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星舰第五飞后续任务预告

IP属地 北京 编辑:陈丽 黑科技研究所 时间:2024-10-20 20:30:17

10月13日星舰第五飞,余波依然浩荡。

如果让三体引力波做出最简短最概括的点评,那么简评如是说:「星舰第五飞,一飞惊天下。筷子夹火箭,魔法从天降。星舰软着陆,首次高精准。虽有不完美,却成转折点。」

●总结星舰第五飞

外行看热闹,内行看门道。星舰第五飞之所以震撼圈内外,外行看的是 筷子夹火箭,魔法从天降。内行看的是关键技术得以验证。

这次试飞成功验证了两个关键点:①首次验证超重型火箭原位捕获回收技术,使用发射塔机械臂空中捕获超重型,验证厘米级精准回收能力。②再次测试星舰飞船的再入能力,执行着陆点火及翻转机动、精准软着陆能力,首次验证10米级精度软着陆能力。

▲多角度同步影像拍摄筷子夹火箭:筷子(机械臂)合拢与超重型姿态恰当匹配,直径17厘米的超重型挂载点(负载点)精准落在机械臂导轨插槽上,由此实现首次尝试且成功捕获超重型火箭的创举。编号B12超重型火箭被空中捕获时,重约300吨,高近70米(除去1.8米热分离环),直径9米。因此被马斯克称赞为「筷子成功夹住的最大飞行器」。视频来源@SpaceX

▲SpaceX最新发布S30软溅落的惊人一幕。飞行65分钟后,S30精准溅落在南印度洋目标着陆点( 25°S, 54°E)。这是首次验证星舰10米级精度着陆能力,为今后尝试原位捕获回收星舰奠定基础。这段视频是由测试团队提前设置在着陆点附近的海上浮标摄影机拍摄记录。视频来源@SpaceX

以上这两个关键技术正是星舰系统最终实现完全、快速重复使用的关键所在。目前距离一二级完全回收复用还有相当一段路要走,需要靠快速试飞、高效迭代来不断缩短,直至完全达到。

事实上,星舰第四飞远非完美无缺,超重型火箭B12和星舰飞船S30均有轻微破损。

▲B12箭尾一个竖条状航空保护罩出现了结构性破损,可能是由于着陆点火时发动机产生热羽流冲击或者气动压力造成的。好在保护罩内的「脆弱设备」,比如一组液压系统、两组冷却器、4组压力容器、若干航空电子设备等看起来并没受损。

另外,箭体底部的快速断开系统补给接口(QDA)出现明显的着火事故,疑似部分管道受损而起火。再有,个别外圈发动机的喷口略有损坏。

总体来看,第一枚成功捕获回收的超重型B12整体完好。经过检查整修后,很可能具备重复使用的能力,但测试团队几乎不会安排再飞。作为复用研究对象远比冒险复飞更重要也更合理。毕竟,B12只是第一代测试版星舰系统中首枚回收的超重型火箭原型机。只有经历多次多代回收后的成熟版超重型火箭,才会重复使用。就像猎鹰火箭从首次回收到首次复用,期间经过15个月、回收8次之后才开始复用火箭。

▲星舰S30再入经受最大动压时,左前翼的铰链连接部位出现较严重的热烧蚀受损,但结构仍保持完整。较比6月6日星舰第四飞的S29右前翼铰链被热烧蚀的损坏程度,则要轻得多。

这表明星舰团队对飞船襟翼结构增加的保护措施效果显著,尽管未能彻底解决问题。看来只有等到全新设计的第二代星舰S33,才可能彻底解决襟翼结构再入烧蚀问题。S33采用前翼后移,升级热防护系统等新措施。

●评价星舰第五飞

第五飞是星舰开发测试5年来最具挑战性、最具颠覆性的测试飞行。测试目标达成度几乎100%。首次验证超重型火箭原位捕获回收技术,使用发射塔机械臂成功捕获超重型,验证厘米级精准回收技术。进一步测试星舰再入能力,执行着陆点火和翻转机动,精准软着陆能力,验证10米级精准软着陆技术。这意味着SpaceX已基本掌握星舰系统的发射、入轨能力、软着陆技术,由此成为星舰开发转折点,进而大幅提升星舰测试进度,加速推进星舰成熟进程。为接下来的第六飞、第七飞、第八飞加速迭代提供强有力的支撑。

●后续试飞的主要任务

基于前五次测试飞的经验积累,接下来测试目标及攻克难点,主要包括:

○完善星舰热防护系统:这是星舰开发的关键,由于再入大气层会产生,必须保证飞船能够安全返回。随着升级隔热罩、前翼后移、改进襟翼结构,开发团队需要尽快检验这些改进措施。

○在轨点火:这是星舰执行全轨飞行、脱轨再入、在轨加油、进入更远轨道(转移轨道、月球轨道、火星轨道)之前必须验证和掌握的关键技术。今年3月14日星舰第三飞原定尝试,由于S28飞行姿态不稳而临时取消。之后也未列入第四飞、第五飞测试任务中。预计会在星舰第六飞尝试在轨点火。

○捕获回收星舰:这是跟原位捕获超重型同等重要的类似技术,也是实现星舰一二级完全快速复用的最关键、最基础环节。单从纯技术角度衡量,其操作难度远大于回收超重型。由于星舰需要经历多重环节后(诸如在轨飞行、部署航天器、在轨加油、再入点火、再入大气层、着陆点火与翻转机动、精准着陆),才会允许进入筷子(机械臂)空中捕获环节。因此对飞行节点、燃料余量、姿态控制、着陆精度等要求极高。第五飞S30是首次实现较高精度软着陆的星舰,达到10米级着陆精度。但距离超重型火箭已经实现厘米级的精度还差很大,至少相差三个数量级。至于,马斯克最近坦露最乐观的期望值:「希望明年年初,我们也能尝试捕获星舰。」很可能是又一次马斯克时间膨胀显现。除非今年年底前第六飞星舰能以厘米级的着陆精度,证明有这个把握。

○部署有效载荷:尽管这是星舰开发的最大目的,但并不是最难目标。已有三艘星舰进入200公里以上的近地高度(第五飞、第四飞、第三飞远地点分别达到212公里、213公里、234公里)。如果不是设定跨大气层轨道飞行,而是近地轨道全轨飞行,星舰可以更早时日在轨演示部署能力。只是目前还不具备部署载荷的几个前提条件:在轨点火测试、载荷舱门演示、卫星分配器演示。今年3月14日星舰第三飞,这三项测试目标均未达成。在轨点火未尝试,舱门开合未达标,分配器演示不完全。因此,预计在星舰第六飞尝试这三项测试任务。

○在轨加油:这是星舰实现多功能、多场景应用的关键。星舰进入200公里近地轨道后,自带推进剂已经所剩无几,无论进入更高轨道或者执行深空任务(登月、登火)都必须执行多次在轨加油(舰对舰加注低温推进剂)。星舰第三飞验证了少量推进剂内部转移技术,在轨演示了从头部贮箱向主贮箱转移10吨推进剂的能力。一旦掌握在轨点火、在轨部署、原位回收星舰之后,测试团队就会进行更大规模的在轨加油演示。很可能先部署一艘小型航天器,以模拟迷你加油星舰,执行大小舰加注演示:迷你星舰先对接母星舰,迷你星舰为母舰加注推进剂,大小舰分离。一旦成功验证整个流程后,再进行全尺寸舰对舰演示:加油星舰与被加注星舰对接、加油、分离。按照SpaceX和NASA联合计划,在轨加油将在2025年底前演示。前提是星舰已经过全轨飞行、部署载荷、在轨点火、原位回收(或者精准着陆)等技术验证后才会演示。

●预判星舰第六飞

10月12日即第五飞前一天,FAA向SpaceX颁发了星舰第五飞许可证的同时,还发放了第六飞许可证(只要第六飞与第五飞的任务配置类似)。预计发射时间:11月中旬~12月。具体取决于各方对第六飞的乐观程度,尤其取决于SpaceX是否对第六飞测试任务做出重大调整。如果任务配置基本不变,星舰第六飞最早会在11月中下旬发射。如果任务配置变更较大,比如星舰溅落点选在夏威夷海域,星舰第六飞很可能后移到12月,以便更多时间准备。不管怎样,星舰第六飞主要测试目标:验证星舰在轨点火、热防护系统改进效果、提高着陆精度(期望达到米级或分米级精度)。

星舰第六飞的双主角:B13+S31。

B13现已安装完33台猛禽发动机,目前正在巨湾1号检测,接下来会静态点火测试。B13试飞任务包括:①再度验证和优化原位捕获回收技术;②测试多项改进措施效果(针对B12出现多个故障点:航空保护罩结构性破损、快速断开系统补给接口起火故障、外圈发动机受损等);③提高超重型火箭复用能力。

S31作为第一代轨道级试飞的最后一艘星舰,与S30基本同款。9月18日进行一次全发动机静态点火后,转运至巨湾2号检测,目前正在高湾全面升级热防护系统。在S30实测经验基础上,S31有望进一步提高再入能力和着陆精度(目标达到米级甚至更高精度)。

●预判星舰第七飞

第七飞必将成为星舰开发重要拐点——第二代星舰首次试飞;有望首次尝试捕获回收星舰。前者由于第二代星舰经由全新设计和重大升级,有望首次试飞大显身手,必然备受瞩目。后者在星舰第六飞进一步提高着陆精度基础上,很可能率先尝试原位飞回并捕获星舰,这将是继第五飞首次捕获超重型之后,星舰开发史上又一个里程碑事件。

预判星舰第七飞的发射时间:明年一季度。最早于2025年1月份(具体要看第六飞时间、测试效果以及FAA批准时间)。

目前两次星舰试飞间隔至少需要4~6周准备时间。如果第六飞是在今年11月,第七飞最早发生的合理时间是在明年1月,这也是马斯克最乐观的期望「希望明年年初尝试捕获星舰」。如果第六飞在今年12月,第七飞则最早出现在明年2月。一旦再发生FAA审批拖延时间,第七飞可能会在明年3月。

比发射更重要的是,一旦第六飞星舰S31着陆精度能达到分米甚至厘米级,那么测试团队就有信心拿第七飞星舰赌一把,让S33飞回发射塔并尝试捕获。这一幕,不保证成功,但保证精彩。

不过,这是最乐观的预判。要想让第六飞星舰S31达到分米甚至厘米级着陆精度,绝非易事。要知道,第四飞S29着陆偏差达6公里,这次第五飞着陆精度提高到10米级,谁能保证下次第六飞会大幅提高到分米级/厘米级?

筷子是否夹星舰?或者说S33能否成为首艘尝试捕获回收的星舰?这恐怕是目前预判星舰第七飞的最大悬念。好在但凡大事都有征兆。测试团队是否决定拿星舰S33赌一把?第一个明显征兆,在发射前夕是否安装可承受再入高温的特别挂载点(承载点)。

目前抓取和升降星舰都是使用临时装配的挂载点,一旦完成与超重型火箭的最终堆叠,在发射前夕就会拆除位于前翼下方两个临时挂载点。一旦确定尝试捕获回收S33,就需要在发射前为其安装可承受再入高温的特别挂载点,就像筷子夹火箭一样,以便让筷子(机械臂)接住星舰挂载点,从而将其捕获。目前尚未看到适配S33的挂载点实物,也不清楚具体挂载方案。有可能采用类似超重型火箭固定式挂载点,也可能采用类似航天飞机起落架伸缩式的挂载点。不管采用哪种,很可能会出现在第六飞S31飞船上进行实测,为S33收集数据,提前探路。

星舰第七飞的双主角:B14+S33。超重型B14已经过2次低温加压测试,目前正在巨湾1号进行检测,尚未安装猛禽发动机。有望成为第一枚装配第三代猛禽的超重型火箭。第三代猛禽海平面推力280吨,真空版推力306吨,比第二代猛禽推力提升22%。

星舰S33是首艘第二代星舰,舰高52.1米,比第一代星舰高出近2米。主要改进之处:前翼变大,并且后移;升级热防护系统;改进襟翼结构;率先采用更强大发动机,计划装配6台第三代猛禽发动机(3台海平面版+3台真空版),最大推力可达1600吨。目前正在巨湾2号。

●预判星舰第八飞及后续飞

最乐观的预期,如果第七飞测试目标能够基本达成,那么第八飞将会快速跟进,在轨演示部署能力。即使第七飞捕获星舰尝试失败,那么第八飞将肩负未竟使命,继续尝试捕获星舰。这会是2025年上半年乃至大半年的首要测试目标。

一旦实现成功回收星舰,就会进入在轨加油演示阶段。按照SpaceX和NASA联合计划,在轨加油将在2025年底前演示。

很可能分成两次演示:①先发射一艘母星舰,部署一艘小型航天器,用来模拟小型加油星舰,再执行大小舰加注演示:小型星舰先是轨道对接母星舰,然后为母舰加油(加注推进剂),最后大小舰分离,小型星舰再入烧蚀,母星舰在轨飞行后返回地球。

②一旦成功验证第一步整个流程后,再进行第二次演示——全尺寸舰对舰演示:连续发射被加注星舰、加油星舰,然后双舰在轨对接、加油、分离,直至返航、回收。

从这一阶段开始,星舰基地需要同时启用双塔双回收模式,也就是需要连续捕获多次回收超重型、星舰。正式开启快速发射、快速回收星舰系统的崭新时代。2025年必将成为星舰开发最关键年度,全面进入第二代星舰测试阶段,全新开启快速发射/回收的试飞新阶段,距离科幻般的星舰大航天时代不再遥不可及,而是指日可待。

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