前几天,美国太空探索科技公司的星舰进行第二次试飞,挑战在3分钟内完成推进器分离,并在240公里高空绕行地球轨道近一周,进入大气层后再于夏威夷附近溅落,全程预估1.5小时。

火箭由两部分组成,一子级是“超级重型”助推器,高约69米,配备33台“猛禽”发动机;顶部是飞船,高约50米,上下两级都被设计成可以重复利用。

试验结果大家也都知道了,由于超重型推进器在抵达太空后爆炸,仍继续飞行的太空船升空约11分半后,确认完全失去讯号,并未完成原订任务。太空探索科技公司被迫炸毁星舰,以免偏离航线。

虽然失败,但星舰配33台“猛禽”全亮是奇迹,中国有希望赶超吗?

关于这次发射是成功还是失败了,网上有多种说法。其实,火箭发射失败了就是失败了,不需要找任何理由。作为一种完全可重复使用的运载火箭,一子级火箭的回收也是非常重要的,但是最终在空中放了烟花。

这次试飞验证了星舰一级火箭的飞行,也就是在分离前一直正常工作,但是在分离后重复点火后发生爆炸。顶部的飞船在11分钟后失联,当然也是失败了。

星舰的确正在接近成功,而且这些经验都是中国未来可以借鉴的。这次最大的进步是几个:

一、采用高温分离系统,也就是一级发动机和飞船之间采用热分离。热分离,是指上面一级飞行器依靠自已的火箭发动机喷出的高温燃气流把后面一级火箭推开,需要在连接解解锁之前就点火。这项技术并不新鲜,但是如果你想要一级火箭还重复使用,那么就有可能出现一系列技术挑战。

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二、推力矢量控制系统,也就是能让33台发动机同时点火的技术。这个翻译出来有多种名词,应该是这次发射最重要技术突破。过去,业界往往认为同时让33台发动机工作非常困难,因为面临着相互干扰而引发的共震等复杂问题。

三、发射台的基座安装一套水冷式火焰偏转器。过去,发射完火箭之后,整个基座会被炸成一片废墟,这次发射完成后基座基本完好,这当然也是重大技术成果。

从星舰的发射,我们看到了美国太空探索科技公司的在太空探索方面的巨大进步,当然距离成功还有一段距离。

在这里,我们一定要理解这家公司的目标:用一种更低成本的方式将人类送上火星,所以星舰的创新过程中使用了大量民用材料。比如,非要用不锈钢来做火箭发动机的外壳,一定要使用可重复点火的发动机等等。

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现在看,星舰的失败可能又与缺少一种更好的发动机有关。道理很简单,如果使用推力更大的发动机,将发动机数量降低一半,那么一级火箭的复杂性和故障率就会出现指数级下降。我们不是说猛禽发动机不好,其实这是一种当今世界最先进、最高效的“全流量分级燃烧发动机”。

马斯克曾在推特上宣布,猛禽燃烧室压可达268.9bar,超过了俄罗斯经典火箭发动机RD-180的257bar,这本身很强。其推力面积比强大到没有朋友,仅仅1.3m喷管直径能提供200吨级推力,甚至比固推更高。

然而,猛禽的靓丽数据背后是是可靠性严重不足的,一个是高室压,一个是高推重比。猛禽提高室压比较容易做到,但是代价就是泵系能不能扛住。而泵系为了维持高压必须高转,这对高温高压和特种材料的轴承系统和滑油系统要求非常高。在多台发动机共同工作时,振动过大或者是遇到较大冲击波,很容易触发破坏性结果。

虽然失败,但星舰配33台“猛禽”全亮是奇迹,中国有希望赶超吗?

现在的问题是:中国未来有可能研制出与星舰同类的重型火箭吗?当然有希望,其实我们一直在做准备工作。

最让人惊喜的应该还是2022年11月26日成功试车的被称作“130吨级重复使用液氧煤油补燃循环发动机”。

这款发动机的试车先是启动了50秒,然后停了500秒,接着又启动了50秒,整个过程中一切正常。自此,中国已经获得了基于高压补燃循环方案的两次点火起动等关键技术,官方称这款发动机具有综合性能高、拓展能力强、可靠性高等特点,将有力支撑我国重复使用航天运载器发展,大大提升我国大规模、低成本空间运输能力。

虽然失败,但星舰配33台“猛禽”全亮是奇迹,中国有希望赶超吗?

中国在液氧甲烷火箭发动机领域正在追赶美国,为什么非要选择这种燃料呢?是因为这种火箭的燃料在燃烧时不会在预燃室和燃烧室内结焦形成积碳。

所以,我们关注星舰是否能成功,更应该关注其发动机是否能在起飞和回收阶段都能稳定工作,而且是否满足可重复使用的要求。中国在这方面当然有差距,但是我们也在一步一个脚印追赶,甚至可以多借鉴美国人经验教训。

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