐大的箭體，“星艦”全箭共使用了36臺海平面推力230噸的“猛禽”液氧甲烷發動機和3臺真空推力285噸的真空版“猛禽”，這也是人類首款實用化的全流量分級燃燒循環發動機。
SpaceX公司宣稱，“星艦”在兩級全回收狀態下的近地軌道運力不低于100噸。
按照原定的首飛計劃，“星艦”此次首飛不同于傳統一次性運載火箭，兩級順利分離后，其第一級像獵鷹9火箭第一級返場回收一樣，完成調頭、點火、反推等流程。不過，出于安全性考慮，此次“星艦”第一級實際上不回收，而是下落至距發射場不遠的海面上，再次啟動反推，并緩緩落海。“星艦”第二級則在繞地球飛行大半圈后再入大氣層，并以類似航天飛機的姿態返回，隔熱瓦在承受再入高溫后，保護第二級進入大氣內滑翔并最終墜海，完成驗證使命。
嚴格地說，在此次發射中，“星艦”第二級并未完全遵循繞地軌道，也無法驗證運力指標，但“星艦”想要入軌，只需第二級稍微推遲關機即可。它選擇“半圈再入”，是為了更穩妥地驗證防熱、再入等性能。
“星艦”局部隔熱瓦特寫。
“星艦”首飛堪稱2023年最受關注的航天發射活動。一是因為“星艦”刷新了重型火箭諸多紀錄，從推力、起飛重量、運力等方面全面超越了航天史上實用化的火箭型號。二是由于“星艦”設計理念非常激進，集成了多項未經驗證的新技術。此次發射若是成功，則“星艦”將成為航天史上第一款可完全重復使用的運載火箭，又是首款成功入軌的液氧甲烷火箭。可惜天不遂人愿，一二級尚未成功分離就折戟沉沙。
“星艦”的飛船與超重型助推器對接。
“星艦”的主要目標是在獵鷹系列火箭回收技術的基礎上，繼續以指數級降低發射成本，提高發射頻率，同時加速SpaceX公司的巨型低軌互聯網星座組網發射。
不過，“星艦”的任務預計將遠不止“星鏈”項目，利用快速復用發射和在軌加注設計，有望載人駛向更遙遠的深空。2021年4月，“星艦”在競標中擊敗了強勁對手，將改造為“阿爾忒彌斯計劃”的載人登月艙。此外，“星艦”還是美軍“全球快速投送”項目的目標載具，試圖將80噸載荷在1小時內投送到全球任何地方。更重要的是，“星艦”將是SpaceX公司成立以來一直宣傳的載人登火藍圖的實踐者。由此可見，“星艦”是名副其實的“重任在肩”。
以飛代試 迭代改進
SpaceX公司對“星艦”的研發幾乎是傾其所有。可以說，整個公司的命運都系于“星艦”項目的成敗之上。
自2002年SpaceX公司成立以來，馬斯克就不斷宣傳“火星夢”，變相提升了執行載人登火任務的重型火箭關注度。
“星艦”前往火星想象圖。
隨著獵鷹9火箭成功回收，SpaceX公司“羽翼漸豐”。在2016年國際宇航大會上，馬斯克首次公布了用于載人登火的“行星際運輸系統”。但因發射規模過大，技術指標過高，導致后期設計方案一變再變，火箭規格也一縮再縮。
2017年，航天運載器改名為“大獵鷹火箭”，指標初步確定為近地軌道運力100噸級，貯箱使用高強度、低密度的碳纖維復合材料。2018年，日本富豪前澤友作斥巨資買票，宣布了“繞月之旅”規劃。不過，僅5個月后，SpaceX公司再次推翻了設計方案，將貯箱材料改為當前火箭型號上少有的低成本商用級不銹鋼，并正式更名為“星艦”。
不銹鋼方案敲定后，“星艦”研發正式駛入快車道。2018年底，“星艦”原理樣機“星跳者”曝光，試飛高度僅有數十米。從此，SpaceX公司沿用“快速迭代”和“以飛代試”模式，建造了大量“星艦”原型箭，并開展各種試驗。總體來看，相關項目推進迅速，但也代價高昂，僅在10公里亞軌道試飛階段就遭遇了重大挫折，連續4次試飛爆炸，直到原型箭SN15才首次成功著陸。至于其他原因導致炸掉或報廢的各類試驗品、原型箭，更是數不勝數，就連理論上可以發射的SN20與B4組合體都因為設計快速迭代而廢棄。
“星艦”靜態點火測試。
不過，“星艦”項目團隊堅持采用長期被忽視的液氧甲烷推進劑，這是為什么呢？
首先是液氧甲烷的推進效率高，推進劑的理論比沖高達390秒，僅次于液氫液氧推進劑。第二個主要因素是液氧甲烷推進劑燃燒無積碳，點火機構設計更容易，便于發動機回收復用。第三，甲烷的比熱容較高，綜合冷卻性能達到煤油的3倍以上。第四，甲烷與液氧的沸點相差不到20攝氏度，貯箱間的隔熱需求大幅下降，可以更方便地引入共底設計，減輕結構重量。
除了以上4點外，還要考慮到甲烷成本低廉，目前主要由天然氣提純獲取，相比液氫，堪稱“白菜價”。尤其是對于“星艦”這種需要加注數千噸推進劑的重型火箭來說，液氧甲烷推進劑的省錢效應可謂“立竿見影”。
挑戰艱巨 任重道遠
代價高昂的迭代研發策略加速了“星艦”的進度，但由于引入了大量仍需驗證的新技術，導致其首飛日期仍不斷推遲，此次首飛最早就原定于去年進行，增大了“星艦”未來面臨的挑戰。
“星艦”進度拖延不僅耽誤了第二代“星鏈”衛星的組網進度，還拖累了美國“重返月球”大業。傳統上，成功首飛入軌對于新型火箭算是“大功告成”，但對“星艦”來說即使首飛成功也只是萬里長征第一步，其后服役、改進歷程仍將是道阻且長。
獵鷹9火箭末子級攝像機拍攝的火箭與第二代“迷你版”星鏈衛星在太空即將分離的照片。
為達成預期目標，“星艦”后續仍需大量試飛、改進，首先要攻克的難關就是兩級分別被精確地捕獲、回收。接下來，針對載人任務，“星艦”團隊必須積累足夠的可靠性數據，增設必要的維生和逃逸設備，定型載人版“星艦”。
為執行深空任務，滿足在軌加注需求，團隊需要設計專門貯存和轉運低溫推進劑的在軌加注版“星艦”。而為了兌現給美國宇航局的合同承諾，團隊要打造精簡掉所有大氣層再入設備的登月版“星艦”。以上構型想要成真，最關鍵的前提是實現“星艦”的廉價化、快速制備和可靠的重復使用。可以說，這是“星艦”項目的最終挑戰，也是其不斷迭代的終極目的。
最后，SpaceX公司還需要打造載人登火版“星艦”。它將驗證原位資源利用技術，即不攜帶返程推進劑，“輕裝”著陸火星表面，然后就地取材，通過薩巴蒂爾反應制取返程推進劑。結合在軌加注低溫推進劑技術，載人登火版“星艦”有望將單次向火星表面投送載荷質量從1噸級提升至100噸級。
“星艦”登陸火星想象圖。
總體來看，“星艦”完全回收、快速復用的設計理念對其他火箭型號發展起到了積極的示范和促進作用，但隨著“星艦”后續進入軌道級發射階段，大量創新理念和設計有待落地，各項飛行試驗的成本也將以指數級上升，這是“星艦”融合了過多新技術的必然代價。
而這次首飛失敗正是這種代價的集中體現，尤其是單芯級多發并聯技術這項堪稱運載火箭“魔咒”的挑戰，SpaceX公司必須要跨過去。
根據SpaceX公司的一貫風格，公司絕不會止步于此次挫折，公司事前就已預料到首飛的巨大風險，而后續的試飛“星艦”已經在廠房內總裝。這種愈炸愈勇的風格或許正是SpaceX公司能在20年間迅速崛起的原因之一，同時也警示人們航天創新永遠是機遇與風險并存。“星艦”的未來道阻且長，其激進的設計思路能否使其實現目標，基于“星艦”的登月艙能否讓航天員安全往返月面和出發站，“星艦”能否幫助仍在虧損的“星鏈”項目渡過難關，“星艦”又能否促進“火星夢”成真，這一切都有待時間去驗證。
（來源：中國航天報微信公號）
【編輯：金鑫】
【來源：中國航天報微信公號】
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