星舰爆炸之后,首飞到底算成功还是失败?10个角度的深度分析来了

2023-04-23 星期日

SpaceX星舰在4月20日晚上的首飞,以爆炸告终,人类有史以来最大的火箭,上演了一场昂贵的烟花秀,这无疑是一场失败。但无论是直播现场不断响起的掌声,还是事后网络上“人间清醒”的留言,仿佛间又让人觉得它成功了。一个再清楚不过的简单事实,在这一刻似乎变得难以判断了,那么SpaceX星舰到底是失败了,还是成功了,或者是绝大部分成功呢?今天咱们写篇长文,从10个方面分析一下,先说成功的4点。

一、发射台虽然没炸,但也损伤了

很多人坚持认为星舰首飞成功了,主要是因为马斯克此前说过一句话:“只要发射台没炸,就是成功”,但实际上,自从星舰赢得美国重返月球“阿尔忒弥斯计划”的落月飞船项目之后,他就不敢再这么说了。而且从事后的情况来看,星舰的发射台的确还在,但情况也好不到哪里去,火箭点火时炙热的尾焰和恐怖的激波,不但把发射台上各种金属附件吹了个干干净净,甚至连地面都被轰了一个巨大的冲击坑,远处的不少建筑和设备也遭了殃,看来下一次SpaceX只能继“不锈钢发汗”技术之后,再食言一次,重新挖个导流槽了。

点火之后的星舰发射台,基本上成光杆司令了,地面上有巨大的冲击坑

旁边的星虫原型机被打瘪

当然,发射台底座的确还在,发射塔和“机械哥斯拉”回收臂看起来也都没有问题,但以这个状态,“星舰”的复用,特别是再次快速发射暂时是不可能的。马斯克原先说“星舰”在回收之后,几个小时内就可以重新被竖在发射台上,但现在看,几个小时可能连上一次发射狼藉的现场都收拾不干净。

发射台点火前后对比

二、星舰冲过了MaxQ最大动压点,这的确是成功!

这回星舰的首飞,很多人都听说了一个专业词汇:MaxQ,也就是最大动压点,到底是啥意思?其实它是火箭在升空过程中,两个动压力的变化对比,一个是火箭越飞越快,由于速度增加引起的动压力变化;另一个则是火箭越飞越高,由于空气密度减小而引起的动压力变化。两者作用在火箭上,会导致相反的动能也不断增加,到达一个极值后,此时的火箭受力状态最复杂,发生事故的概率也是最大的。

这是箭体承受最大机械应力的点,冲不过,火箭有可能会解体爆炸;但只要冲过最大动压点,随着空气密度的降低,作用在火箭上的动压会逐渐降低,最终在空气密度变为零时,动压也会达到零,这时候火箭就安全多了,通俗来说有点像客机过了起飞和降落阶段。而在星舰发射之前,很多人猜测它可能在冲击最大动压点的时候就会失败,没想到竟然顺利过关了,就这一点来说,是毫无争议的成功。

三、在空中三圈半大回旋,还没解体,结构强度十分了得

如果要问此次星舰首飞,除了爆炸之外,还有什么画面是最震感的?估计很多人会异口同声地说是星舰在空中转了三圈半。确实,一枚巨型火箭在空中三圈半大回旋,星舰化身史上最大布朗弹,的确让人大开眼界。而更重要的,是它三圈半大回旋之后,还没解体,最后还是遥控引爆,由此可见结构强度确实十分了得。

要知道星舰首发箭的起飞重量达到5000吨,起飞推力超过6200吨,虽然回旋时已经消耗了大部分的推进剂,重量大为减轻,但依然是个庞然大物,相当于一艘驱逐舰在空中漂移。如此大的重量,在最大速度599米/秒的超音速飞行条件下,不断转圈,还能保持结构完整,真的是非常厉害了。

说实在话,在以往的测试中,大家最担心的就是星舰的结构,不锈钢制作的薄壳,看起来十分脆弱。在今年1月24日的湿彩排中,星舰的外壳还曾经有几处瘪了,没想到结构竟然如此坚固,甚至有人怀疑强度过剩,如果不回收的话,还有巨大的干质比提升空间。

此前测试星舰瘪过几次

四、猛禽二代发动机在空中可以重启、多次点火

星舰首飞,一级“超重”B7总共采用了33台“猛禽”二代液氧甲烷发动机,其中外圈20台是固定的,内圈13台是带矢量推力的,喷口可以转动。而在发射过程中,虽然不断有发动机熄火,但是也看到了它在空中重启,多次点火的画面,试图挽救危局,虽然对于复用火箭来说,这是最基础的门槛,但对于普通的运载火箭来说,却是可望不可及的操作。

另外,而无论是刚点火时的漂移,还是部分发动机熄火之后的补救,以及三圈半大回旋时的努力挣扎,都可以看出星舰优秀的姿态控制能力,此前“猎鹰”系列火箭180多次的成功回收,锤炼出来的能力,真不是盖的。而通过尽量延长挣扎时间,SpaceX的确收集到了一部分十分宝贵的数据,有一些极限数据,还是可遇不可求的。

星舰爆炸瞬间

说了半天,难道星舰首飞真的成功了,别急,接下来是6点失败之处。

五、失败之一:发动机接二连三熄火,像N1火箭一样多发并联是否靠谱?

星舰首飞,先后有多台发动机熄火,这是造成失败的最主要原因,一开始大家说是5台,但经过事后仔细分析,发现先后共有6台发动机罢工,还有2台出现事故症候,这是非常大的问题了,让人不能不对星舰走的多发并联的道路开始有所怀疑。

6台发动机已熄火

并非只有5台

以往苏联N1火箭爆炸,乃至载人登月的失败,就是因为堆了太多的发动机。而到了星舰,一开始大家以为有了现代微电子技术的加持,情况会好一些,但如今看来,可能未必,后面还有很长的路要走。要是第二枚星舰也试飞失败,估计美国重返月球计划不但要再次推迟,甚至下马,而且对我们刚刚改为多发并联光杆设计的长征九号,都会有影响。

星舰刚刚离开发射台瞬间

这个看得比较清楚了

六、失败之二:没有导流槽,激波反弹可能是造成3台发动机一起飞就熄火的原因

咱们又回到发射台了哈,此次星舰首飞,有3台发动机刚点火就罢工了,有人怀疑可能与发射台没有导流槽有关。从发射的画面可以看的,星舰刚点火的时候,现场可谓是“飞沙走石”,连一旁的推进剂贮存罐、“星虫”原型机和车辆都被打瘪了,发射台下甚至出现了一个巨大的冲击坑。更有甚至,连10多公里远的笔记本电脑上,都落满了灰尘。

旁边的贮存罐被打瘪

10多公里外的电脑上都落了一层灰

而让现场狼藉一片的主要原因,并非喷水不足导致温度过高,而是没有导流槽,无法疏导火箭尾焰和激波。不要小看超过6200吨起飞推力产生的激波,它反弹回来,有可能直接打坏发动机,特别是夹杂着冲击坑里的大量石块,威力更是十分巨大,估计下一次,马斯克还是要老老实实地去挖导流槽了,就像上一次他老老实实贴回隔热瓦一样。

这要是打到了人,就挂了

七、失败之三:隔热瓦脱落

说到隔热瓦,有星舰二级空中飞行角度的新画面曝光,箭体表面敷设的隔热瓦,最少有四处脱落。说实在话,这一点都不意外,此前星舰二级的静态点火测试中,曾经多次出现隔热瓦脱落的情况,首飞的脱落数量甚至可能比预想中的还要好一些。

隔热瓦至少有4处脱落

很多人觉得星舰采用不锈钢制造,隔热瓦脱落就脱落了,不是什么大问题。实际上,大错特错,马斯克原先鼓吹的“不锈钢发汗”技术并不靠谱,不然也不会如此费力地给星舰贴上隔热瓦,费钱费力不说,还减少了有效载荷,他如此“抠门”的人,为了节省成本,二手“猎鹰”9连油漆都不重新涂刷,怎么可能干这种可有可无的事情?

星舰二级拍摄的画面

而有了隔热瓦之后,再脱落几块,高温烧蚀情况可能会比没有隔热瓦更严重,因为它会沿着露出的缝隙往里侵蚀,当年“哥伦比亚”号航天飞机爆炸的教训其实并不远。可以肯定地说,这次首飞即便没有发动机问题,星舰二级也不可能成功返回大气层,没有侥幸,所以后面隔热瓦的敷设,如何保证不脱落,还是个大问题。

此前的测试中,隔热瓦脱落就是个大问题

八、失败之四:星舰一、二级分离失败

星舰首飞失败,很多人说主要原因是火箭一、二级分离出现故障,实际上,搞错因果关系了。事实上先是发动机接二连三熄火,导致火箭姿态控制出现问题,无法挽救,SpaceX才决定冒死一试,让一、二级提前分离,希望通过火箭二级的接力冲刺,达到入轨的目标,如果成了,还真可以说绝大部分成功。

实际上是准备提前分离

要知道,星舰此次首飞,最高才飞到39公里多一点,远远不到一二级分离的高度,这就是“死马当成活马医”,但是非常可惜,没有成功。当然,这并不一定代表星舰一、二级分离的原始设计就有问题,更大的可能性是因为当时火箭已经失控了,姿态处于剧烈变化当中,分离点火不成功也是很自然的事情。

在这种失控状态下分离不成功很正常

九、失败之五:液氧和甲烷两种推进剂的配比问题

细心的网友在收看直播时,通过画面底部的实时UI发现星舰的一级液氧几乎空了,但甲烷还剩下很多,按道理来说,它们的消耗量应该时同步的,不知道是燃料管理系统出问题了,还是液氧燃料箱漏了,或者干脆说只是简单的UI显示故障?

这个问题目前还没有看到更多详细的答案,但星舰起飞前,箭体不断往外冒“冷气”,这个情况也引起了很多人的好奇。火箭发射前往外冒“冷气”,这不稀奇,但一般是少量的低温液体推进剂被气化,可星舰这次冒出的量也太多了,原因是它无法保证推进剂不泄漏,转而采用了比较“粗暴”的处理方式,一边漏一边补,总体保持一定的加注量就可以了,但发射几分钟之后,液氧就差不多漏光了,可能吗?

飞起来之后还在大量地漏

十、失败之六:星舰可能暂时无法实现低廉的发射成本

此次发射,很多人言必称马斯克损失了30亿美元,但实际上这30亿美元,包括星舰的研发成本和发射台等地面设施的建造费用,真正的发射费用大概是5到6亿美元,从之前SpaceX购买5亿美元额度的保险,以及约4800万美元的发射台保险,可见一斑。

但即便是5亿美元的发射费用,相比马斯克宣称的每公斤10美元的发射成本还有很远的距离。要知道,“猎鹰”9此前的发射报价为6200万美元,最大载荷为22.8吨,平均每千克的发射价格为2720美元。即便2022年随着氦气等原材料价格的飙升,SpaceX不得不提价,“猎鹰”9的发射报价也只有6700万美元,而“重型猎鹰”也不过才9700万美元,星舰可谓是相当昂贵了,也许将来它的确能够不断降低成本,但那是将来的事情。

总而言之,星舰的首飞虽然有成功的地方,但总体而言,毫无疑问是失败的,而且它的问题还有很多,有的则相当麻烦,要想刷新史上最大火箭的纪录并不容易。但如果我们这么看,是不是就好多了?4月17日晚上星舰第一次尝试试飞,相当于一次湿彩排,而4月20日晚上的首飞,则相当于进行了一次不回收的亚轨道测试,虽然这次亚轨道测试代价太高了,但相比SLS登月火箭还是要便宜得多。

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