这次没炸！马斯克的“星舰”终于顺利入轨！

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大约美国东部时间 3 月 14 日 9 点 25 分，SpaceX 星舰（Starship）组合体（B10+S28）在得克萨斯州的星港（Starbase）发射场点火升空。这是星舰的第三次轨道测试。

星舰发射升空（图片来源：SpaceX）
与上次热分离后发生爆炸不同，星舰火箭这次按照预定计划，升空后依次完成了热分离、助推器燃烧和太空滑行。然而，当助推器（B10）试图在墨西哥湾“软溅落”时，问题出现了。理论上，应该有 13 个猛禽（Raptor）发动机在此时点火，而实际只有少数几个发动机重新启动。随后，助推器信号丢失。遥测数据显示，助推器可能以超过 1000 千米/小时的速度撞击了海面。

星舰完成热分离（图片来源：SpaceX）
虽然助推器出现了意外，但火箭的上面级（即星舰的飞船部分 S28）则顺利许多，继续着它的太空之旅。与前两次星舰发射不同，星舰飞船此次完成了两项新的任务。其中之一是在亚轨道太空飞行时成功开启和关闭了有效载荷舱门，这意味着此后 SpaceX 可以利用星舰的这一舱门来部署星链卫星。
星舰开启有效载荷舱门（图片来源：SpaceX）
另一成果在于，SpaceX 还成功测试了在火箭内部存储设备之间转移超冷推进剂。就像开长途前需要给汽车加满油，在星舰未来前往月球、火星等遥远目的地之前，也需要在轨加满推进剂。据估计，仅仅给一艘前往月球旅行的航天器加满燃料，就需要大约连续发射十次星舰任务。这次成功的测试由 SpaceX 与 NASA 合作完成，日后还需在更大的规模上反复测试。
发射后 40 分钟左右，星舰飞船顺利离轨进入大气层。不过，令人遗憾的是，在这一过程中，星舰飞船信号丢失，可能在重返大气层过程中烧毁。随后，美国航空航天局（NASA）确认，S28 飞船丢失。

星舰重新进入大气层（图片来源：SpaceX）
按照原计划，此次星舰到达近地轨道并重新启动猛禽发动机后会溅落到印度洋上。在前两次的轨道测试中，SpaceX 都选择让星舰溅落到夏威夷附近的太平洋中。这次选择让星舰不再飞那么远，而是走一条更“陡”的线路，是为了测试星舰在太空中重启发动机的能力。对于 SpaceX 而言，这一能力意义重大，因为要让星舰执行设想中的那些远程任务，都需要在太空中重启发动机。
星舰原计划的路线（图片来源：SpaceX）
虽然这次没能看到星舰的成功溅落，但它已经完成了从发射到入轨的全部过程。值得一提的是，今天也是 SpaceX 成立 22 周年纪念日，让我们祝 SpaceX 生日快乐，并将更多期待留给下次星舰发射吧。

两次大“失败”

星舰身长超过 120 米，由两部分组成，下面级为超重型推进器（Super Heavy），上面级为飞船，就是星舰（Starship）。
2023 年 4 月 20 日，星舰火箭首次在星港发射升空。火箭起初一路攀升，最高飞到了大约 39 千米的高空，最高时速超过 2000 公里。然而，发射后 3 分钟左右，超重型推进器并没有像预期中那样与飞船发生分离，两者继续连接在一起。飞行器经历了一系列发动机故障，高度下降，并在空中翻滚……最终星舰在升空 4 分钟后爆炸摧毁，没有按计划进入地球轨道，提前结束了测试。
根据 SpaceX 描述的情况，超重型推进器泄漏的推进剂起火，破坏了推进器与主计算机之间的通讯，导致推进器上的大多数发动机失去控制。在星舰火箭开始翻滚后，自主飞行安全系统（AFSS）发出了销毁指令，但这个指令并没有立即起效，而是意外地延迟了 40 秒，飞船才发生爆炸。

图片来源：SpaceX
2023 年 11 月 18 日，星舰开始第二次轨道测试。这一次，星舰飞船（S25）在升空不到3分钟后，在大约 75 千米的高度，与携带着 33 台发动机的超重型推进器（B9）成功分离。而后飞船继续飞行，并达到了接近轨道速度的时速。
但与计划不同的是，在点火升空后大约 9 分钟，团队与星舰飞船失去了联系。星舰失联前最后的高度为 148 千米，速度超过 24,000 千米每小时。此外，原本要溅落墨西哥湾的超重型推进器，在与飞船分离不到一分钟后便发生了爆炸。

推进器爆炸（图片来源：SpaceX）
但与计划不同的是，在点火升空后大约 9 分钟，团队与星舰飞船失去了联系。星舰失联前最后的高度为 148 千米，速度超过 24,000 千米每小时。此外，原本要溅落墨西哥湾的超重型推进器，在与飞船分离不到一分钟后便发生了爆炸。
SpaceX 最终确定，超重型推进器与星舰分离并开始向预定着陆点移动后，其几个发动机开始关闭，随后其中一个发动机突然失效，最终导致了一连串的爆炸。SpaceX 表示，最可能的原因是向发动机供应液氧的过滤器发生了堵塞。
第二次轨道测试结束后，美国联邦航空管理局（FAA）下令，SpaceX 需要 17 项纠正措施，包括重新设计超重型推进器的硬件，更新发动机控制算法以及为星舰提供额外的消防措施。对此，SpaceX 进行了相应的改造。当地时间 3 月 13 日，FAA 最终认定 SpaceX 满足所有安全、环境、政策和财务责任要求，授予了 SpaceX 星舰第三次发射许可。

不断爆炸，不断学习

马斯克说，SpaceX 团队一直在爆炸中学习。
早在进入轨道测试之前，星舰原型机就已经在各种测试中不断被炸毁，当然也包含 2023 年 4 月的首次轨道测试。而 SpaceX 在每次爆炸后都会分析数据，迭代设备，迎接下一次测试。
2020 年 2月 28 日，编号 SN1 的星舰原型机在压力测试中爆炸。这项测试要考验燃料箱在高压下保存极冷液体的能力——由于星舰搭载的猛禽发动机使用液态甲烷与液氧推进剂组合，这种能力十分关键。工程师将超冷的液氮注入燃料箱，随着压强升高，燃料箱爆裂，飞船随之解体。
虽然实验结果不尽人意，但团队也从中发现，燃料箱的破裂发生在推力圆盘（thrust puck）附近。因此，他们将圆盘的结构作为接下来测试的重点，而改造后的下一代原型机SN2在当年3月8日通过了压力测试。
2020 年 5 月 29 日，星舰原型机 SN4 在发动机的静态点火测试后爆炸，还引发了一场大火。马斯克表示，是燃料泄漏导致了爆炸，下一代原型机将修复这个问题。不过，在此之前 SN4 已经通过 4 次点火测试，成为了当时存活最久的一台星舰原型机。

SN4爆炸（图片来源：Spadre）
而在几台飞船爆炸之后，SpaceX 甚至开始刻意制造爆炸了。比如，2020 年 6 月 23 日，编号为 SN7 的原型机，又在压力测试中爆炸。不同以往，此次科学家是在测试燃料箱的极限，故意引发了爆炸，白色的氮气云喷涌而出。这个时期，团队想把制造船体用的 301 不锈钢换成 304L，实验结果也的确证实了 304L 性能强于 301。
后来，在飞行测试中，原型机们又经历了更多激烈的爆炸。
2020 年 12 月 9 日，星舰原型机 SN8 进行了令人印象深刻的高空试飞。它最高到达了距离地面 12.5 千米的空中，在那时关闭了发动机，让自己躺平，准备滑翔到发射台，再垂直着陆。但在尝试垂直着陆的过程中，燃料箱的压力不足导致了硬着陆，原型机爆炸。不过马斯克依然感到振奋：“光是飞到那个最高点已经很强，而能降落在准确的位置更是史诗级的表现。”

SN8 爆炸（图片来源：SpaceX）
2021 年 2 月 2 日，SN9 也在着陆时因为猛烈的撞击而爆炸。2021 年 3 月 7 日，SN10 在飞行测试中既达到了计划的高度，又得以平稳着陆，但着陆时附近能看到一些火焰，几分钟后它还是爆炸了。

SN9 爆炸（图片来源：SpaceX）
2021 年 3 月 31 日，SN11 达到计划高度并返回，但还没到达地面就在发射场上空爆炸，碎片如雨点般落下。调查得出的结论是，小规模的甲烷泄漏导致发动机起火，航空电子系统被部分烧毁，并造成了发动机的“硬启动”，也就是点火时燃烧室燃料过多、压强过大，最终导致原型机爆炸。
接二连三的失败，让 SpaceX 暂停了试射，改进设计以帮助飞船安全着陆——毕竟，星舰开发团队的目标是为人类的星际飞行打造可重复使用的运输系统。2021 年 5 月 5 日，结构、控制系统和发动机设计都经过调整后，新一代原型机 SN15 发射，它到达了离地 10 公里的高空，返回时降落在指定的着陆台。虽然着陆后星舰底部仍有火焰燃烧，但几分钟后就被遥控灭火系统扑灭了。
SN15 完成了星舰第一次没有爆炸的高空测试，这也成为了星舰最后一次亚轨道飞行测试。从那以后，SpaceX 就在为轨道飞行测试做准备了。

崎岖火星梦

在亚轨道飞行测试中，星舰原型机 SN15 搭载 3 台猛禽发动机，它的许多前辈也是如此。相比之下，让星舰进入地球轨道需要更大的动力：超重型推进器拥有 33 台猛禽发动机，最大可提供 7590 公吨的推力，超过 NASA 重型火箭 SLS。
投入首次轨道测试前，星舰（S24）已在地球上接受过一系列的考验，就像以往那些原型机一样。2022 年 6 月 2 日，马斯克在社交平台 X 上宣布，S24 通过了低温压力测试。后来，它又陆续通过了涡轮启动测试和静态点火测试。而编号为 S24 的星舰与编号为 B7 的超重型推进器合体后，又一起接受更多测试，并在 2023 年早些时候进入轨道测试的关卡。
早在 2007 年，马斯克就许下了要让人类探索火星和定居火星的豪言。他对 SpaceX 的目标就是让人类成为“多行星物种”，这样当地球发生灾难的时候，便可以降低风险，增加人类作为一个物种的生存机会。等到星舰发射成功的那天，这艘身长 120 米、能将 150 公吨有效载荷送上地球轨道的火箭，也将让 SpaceX 的火星计划推进一步。


参考文献
[1]https://twitter.com/SpaceX
[2]https://spacenews.com/starship-lifts-off-on-third-test-flight/
[3]https://www.bloomberg.com/news/articles/2024-03-13/spacex-gets-faa-license-to-launch-starship-rocket-for-third-time
[4]https://www.bloomberg.com/news/articles/2024-02-26/spacex-gets-faa-s-list-of-starship-upgrades-needed-before-launch
[5]https://twitter.com/FAANews/status/1768019995240415544


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来源丨本文来自环球科学 (id: huanqiukexue) ，未经授权不得二次转载
作者丨黄雨佳
责编丨钟艳平
审校丨徐来 林林

来源：https://view.inews.qq.com/k/20240315A05PHY00
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