星舰即将第5次试飞，马斯克8年前的狂想能否成为现实？

此时此刻，SpaceX星舰的第5次试飞已箭在弦上，即将点火升空。此飞的最大看点便是——埃隆·马斯克能否实现8年前他曾经夸下的海口。整装待发的星舰S30和B12 | SpaceX8年前的2016年9月，在国际宇航大会的压轴演讲上，马斯克在全世界航天同行的目光聚焦之下，首次向人类展示了SpaceX规划的火星殖民火箭——行星际运输系统（简称ITS）。这是一款推力高达上万吨的巨型火箭，可往返于地球和火星之间。在那个重型猎鹰火箭都没首飞的年代，在座的同行对这款万吨火箭几乎无人当真，问答环节台下甚至发出了零星哄笑。当时这款万吨火箭的演示动画中，还有一个更疯狂的构想，就是为了快速、可靠地重复使用这款火箭，SpaceX让火箭一级在发射结束后，不是着陆在回收场或回收船上，而是直接飞回起飞时的发射台，像会飞的铅笔一样插回起飞时的位置。这样仅需简单检修和推进剂加注后，即可再次发射。在起飞重量不足千吨的猎鹰9号火箭回收都尚未完全成熟的当时，大家对这种设想更是一笑而过。2016年发布会上行星际运输系统的动画演示 | SpaceX时光飞逝，8年后的今天，“行星际运输系统”已正式改名为“星舰”。而在星舰即将进行的第5次试验性发射中，SpaceX试图尝试8年前动画中那个火箭插回发射台的疯狂构想。此时此刻，如果打开果壳视频号的直播，那么在星舰点火升空大约7分钟时，说不定你刚好能够见证这历史性的一刻。“大筷子”捕获回收星舰一级CG图 | SpaceX星舰作为一款直径9米，高达121米的重型火箭，其箭体材料主要采用不锈钢。火箭第一级被称作“超重型助推器”，高达71米，可加注推进剂3400吨，起飞总推力达到了惊人的7590吨，是“阿波罗计划”使用的土星5号重型火箭的2倍多。星舰第二级实际上是特殊的飞船，高约50米，可加注推进剂1200吨，推力1500吨左右，可实现近地轨道不低于100吨的重复使用运力。同时迎风面覆盖有隔热瓦，按设计具备回收复用能力。如果一切顺利的话，星舰的第5次试飞会是这样的：星舰第5次发射时序 | 数据SpaceX星舰起飞后，代号B12的火箭一级飞行正常，33台猛禽发动机均成功点燃并正常工作至分离。随后“热分离”系统成功分离火箭一二级，之后火箭一级调头点火，飞回发射台。上次试飞时，星舰一二级分离画面 | SpaceX起飞后约7分钟，B12飞抵发射塔，首次尝试利用发射台上可开合和旋转的回收机构实施吊挂捕获。如果成功，那便是首次实现了马斯克8年前在PPT中提出的“哪儿来回哪儿去”的构想。相较于目前已经成熟的猎鹰9陆地着陆场和海上回收船模式，这种方式将极大地缩短火箭回收后转运的耗时。发射台回收机构吊挂捕获星舰一级的模拟动画 | SpaceX与此同时，代号S30的星舰二级正常点火并飞出大气层，在大气层外关机滑行。起飞后第48分钟，星舰二级将再入大气层，高50米、重逾百吨的巨大航天器重返地球怀抱，与稀薄的高层大气发生剧烈摩擦，犹如流星一般在夜空中划出一道光芒。改进的后热防护结构将迎接上千度的高温的挑战，之后二级前后四个翼面将会组合动作，将箭体姿态转为竖直状态，并启动发动机反推减速，最终缓缓落入海中。星舰第5次发射流程 | Tony Bela如果星舰一级能够成功捕获回收，如果星舰二级防热系统的改进使二级能够更完整地扛过再入大气层环节，那么星舰第5次试飞才算是圆满完成所有既定发射计划，距离星舰两级均可回收和重复使用目标也将坚实推进一大步。为啥非要“筷子”夹火箭众所周知，SpaceX的猎鹰9号是部分可回收运载火箭，截至目前已成功回收火箭一级350多次。在运力富裕的前提下，猎鹰9号会和星舰一样，分离后的一级调头往回飞，但却是利用可展开的着陆腿降落在发射台不远的着陆场。不过受限于最大化火箭运力的目的，实际上90%以上的发射中，火箭一级关机后会在惯性作用下顺向向前飞，并最终降落在茫茫大洋中的回收船上。猎鹰9号一级火箭降落在回收船上 | SpaceX这种情况下，一级火箭着陆后，首先需要工作人员上船固定火箭，然后需要短辄几天，长辄十几天的时间运回港口。回收船靠岸后，还需要吊机起吊转运放平，收拢或拆卸回收腿，才能回到厂房开始翻修过程。这样的回收转运过程不仅大幅拉长了猎鹰9号的翻修周期，箭上配备的着陆腿也是发射阶段不需要的死重。回收船拉着回收后的猎鹰一级火箭返回港口 | SpaceX回收船靠港转运火箭过程 | PTZtv为了实现更快速的火箭回收和复用，SpaceX在星舰项目发布伊始便提出了火箭一级发射后直接飞回发射台的设想。这样不仅直接消灭了火箭的回收转运时间，更可省去火箭的着陆支腿，使火箭变得更轻、更简洁。同时，回收所使用的“大筷子”也是火箭发射前总装用的塔吊机，相当于一“筷”两职，无需额外设计和安装专用的回收机构。总装过程中筷子充当吊机 | SpaceX一直以来，马斯克对星舰的最终理想是——实现火箭像民航飞机一样重复使用，着陆后仅需要简单检查，即可重新加注推进剂并再次发射，甚至是一天内执行两次甚至更多次发射。从大部分航天国家每年个位数的发射需求来看，这个目标可以说无异于天方夜谭。但从目前SpaceX年均超过百次的发射纪录来看，这个目标似乎又很现实。当然，发射台回收的方案也不无缺点。和猎鹰9返场回收一样，其首要缺点是不可避免会降低火箭运力。但好在星舰自身运力强大，留有足够的挥霍空间。同时马斯克本人认为如果能实现快速可靠的重复使用，回收产生的运力损失是可以弥补的。第二个重要缺点是对火箭着陆的精度要求非常高，甚至可以说高到变态。因为星舰的捕获回收挂点并非是4个巨大的栅格舵，而是火箭贮箱侧壁上两个根本不起眼的倒L形挂点，不仔细看甚至都难以发现。火箭回收挂点特写，相对火箭来说非常小 | Ryan Hansen Space发射台回收不仅要精确飞回发射台，而要用这个轨道长达20米、被称为的“大筷子”（Mechazilla，由机械和哥斯拉两词合成）的机构准确闭合，既不能闭合过度夹坏脆弱的贮箱，又要能挂住火箭上小小的回收挂点。其难度说是千里穿针也不为过。一级火箭要被长达20米的“大筷子”夹持，且挂点要精准地挂在“大筷子”上，难度不小 | Ryan Hansen Space第三个缺点与第二个有关。如果猎鹰9号回收失败，充其量是砸坏回收船甲板，或者是弄得陆地回收场一地残骸，对后续发射并无影响。但星舰的发射台捕获回收模式如果失败，轻则砸坏发射台，重则偏航砸到其他发射辅助设施，会直接造成经济损失，并影响后续发射的进度。网友们已经重新开始了火箭落点大竞猜，发射台周边设施密布，稍有偏差后果不堪设想为了防止回收失败＋炸平发射台这种“两败俱伤”的结局出现，在星舰第5次发射的一级返回过程中，系统会不断检查发射台和火箭状态。只有当所有状态良好，且发射人员手动下达指令时，一级火箭才会飞回发射台尝试捕获回收。如果火箭有异常，比如栅格舵卡涩，发动机泄露，甚至是着陆安全区闯入人员时，火箭都会像第4次发射一样着陆在海上。星舰、猛禽，升级不间断尽管即将进行的是星舰的第5次发射，但后续第6次星舰发射所使用的S31和B13组合早已制造完毕，正在隔壁的“梅西”测试场开展一系列测试。马斯克为“马”不停蹄地推进星舰的后续试射，甚至不惜在媒体上公开谴责其监管机构FAA（美国联邦航空局）故意用审查拖延进度，甚至扬言FAA局长应该引咎辞职。因为第5次发射的星舰，其实早在9月初就已做好发射准备，硬生生被FAA卡到10月中旬，若非NASA介入协调，FAA曾表示要审查到11月才能放行。监管虽然不断拖后腿，但星舰后续改进路线已经清晰可见。目前已发射的均为V1版星舰，SpaceX已明确后续V2、V3版星舰的路线。目前编号S33的首枚V2版星舰二级实物也已出现，预计将在第7次星舰试飞中使用。从实物来看，V2版二级前翼面进行了明显调整，更小、更靠前，且位置向背风面移动，从而使前翼面在再入大气层过程中可以更好地躲在箭体的背风面，降低热流峰值，防止出现第4次发射中热量汇聚并烧穿翼面的情况，隔热瓦的分布也随之微调。V1版前翼面（左）和V2版（右）的对比 | LabPadreSpaceX宣称，V2版星舰运载能力为复用状态不低于100吨。而V2版一级主要变化是级间段，热分离结构彻底集成化设计，而非V1的可拆式结构。后续，星舰一级将在目前33台发动机的基础上继续增设发动机到35台。远期的V3版星舰改进直观且夸张，火箭直径不变，一级有所拉长，二级大幅拉长，因此发射台必须做出适应性抬升。最关键的是，随着发动机推力持续增加，火箭一级起飞推力将飙升到万吨以上。三代星舰并排展示，长度逐代拉长| SpaceX为了驱动庞大的箭体，星舰一级目前使用33台海平面推力230吨的“猛禽”液氧甲烷发动机，二级6台猛禽，其中3台为真空推力285吨的真空版“猛禽”。二代猛禽目前已经较为稳定，但为配合星舰自身迭代，猛禽发动机也在持续升级。第三代猛禽发动机将从V3版本星舰开始投用，三代猛禽的结构高度简化，使发动机更轻，推力却更大。但缺点也必然存在，那就是制造困难。但目前SpaceX宣称，得益于3D打印技术的进步，这些制造难题已基本得到解决。三代猛禽发动机并排展示，结构逐代简化 | SpaceX三代猛禽依然有升级空间，马斯克宣称推力可以从280吨继续爬升到300吨，推重比超过200，届时星舰起飞推力将正式升至万吨以上。遥想2016年公布的ITS起飞推力就达万吨以上，之后改为星舰时推力缩了下去，经过兜兜转转不断改进，星舰又将实现当年的ITS放出的“万吨火箭殖民火星”梦想。再入防热仍是挑战，载人奔火两面开花目前，星舰二级采用约18000块六角形隔热瓦，二级箭体表面温度最高约为1400摄氏度，这与航天飞机时代近似。相对航天飞机采用的多种异形隔热瓦，星舰除翼面转角和头锥等部分外，采用了尺寸统一的六角形隔热瓦，每片隔热瓦下有三个固定点，中间夹胶，底层挂网。统一尺寸的隔热瓦减少了生产和维护压力。在第4次发射中，隔热瓦虽然整体耐受住了大气层的考验，但脱落、破碎仍难以避免，尤其是翼面转轴处的设计明显需要改进。因此，第5次发射前，SpaceX对S30的热防护系统进行了全面返工。官方称，发射团队花费了12000 多个小时，用新一代隔热瓦、备用烧蚀层替换了整个二级的热防护系统，并对翼面转轴处的防热和密封进行了额外补强，还在某些特殊位置布置了试验性的新型隔热瓦进行测试。这些改进措施是否有效，只能由星舰第5次升空约48分钟后二级再入地球大气层的实际情况来检验了——这也将是此次试飞的第二大看点。但是否能实现免维护再次发射，还要等后续发射实现二级回收才能全面评估。星舰第4次发射，二级再入大气层的画面 | SpaceX除此之外，SpaceX还在坚定推进星舰载人进度。SpaceX自行立项了代号“北极星”的系列载人任务，从载人龙飞船入手，逐渐突破各项深空载人技术，最终实现SpaceX具备独立的深空载人能力。在今年9月的首次任务，即“北极星‧黎明任务”中，宇航员穿着SpaceX自研的新式舱外宇航服，成功执行了SpaceX有史以来第一次舱外活动。而北极星项目的第三次任务，也就是最后一次任务，将要实现星舰的首次载人发射。北极星‧黎明任务出舱画面 | SpaceXSpaceX也始终不忘其殖民火星的宏图愿景。马斯克今年9月宣称，要在2年后，也就是2026年发射无人星舰以登陆火星。他曾在2016年首次星舰发布会上宣称，2024年要实现首艘星舰载人着陆火星——很显然，他食言了。但2026年的任务是相对务实的，按照星舰目前的进度，在两年时间准备一次无人火星任务是可行的。而且由于大概率是近乎空船着陆，在轨加注次数可能仅需5次左右，甚至更少。但此次任务的技术挑战非常艰巨，需要突破或验证在轨加注、深空长期在轨、火星大气EDL等技术。从目前所有公开资料来看，这次任务是SpaceX自费任务，NASA没有任何可见的计划性资助，而SpaceX只是不想浪费2026年的地火转移窗口。星舰舰队到达火星效果图 | SpaceX但是如果SpaceX在2026年真的准备实施这次任务，NASA想必会攒出一些载荷“白嫖”这趟旅程，毕竟这是人类第一次成吨级别的火表载荷投送机会。但靠考虑到风险很大，载荷应该也不会很高级。同时在火星再入、降落和着陆方面，SpaceX势必会向NASA的喷气推进实验室（JPL）求助，毕竟JPL在这方面经验极其丰富。这次火星任务其实并非临时起意，而是SpaceX“蓄谋已久”。早在星舰官宣之前，重型猎鹰刚完成首飞的时代，SpaceX就曾规划过一个“红龙”任务，自费将改造的龙飞船发射至火星表面，然后利用龙飞船的反推着陆功能降落火星表面。当时SpaceX将该方案提交给JPL，拟作为MSR（火星采样返回）方案的一部分。最后因为星舰的迅速上马，加上龙飞船反推着陆的取消，该项目只得取消。现如今随着星舰的成熟，这一计划果然重装上阵。红龙项目概念图 | SpaceX为实现火星任务，星舰也必须突破大规模推进剂在轨转移技术，势必需要第二座轨道发射台进行周转和交替发射。SpaceX的第二座发射塔已经基本搭建完毕了，但有趣的是，配套的发射台又做出了新的改进。第二座发射台上，“水冷钢板”可能会被传统的“导流槽”重新替代，发射台上的固定点火机构可能又将重新集成进火箭当中。图中右侧为第二座发射台 | RGV航拍难能可贵之处在于，星舰载人飞行和无人火星着陆这两项高难度、高投入、高风险的航天任务，竟然是SpaceX脱离NASA资助和合同需求之外，基于自身企业愿景自行组织和完成的。如果这两项任务最终都能成行，可以说SpaceX不仅是一家以完成合同，攫取利润为目标的航天承包商，更是一家有着诗和远方小理想的企业。星舰能否最终实现马斯克“殖民火星”的终极理想，值得我们拭目以待。而在那之前，此时此刻，让我们一起来围观星舰第5次试飞的直播，瞧瞧它的一级火箭今天会不会飞回发射塔，能不能被“大筷子”夹住回收吧！作者：跆拳道大灰狼编辑：Steed封面图SpaceX一个AI 铁筷子夹炮仗，是哪部武打片里有这功夫来着？如有需要请联系sns@guokr.com

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