第一代“星舰”谢幕，换代再迎挑战

企业 2024-11-20 18:38 北京

北京时间11月19日6时，美国SpaceX公司进行了“星舰”第六次试验性发射，也是第一代“星舰”（V1版）最后一次试飞。出于安全考虑，本次“星舰”第一级未使用“筷子”回收，而是受控坠海。经过调整的“星舰”第二级完成发动机太空点火试验后，通过了再入大气层的考验，精准降落在印度洋预定海域。明年，预计第二代“星舰”（V2版）将投入更加密集的试飞，克服更高难度的挑战，努力达到实用化标准。

承上启下试验关键

本次试射的“星舰”第一级编号为B13，第二级编号为S31，试飞流程与上次相似：第一级飞回发射台，由系统判断是否由“筷子”回收；第二级进行跨大气层亚轨道飞行，终结于印度洋预定海域。不过，为了更好地对第二级再入大气层、调姿、反推、溅落等进行光学观测，SpaceX公司特意调整了“星舰”发射时间，确保第二级在这个过程中处于白天。】

“星舰”第六飞初期一切正常

本次试飞中，“星舰”第一级并未由发射塔上长20米的“筷子”捕获机构回收，这是遵循安全策略的结果：系统不断检查发射台和火箭状态，如果确认状态良好，第一级就会接到指令，飞往发射台并悬停，“筷子”闭合并精确地钩住箭体挂点；否则，为了防止回收失败甚至炸毁发射台，第一级会受控调整姿态落海，或者坠毁在发射台附近的空地上。

此外，针对上次“星舰”第一级暴露的部分薄弱结构，这次进行了局部补强。原本“星舰”第一级还规划回收后加速泄放残余推进剂，以便尽快重新吊装回发射台，提高周转效率，这项改进只能等待将来回收验证。

在试验项目方面，这次“星舰”不仅是“承上”，更是“启下”，实施了在第三次试飞中临时取消的发动机太空点火试验，为将来第二代“星舰”尝试入轨打下了基础。随着第二级1台发动机太空点火试验成功，证明“星舰”具备入轨后可靠离轨的能力，消除了外界此前担忧。

事实上，运载火箭末级或上面级在轨点火，面临推进剂管理难题，由此导致发射失败的例子屡见不鲜。这是因为发动机在太空中关机后，火箭末级或上面级滑行期间，推进剂处于失重飘荡状态，残余推进剂随机分布在贮箱中，如何抑制低温推进剂沸腾和蒸发损耗，如何确保推进剂可靠地沉底，以防发动机异常吸入情况，如何进行完善的管路吹除和预冷作业，均是发动机太空点火所面临的关键挑战。

因此，“星舰”第六次试飞成功实施发动机太空点火，有助于后续安全地入轨部署载荷。而且，基于“星舰”第二级研制的载人登月舱计划多次在轨加注推进剂后奔月，实施有动力落月和月面起飞，离不开可靠的发动机太空点火工作。

防热修改挑战极限

有趣的是，“星舰”迭代完善并不全是针对弱点的“补强”和“做加法”，基于此前第二级3次再入大气层所积累的经验，这次开始“做减法”。比如，“星舰”第二级迎风面边缘的热环境不像仿真研究估测得那么恶劣，因此两侧5排隔热瓦被拆除，仅靠不锈钢贮箱壁“硬扛”高温。未来，这些位置可能会设置第二级的回收捕获挂点。

“星舰”第二级通过了再入大气层的考验

要知道，不锈钢的高温性能并不稳定。以304不锈钢为例，温度超过700摄氏度后，抗拉强度和屈服强度会迅速下降。如果没有隔热瓦保护，不锈钢贮箱很可能发生结构解体。在“星舰”第五次试飞中，第一级在局部使用铝制隔热瓦代替普通隔热瓦。铝的熔点约为660摄氏度，恰好接近引发不锈钢强度大幅降低的温度，难怪SpaceX公司这次敢于拆除隔热瓦。

“星舰”第二级虽然采用了约18000块六角形隔热瓦，表面温度最高达到1400摄氏度左右，而且热量分布不均，但维护成本仍然远远低于航天飞机。因为航天飞机采用多种异形隔热瓦，敷设和更换很不方便，而“星舰”第二级除翼面转角、头锥等少数部位外，采用了尺寸统一的六角形隔热瓦，每片设有3个固定点，减轻了生产和维护压力。第二代“星舰”还采用机械臂敷设部分隔热瓦，进一步降低工作量。

在此前试飞中，“星舰”第二级的隔热瓦虽然总体上耐受住再入大气层的考验，但难免出现脱落、破碎，尤其是翼面转轴处需要改进。在第六次试飞前，SpaceX公司对这枚第二级的热防护系统进行了全面返工，换用新一代隔热瓦、备用烧蚀层，并对翼面转轴处的防热和密封进行了额外补强。从实际情况来看，这些改进措施基本上是有效的，但能否实现预想中的免维护再次发射，还要等到第二代“星舰”换用新型翼面并实现回收后全面评估。

除了拆除部分隔热瓦外，“星舰”第二级还有其他挑战极限、充分“挖掘”性能潜力的表现。比如，最后第二级刻意以更高迎角飞行，主要目标是检验翼面的姿态控制极限性能，获得再入和着陆阶段的更大飞行包线。

激进升级难度不减

经过这次承上启下的第一代“星舰”最终试飞，第一级回收方案验证了更多情况。而第二级防热系统“做减法”，表明SpaceX公司正在逐步摸索基于不锈钢贮箱的最佳热防护方案。综合6次试飞的各项进展，“星舰”研发已取得了阶段性成果。不过，“星舰”想要完成SpaceX公司的宏伟愿景，仍需持续迭代升级。

“星舰”第二级精准溅落印度洋预定海域

下一次试射将是第二代“星舰”首飞，其第二级正在开展一系列测试，多处设计改动陆续曝光，预计需要较长的时间进行发射前准备。

首先，第二级的前翼面进行了调整，体积更小，位置更靠前且明显向背风面移动，以便再入大气层过程中“躲”在箭体背风面，降低热流峰值，防止出现“星舰”第四次试飞中热量积聚、烧穿翼面的情况。

其次，第二级整体稍有拉长，换来了更大的推进剂贮箱，但载荷空间会缩小。不过，考虑到“星舰”短期内不会发射超大单体载荷，科研人员更紧迫的任务是合理分配级间比，有效提升运力水平。

再者，第二级换用了新一代隔热瓦和热防护系统，而且隔热瓦分布方案根据再入大气层经验反馈进行了优化。

而第二代“星舰”第一级最大的变化应该是将发动机从33台增加到35台，预计内圈发动机排列会更加“拥挤”。另外，级间段也会有大变化，热分离结构将完成与第一级集成化设计制造，不再是第一代“星舰”的可拆式结构。

不过，第二代“星舰”第一级尚未曝光实物，不排除仍在进行细节调整。至于计划大量应用新一代发动机、起飞质量或许会突破万吨的第三代“星舰”（V3版），服役尚需时日。

明年，“星舰”有可能正式迈向实用化，但仍需克服诸多挑战。

其一，第二代“星舰”需要通过试飞来验证上述改进措施是否妥当，更要尽快测试两枚第二级在轨对接、大规模转移推进剂。“星舰”想要完成载人登月乃至载人登火任务，必须大量频繁发射，及时为第二级补充推进剂，可以说是必须突破的技术难关。

其二，为了全面提升发射频率，“星舰”需要更多的发射台支持交替发射，缩短发射周转流程。目前，第二座“星舰”发射台即将竣工，但SpaceX公司似乎仍在修改设计，目前运转良好的水冷钢板降温降噪设施会被更接近传统的水冷导流槽替代。

其三，抛开更吸引大众关注的深空任务不谈，“星舰”最重要的核心任务是尽快投送有效载荷入轨，特别是部署性能更强的完整版第二代星链卫星，应对逐渐逼近的早期星链卫星“退役潮”，之后第二级调头进行离轨点火，再入大气层，实现高效回收复用。

面对“星舰”实用化之前的繁重工作，SpaceX公司高管近期表态非常自信，宣称明年“星舰”计划飞行25次，耗时6个月就有望回收第二级，甚至未来4年可能发射“星舰”400次。届时，“星舰”能否打破更多航天纪录，是否会在前进中迎来竞争者，外界不妨拭目以待。

来源/中国航天报

编辑/穆檀

审核/曹亚君

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