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SpaceX星舰第三次升空:失联背后隐藏的成功秘诀

【EV视界报道】确实,作为一个新能源汽车媒体,关注了许久特斯拉后,却忘记了钢铁侠马斯克的另一个产业——SpaceX。

没错,就是那个马斯克想要实现人类登陆火星殖民的太空探索技术公司。

昨晚,SpaceX星舰重型火箭进行第三次试飞,火箭发射升空。

在火箭发射升空后,14日晚些时候,SpaceX公司创始人马斯克在社交平台上发帖称,“‘星舰已达到环绕速度!祝贺SpaceX团队!!

然而,根据最新消息,“星舰”火箭在重新进入大气层后失去联系。据CNN报道,该火箭已同时中断了两项重要通信:一是与SpaceX的互联网服务Starlink的连接,二是与TDRSS(跟踪和数据中继卫星系统)的通信。有报道指出,这两项通信的同时丢失可能意味着“星舰”火箭可能已经解体。

不过,按照媒体的说法,“星舰失联了,但已经取得了巨大进展

确实,能如此精确控制住33台火箭发动机来实现升空,这绝对不是一件容易的事。

这让我想到了苏联时代的N1火箭,也是30台火箭发动机,但直至苏联解体,也没有飞出过大气层。

然而,将两者相比较并不公允,毕竟“星舰”是现代科技的集大成者,而N1则是冷战时期的遗产,两者之间科技的发展不可同日而语。

所以,我们还是将话题,说到这次”星舰”第三次飞行上去。

虽然失联,但依然获得成功

这次测试的目标是全面的,涵盖了火箭两级的燃烧、有效载荷舱门的开闭、滑行阶段的推进剂转移、首次在太空中重新点燃“猛禽”发动机,以及“星舰”的受控大气层重入。

发射活动在埃隆·马斯克拥有的社交平台“X”上进行了直播。在发射前,美国联邦航空管理局(FAA)批准了此次发射,确认SpaceX已经满足了所有必要的安全、环境、政策和财务要求。

起初,在发射过程中所有发动机均表现正常。

240秒后,星舰成功完成热分离,超越了之前的测试记录。3分钟后,星舰与超重型火箭完成分离,后者返回地球,准备在墨西哥湾溅落。然而,SpaceX发言人丹·霍特在直播中宣布,超重型火箭在返回途中丢失了。

11分钟后,超重助推器完成了使命,星舰开始进行舱门的开闭测试。

28分钟后,舱门成功关闭,完成了开关测试。47分钟后,星舰进行了二次点火演示,猛禽发动机顺利点火。

不幸的是,在星舰重返大气层的过程中,SpaceX失去了与其的联系,任务未能完全成功。

但根据后来的官方解释,星舰重返大气层后,该团队同时失去了两个关键的通信手段:与 SpaceX 的互联网服务 Starlink 的联系,以及与 TDRSS(即跟踪和数据中继卫星系统)的联系。

SpaceX 通讯经理丹·霍特 (Dan Huot) 在直播中表示:团队已报告飞船已经失踪,因此今天没有溅落。” “但是,这次我们取得了如此大的进步,真是令人难以置信。

其实,SpaceX 也从未打算在这次飞行测试后回收星舰。预计该航天器将硬着陆,但 2023 年之前的两次测试相比,星舰飞船的飞行距离要远得多。

该公司通常将这些早期试飞期间的故障视为正常现象,而这些飞行测试的目的是收集关键数据,以便工程师可以回去修补星际飞船,改进它以适应未来的任务。

“爆炸”不是失败,或许是成功的开始

了解马斯克的人都知道,对于新鲜技术而言,他无时不刻的在思索着挑战与超越,特斯拉如此,星舰也是如此。

但星舰的挑战,确实从一次次的“爆炸”开始的。

时间回到2023417日,星舰进行了首次尝试。

然而,由于加压阀出现了冻结情况,SpaceX不得不暂停了发射。尽管发射控制团队努力试图解决这个问题,希望能够按计划在当天继续进行发射,但阀门的反应并不理想。因此,SpaceX决定将原定的飞行任务改为一次实装彩排,并在T-40秒时终止了操作。

SpaceX宣布,为了进行下一次尝试,至少需要额外的48小时来准备。

随后的420,星舰再次进行了发射尝试。

当天的下午13:28分SpaceX开启了一段长达62分钟的发射窗口,在随后的13:33分,火箭成功发射升空,尽管发射过程中对发射台造成了一定程度的损害。

不过,发射时,有三个猛禽发动机未能成功点火,导致星舰在升空初期出现了横向滑落的情况。

在飞行过程中,多个发动机发生了故障。大约在发射后27秒,SpaceX遭遇了某种高能事件,导致与一个发动机的通讯中断。公司在其直播中展示了现场视频,并用叠加图形显示了不工作的发动机数量与已关闭的发动机数量之间的差异。

有观点认为,发射后大约30秒时可见的小规模爆炸可能是由于液压动力装置出现故障,但这一点尚未得到官方确认。

在发射后的第85秒,SpaceX失去了对13个位于火箭中央的发动机的推力矢量控制,这使得火箭失去了转向能力。

火箭随后上升到大约39公里(约24英里)的高度,然后开始失去高度并进入旋转状态。此后,星舰的自主飞行终止系统(AFTS)被激活。AFTS的设计目的是在必要时立即摧毁飞行器,但星舰并未立即解体助推发动机继续工作,直到AFTS触发后40秒,也就是飞行器飞行约四分钟后,高度降至大约29公里(约18英里)。

美国联邦航空管理局报告称,此次事件没有造成任何人员伤亡或公共财产损失。

对于此次发射失利,SpaceX随后分析了飞行器失控的主要原因:

星舰在上升过程中,由于超重型助推器尾部的推进剂发生泄漏并引发火灾,导致了与飞行器的连接被切断。这一事件进而影响了飞行器的主要飞行计算机,结果是大多数助推发动机失去了与控制系统的通信,最终导致了对飞行器的完全失控。

随后,美国联邦航空管理局(FAA)指示SpaceX对此次事故展开调查,并根据调查结果采取相应措施,最终列出了共计六十三项纠正措施,这些措施涵盖了重新设计车辆硬件以防泄漏和火灾、对发射台进行改造以增强其耐用性、在设计阶段增加额外的审查环节,以及对安全关键要素进行更深入的分析和测试。

20231118日,星舰进行了第二次试飞。

此次目标是让飞行器进入新增加的热阶段,并在第二阶段通过受控再入进入近地轨道。发射后,一切按计划进行,直到助推器在进行助推燃烧时遇到问题。几台发动机关闭,随后一台发动机故障导致助推器在墨西哥湾上空约90公里处爆炸。

第二级在飞行约7分钟后,因计划中的通风口故障而失去遥测信号。SpaceX透露,第二级在达到预定轨道前被安全指令摧毁。天文学家乔纳森·麦克道尔报告说,NOAA的气象雷达在维尔京群岛以北捕捉到了碎片云。

20241月,SpaceX解释说,由于星舰未携带有效载荷,在燃烧接近结束时排出的多余液氧导致了火灾和爆炸。马斯克也确认,如果星舰携带有效载荷,它本可以进入轨道。

FAA226日结束调查后,SpaceX公布了事故原因:助推器的液氧过滤器堵塞,导致一台发动机故障,进而引发连锁反应,导致通信中断和飞行终止,星舰在约150公里的高度解体。

此外,助推器的故障可能由于推进剂过滤和可靠性问题,SpaceX已对此进行了硬件更改。

2 26 FAA 结束调查后,SpaceX 详细阐述了事故原因:在飞行器分离时,星舰 的上级点燃了所有六台 Raptor 发动机,并正常上升,直到飞行大约 7 分钟时,计划中的通风口出现了故障。过量液氧推进剂开始使用。额外的推进剂已作为有效载荷模拟物装载在航天器上,需要在重返大气层之前进行处理,以满足溅落时所需的推进剂质量目标。

液氧排气口启动时,航天器后部发生泄漏,导致燃烧事件和随后的火灾,导致航天器飞行计算机之间的通信中断。这导致在完成上升燃烧之前命令关闭所有六个发动机,随后自主飞行安全系统检测到违反任务规则并执行飞行终止,导致飞行器在约 150 公里的高度和速度下解体。约 24,000 公里/小时,成为第一艘到达外太空的星际飞船。

关于助推器的命运,SpaceX 表示,最可能的根本原因是向发动机供应液氧的过滤器堵塞,导致发动机氧化剂涡轮泵入口压力损失,最终导致一台发动机出现故障,这导致车辆丢失。这导致 SpaceX 对助推氧化剂罐内与推进剂过滤和可靠性相关的硬件进行了更改。

最后第三次飞行也就是这一回试飞,可以说取得了一个部分的成功,这次试飞显著推进了航天器和发射系统的进展,埃隆·马斯克对此表示乐观,认为这将是实现人类登陆月球的关键一步。

在我们看来,SpaceX不同于NASA等传统政府航天机构,它采用了一种类似于初创公司的哲学——快速经历失败并从中学习。

正因如此,前两次飞行测试中的失败并未让马斯克或SpaceX团队感到沮丧。他们将这些问题视为成长的机会,每次失败后都能吸取教训,为下一次的尝试做出改进。

天降大任、“星舰”“担子”有多重要?

太空始终是人类终将征服的领域,脱离太阳系则是人类追求的首要梦想。尽管星球大战电影中展示了宇宙中各个星球上的文明,但在现实中,我们的人类文明仍然仅限于地球之上。

所以从上世纪开始,伴随着科技的迭代发展,人类将目光从脱离大气层开始慢慢发展,太空站的建立让我们第一次在地球之外有了新的归属。随后,人类又踏上月球,实现了人类历史上的一大步。

然而,随着对月球的探索逐渐深入,人类对于更遥远星球的向往也日益强烈。火星,作为最接近地球的邻居之一,以其神秘的红色表面和可能存在的生命条件,激发了我们无限的想象。

那么,如何才能实现人类去往火星的任务呢?

要知道,虽然说它是地球的邻居,但火星距离地球在5600万至4亿千米之间,这个巨大的距离对任务的总体设计、可靠性设计、计划管理等提出了更高的要求。

目前,人类探测器飞往火星大约需要7个月的时间。

为此,对于喜欢挑战的马斯克而言,星舰就是满足这一条件的现有答案。

对于星舰而言,其设计目标是完全可重复使用,能够在发射塔上进行控制着陆,并在几小时内重新发射。

星舰由超重级助推器(Super Heavy)和太空飞船两部分组成,总高度120米,直径9米,起飞质量约5000吨,是迄今为止最大的火箭。星舰的有效载荷能力为150吨到低地球轨道,如果不重复使用则可达250吨。星舰还可以在低地球轨道上进行燃料加注,以便前往更远的目的地,如地球同步轨道、月球和火星。

在设计方面,SpaceX的星舰(Starship)项目包括两个主要组件:第一级助推器“Super Heavy”和第二级太空飞船。

Super Heavy助推器高71米(约233英尺),直径9米(约30英尺),装备了33个猛禽发动机,这些发动机排列成同心环。

最外环的20台发动机采用“Raptor Boost”配置,省略了万向执行器以减轻重量和降低成本。在全功率运行时,这些发动机共同产生的推力高达74,400 kN(约16,700,000磅力)。

Super Heavy的储罐能够容纳3,400吨(约7,500,000磅)的推进剂,包括2,650吨(约5,840,000磅)的液氧和750吨(约1,650,000磅)的液态甲烷。

埃隆·马斯克在2021年提到,最终设计的干质量将在160吨(约350,000磅)至200吨(约440,000磅)之间,油箱重量为80吨(约180,000磅),级间结构重20吨(约44,000磅)。助推器通过四个电动格栅翅片进行控制,每个翅片重3吨(约6,600磅),并在网格鳍之间的突出硬点上升起。级间通风位于格栅翅片上方,用于热分级,这是一种火箭分级技术,上级在与第一级分离之前启动发动机。

星舰太空飞船本身高50米(约160英尺),直径9米(约30英尺),使用6个猛禽发动机,其中三个特别优化用于外太空。这些发动机产生的推力为14,700 kN(约3,300,000磅力)。星舰的有效载荷舱体积为1,000立方米(约35,000立方英尺),略大于国际空间站的加压体积。

主油箱和总油箱的推进剂总容量为1,200吨(约2,600,000磅)。马斯克在2019年指出,由于位置优势,头箱的隔热效果更好,并保留用于航天器在重返大气层后翻转和着陆。

星舰还配备了四个机身襟翼,用于控制方向并帮助在进入大气层期间耗散能量,由两个前襟翼和两个尾襟翼组成。这些襟翼取代了传统的机翼或水平尾翼,减少了着陆所需的燃料。前襟翼下方的挂载点用于通过机械臂提升和抓住航天器。襟翼的铰链被密封在航空罩中,以保护它们在重返大气层时免受损坏。

星舰的隔热罩由大约18,000个六角形黑色瓷砖组成,能够承受高达1,400°C(约2,600°F)的温度。这种设计旨在在飞行器进入大气层时提供保护,并且可以多次使用,飞行之间只需进行最少的维护。硅基瓦片通过销钉连接到星舰,并且之间留有小间隙以允许热膨胀。

星舰预计将代替猎鹰9号、猎鹰重型运载火箭以及天龙号航天器等执行地球轨道上的任务。

其实,星舰的概念最早由马斯克在2012年提出,当时被称为火星殖民运输系统Mars Colonial Transporter)。经过多年的研发与迭代,星舰逐渐从一个早期概念发展成为现在的样子,旨在实现马斯克的终极目标——移民火星

当然,星舰的目标不止与火星任务,目前 SpaceXNASA还有合作,并为其提供了多种服务,包括国际空间站的货物补给任务和载人飞行任务。

此外,NASA已选择SpaceX的星舰作为其阿尔忒弥斯计划的一部分,用于开发载人登月着陆器。这意味着星舰不仅将用于月球探索,还将成为未来载人火星任务的关键运输工具。

这就是星舰HLS。

据了解,星舰HLS是由SpaceX设计和建造的月球着陆器,它是星舰航天器的特别变体,专门为NASA的阿耳忒弥斯计划而开发,旨在实现将宇航员从月球轨道安全送达月球表面并成功返回的任务。

这一计划是NASA宏伟目标的一部分,即再次将人类送上月球。星舰HLS经过特别优化,以适应月球及其周围的极端环境,其设计考虑到了月球任务的特殊需求,例如,由于不会重新进入大气层,它没有装备隔热罩或飞行控制面,这样的设计不仅减轻了航天器的质量,还减少了加油所需的发射次数。

此外,与早期的多级设计不同,星舰HLS整合了上升级和下降级的功能,提高了整体效率。它在尾部装有六个猛禽发动机,用于支持发射、着陆和上升过程,而在接近月球表面时,则会利用机身中部的高推力RCS推进器进行精细操控,以避免对月球风化层造成损害。这些推进器使用气态氧和甲烷作为燃料,与猛禽发动机的液态燃料不同。星舰HLS还配备了太阳能电池板,为其提供持续的电力供应,并能在月球轨道上徘徊长达100天。

NASA强调,简化星舰HLS的设计和开发流程,使其尽可能通用,有助于加快未来的构建工作,并减少对不同设计进行额外测试、评估和验证的需求,从而确保任务集成的可用性和按时交付。

星舰能为特斯拉带来什么?

虽然,星舰(Starship)是SpaceX开发的先进重型运载火箭系统,其在技术创新和设计理念上的突破引人注目。

但作为关注新能源汽车的媒体,我们不禁遐想,星舰的技术进步是否能够为特斯拉汽车产业注入新的活力?虽然目前尚无确凿证据,但让我们在此展开一番设想。

星舰与特斯拉,尽管分别在太空探索和电动汽车制造领域深耕,但两者之间的潜在技术交流可能会为特斯拉带来显著的技术红利。

星舰所使用的不锈钢壳体和特斯拉赛博皮卡(Cybertruck)的车身材料是相同的。两者都使用了航天级超硬30X冷轧不锈钢。

这种材料因其出色的强度和耐用性而被选用。SpaceX2019年宣布将星舰的舰体材料从碳纤维更换为30x不锈钢,马斯克在接受采访时表示,这是SpaceX“有史以来最好的材料设计决策。选择这种材料的一个重要原因是30x不锈钢拥有非常好的断裂韧性。

特斯拉的赛博皮卡也采用了这种材料,其车身强度足以硬抗.45口径汤姆逊的扫射,这种防弹级别的强度和耐腐蚀性使得Cybertruck的可靠性和安全性成为了这款车的最大卖点之一。这种材料的使用不仅体现了特斯拉对于产品耐用性的追求,也展示了其在材料科学和工程应用上的创新。

此外,星舰的猛禽发动机推进技术、热管理系统,以及在自动化和环境适应性方面的创新,均有可能对特斯拉电动汽车的性能提升产生积极作用。星舰的可持续设计和回收技术与特斯拉的环保理念不谋而合,这可能激发特斯拉在制造工艺上的新创新。

虽然技术从星舰到特斯拉的转移需要克服实际可行性和经济效益的考量,但在伊隆·马斯克的领导下,两家公司在战略和技术发展上有望实现更深层次的协同合作。这种跨界的技术融合,无疑将为特斯拉乃至整个新能源汽车行业带来新的发展前景。

可以说,马斯克的星舰项目,凭借其卓越的重复使用性和强大的运载能力,正在深刻地改变太空探索的未来走向,显著降低了进入太空的技术与经济门槛。同时,他的另一项产业——特斯拉电动车,通过持续的技术创新,正在地面交通领域引领电动化和智能化的潮流。

但更主要的是,这两个项目不仅在航天和汽车行业催生了革命性的变革,而且为我们展现了一个更加紧密互联、高效运行和可持续发展的未来蓝图。

所以,世界文明的进步,会记住这一天,而我们人类的未来,毕将从脱离地球的束缚开始。

期待那一天的到来。

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刘昊编辑
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