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全球前首富、科技狂人马斯克,他创办的SpaceX太空探索公司,再一次吸引了全球科技爱好者的目光。
如果不是专注于航天科技的人,会感觉到匪夷所思。
美国、中国,每年都要通过运载火箭,往太空发射卫星,尤其是在太空有空间站的美中俄三国。
为什么星舰的发射会如此关键,以至于在美国的热度仅次于再次登月计划了?
尤其是SpaceX公司,为了组建星链Starlink,已经往太空发射和部署了几千颗通讯卫星。
那么,星舰的发射,有何不同、特殊之处呢?
要回答这个问题,我们首先要回顾一下,马斯克进入太空探索领域的动机是什么。
他曾经说过:地球,是人类的摇篮;但是人类终归要走出摇篮。
他的目标,并不是将人类带到月球,而是带到火星上,开辟人类的第二家园。
而要实现这个宏伟的目标,仅仅依靠现在美国国家宇航局NASA、中国航天、欧洲航天的传统方案,是完全行不通的。
因为,人类探索太空的历程到现在为止也就是发射卫星、搞搞国际空间站、偶尔派遣探测器上月球和火星上采一点样品,刚把人送到空间站就要考虑怎么把人送回来的难题。
假如人类继续在这套路径上探索下去,别说去火星建立基地了,连实现普通人去月球旅行的梦想都遥不可及,怎么打开扩大和征服多星球的新纪元呢?
如果能够找到一种成本最低的方式,一次向外太空输送最大质量的有效载荷和人数,十来天就可以往返月球一次,不但可以建起一个月球基地,接力式不间断地派人和物资前往火星,也不再是难事。
因为,要远征火星,建立移民基地,在一次发射、远征任务中:
承载的宇航员人数绝对不能是3-5个,而是几十个,甚至上百个宇航员,涵盖各种专家和工种,组成一个密切配合的团队;
一次携带的物资,不能经由空间站进行中继、打包,而必须一次承载上百吨的物资,和人员共同出发。
要同时实现这2个目标,并且多轮次、不间断地进行,依靠当前各国官方申请财政预算的方式举国之力,只面向少数精英人群来往地球和太空的方式,不仅耗费巨大,而是旷日持久,根本不可能实现。
所以,从SpaceX公司成立的一天开始,马斯克定下的目标就是:成本最低、运载量大。
经过多年的技术攻关和测试,SpaceX公司已经掌握了火箭回收着陆技术,让一枚火箭发射完毕之后,重复利用8次以上,将新建一枚火箭6000万美元的价格,打到重复利用多次就摊销的成本50万美元。
然而,只是将火箭的成本打下来,还远远不够,因为有效载荷不够,大推力发动机过于昂贵。
这次星舰Starship的设计和发射任务,一要解决传统太空发射时有效载荷不够的问题,二要测试全新的发动机方案,将成本降低下来。
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所以,星舰被设计成:高度120米、最大载荷150吨、可搭乘100名人类乘客。
光看数字,无法感性认识星舰的传奇之处。
假如和我国曾经发射过的最大载荷火箭长征5号B相比,星舰150吨的设计载荷,是它近地最大载荷25吨的6倍。
哪怕同样和SpaceX曾经发射过的猎鹰重型火箭相比,无论是和70米的高度相比,还是和63.8吨的有效载荷相比,星舰都堪称前所未有。
回顾,实现150吨的目标载荷、一次搭乘100个宇航员的设想,在人类历史上并不是没有过。
然而,这种想法刚一出炉,就被科学家们给否定了。
因为,人类到目前为止,还无法研制出来单一的大推力发动机。
其实,远在冷战时期的前苏联,处于军备竞赛高潮期的苏联航天部门,就曾经设想过,不研制大推力发动机,而是采用多台发动机并联的方式,共同推动大载荷的火箭升空。
苏联时期的N1火箭,曾经采用了30台发动机并联的方案,其优势在于单一发动机的方案是成熟的、成本低廉的,但是缺点就在于,多台发动机点火后共同工作,产生共振容易导致发动机熄火,从而推力分布不均匀,使得火箭姿态摇摆,最终翻转、坠落。
苏联曾经试射4次,4次都失败了。
第1次和星舰这次一模一样,升空后才出事,不能算是失败。但是第2次就是真正的失败了,因为把发射台给炸了,重建成本极其高昂。
星舰为了实现大推力,安装了33台发动机,这个数量前所未有,比苏联的N1火箭还多出了3台。
诚然,SpaceX在之前的猎鹰9号火箭上也采用了多发动机设计,但毕竟只有9台;重型猎鹰火箭虽然有27台发动机,但它的结构相当于3个猎鹰9一级并联,和星舰把全部发动机塞进一个子级的设计相比,难度也无法比肩。
密集的发动机带来极其复杂的振动、热防护、控制难题。
发动机越多,越容易出故障。
哪怕一台发动机的无故障率在95%,要确保33台发动机不出故障的概率,就降低到18.4%了。
如果每一台发动机无故障率在90%,那么33台发动机不出故障的概率,就降低到3.1%,也就是大概率会出问题。
要想将整体故障概率降低,除了要降低每一台发动机的故障率,还要降低不同发动机之间共振引发熄火的可能性,更重要的是保证某几台发动机熄火之后,火箭姿态的调整。
为了继续降低成本和发动机的压力,星舰破天荒地放弃了国际航天界公认最合适的碳纤维材料,居然采用了没人敢相信的不锈钢材料!
原因无他,唯便宜尔。
碳纤维材料,硬度合适、隔热、质量轻,但就是太贵了,一公斤的成本价就要100多美元。
304不锈钢材料,1公斤只要几美元。
但是,不锈钢密度太大,质量太重,怎么办?
33台第二代猛禽发动机并联起来,就是解决大载荷问题而生的解决方案。
另外,星舰的推进剂是液氧、液化天然气,和不锈钢材料一样,都是市面上能直接买到的民用材料。
如果这样的方案可以施行的话,一次发射的成本低至200万美元,那么面向普通人的商用太空旅行,就触手可及了。
只有让航天事业告别曲高和寡的身份,变得白菜化、平民化、商业化,让全民参与进来,让资本有用武之地,航天事业才能自我造血,不仅让SpaceX距离飞向月球、火星的梦想更进一步,还能让整个太空探索事业可持续发展。
星舰,不再是以往我们所知的火箭,这是划时代的里程碑。
这次试飞仅仅是里程碑奠基的第一铲土。
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对于如此大的创新,SpaceX团队焉能不知前无古人的征程,一定会出现各种意外和挫折?
虽然到目前为止,星舰的整体项目花费了30亿美元,但是大部分成本依然花在了工程师团队的人力开支上。
马斯克的项目逻辑是,人力成本比火箭材料值钱:与其让一大群科学家工作很多年,追求试飞前的完美,不如舍弃完美,浪费一些火箭来获得更多有效数据,这样可以节省时间。
这是不是互联网、电子产品行业盛行的产品迭代思维?他在特斯拉上使过一回,如今要在星舰上将迭代思维进行到底了。
只要本次发射能够完成:发射塔不损坏、收集升空后发动机数据的目标,发射就完成了既定目标。
在脱离发射塔往上升空的过程中,每一步都是超越预期,好上加好。
我们来观摩下星舰发射、升空的全过程,请仔细聆听SpaceX控制大厅里,震耳欲聋的高呼、庆祝之声。
非常遗憾的是,33台发动机中,有5台发动机,没有成功启动。
飞行姿态出现明显问题是在发射后2分40秒,控制台多次尝试修复箭体的姿态,但是依然翻转、坠落,并且在发射后的3分59秒,爆炸了。
爆炸高度在海平面39公里处,没有完成一级火箭分离。
如果一个吃瓜群众,对星舰身上带有的突破性的试验任务不知一二,仅仅是把星舰的发射,当作美国NASA的一次普通的火箭发射,那么是无法理解SpaceX发射控制大厅里,那此起彼伏、一浪高过一浪的振臂高呼的声浪的。
看上去似乎不可思议。
放了人类历史上最昂贵的一次烟花,怎么还有心情笑?
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原因无他,发射过程不仅实现了预设的任务目标,并且大超预期!
在发射之前,马斯克曾经和团队的人评估过,认为成功飞离发射架、不损伤发射架的概率只有50%。
只要升空,就是成功。
如果还能够在有多台发动机熄火的情况下,不像前苏联N1火箭那样关闭其余发动机来实现推力平衡,而是通过协同调整每台发动机的推力大小,保持一段时间内火箭的正常飞行姿态,那就是更大的成功了。
指挥控制大厅里的欢呼声,就是因为星舰的本次发射,超越了预期太多。
首先,发射架虽然遭受冲击,但是基本没有损坏,很快在维修之后就能再次投入使用。
其次,点火之后,33个发动机,只有6台熄火,其中1台被重启成功,在没有主动关闭任何1台的情况下,通过调整控制任何1台发动机的推力大小,使得火箭升空稳定飞行了2分40秒。
第三,升空70秒时,星舰顺利通过了十几公里高度处的最大动压点(Max Q)。
第四,在2分钟时,飞船和火箭进入分离阶段,一直都没有出错。因为一旦分离成功,依靠SpaceX独家掌握的火箭回收计划,星舰就可以飞回到发射场,得到再次利用。
唯一遗憾的是,在旋转分离阶段,星舰的姿态出现了较大偏离,已经超过了指挥控制大厅里能够程序调整的范围。
但是不要紧,因为在3分59秒的全过程中,关于任何33台发动机的数据、星舰姿态、调整效果的数据,全部传回了地面,完整完成了一次迭代测试的目标。
这个大家伙研制出来,送上发射台,并采用廉价液体燃料,以7590吨推力发射上天,飞到39公里高度,传回各种数据,已经成功一半,为将来的低成本、高推力、大运力飞行器奠定了基础。
于是,我们就不难理解,不仅是马斯克本人,对SpaceX团队表达了祝贺,连美国NASA官方也向这次发射的团队表达了祝贺和感谢。
虽然星舰项目迄今为止的开支是33亿美元,但是损失的33台发动机、星舰箭体本身的材料和研制费用很低。
SpaceX团队已经在为下一次发射做准备了,最快1个月之内,最慢在4个月内。
我们相信,以SpaceX团队的投入和耐心,下一次的发射,会比这次走得更远。
我们可以畅想一下,如果星舰成功实现了低成本、高载荷,凭借它惊人的运力,人类已有的空间站,都将成为历史,我们可以直奔月球和火星了。
星舰空中解体的新闻传播开来,有人认为它就是一场失败,有人认为指挥大厅里的欢呼声是在庆祝最昂贵的烟花秀。
我们能够见识到,马斯克这样的人,是这代人的福音。
当初决意搞电动车时,最不缺的就是外界嘲笑、华尔街的做空势力;
当初搞猎鹰火箭回收技术时,也有人嘲笑,火箭用完就完了呗回收做什么;
大手笔编织星链Starlink时,也有人嘲笑,好好的互联网不用却往天上发射几千颗卫星;
如今,不走寻常路,势必要将航天商用化、廉价化的星舰,升空后被解体了,他收获外界的又是不解和嘲笑。
可笑到最后的是谁?
特斯拉、星链,已经改变了人类的生活方式。
猎鹰九号的火箭回收技术,成功率已达到民航级,直接将火箭发射的成本,降低到原来的千分之一。
他颠覆了汽车行业,颠覆了航天市场,颠覆了互联网。
他早期投资的OpenAI团队孵化出来的ChatGPT,颠覆了人类大脑。
无论是哪个国家的、承担什么使命的传统火箭发射,已经没人看了。
就连SpaceX的猎鹰9号的回收奇迹,由于成功率太高也没人看了。
但是,这次星舰发射,却牵动了全球各个角落里那么多人关心、吸引美国当地那么多人前去现场观看,说明相当多的人都清楚,这绝对不是一般的火箭发射。
这是人类的新起点。
因为人们在发射前,无数次设想过,星舰的发射如同猎鹰9号试射一样在发射台上多次来不及升空就爆炸的场景。
所以,当星舰缓缓升上天空时,无数的人,包括指挥控制大厅里的人,眼睛湿润了。
对于这样一个初出襁褓、蹒跚学步的小孩,能往上升空到39公里,已然是奇迹了。
至于任务完成后的烟花?
他每放一次烟花,人类就距离星辰大海更近一步。
写在最后:
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