【球盟会】星舰发展简史:从PPT设想,到筷子夹火箭成真!

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10月13日,马斯克的太空探索技术公司SpaceX,正式完成了星舰的第五次试飞,首次成功实现了超重助推器的着陆回收,从最早的PPT设想,再到筷子夹火箭的调侃变成现实,星舰距离完全复用运载器仅一步之遥,本文再回顾星舰历年的发展历程。

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10月13日,马斯克的太空探索技术公司SpaceX,正式完成了星舰的第五次试飞,首次成功实现了超重助推器的着陆回收,从最早的PPT设想,再到筷子夹火箭的调侃变成现实,星舰距离完全复用运载器仅一步之遥,本文再回顾星舰历年的发展历程。

【球盟会】星舰发展简史:从PPT设想,到筷子夹火箭成真!

1.早期设想概念

星舰最早来源于马斯克的一个设想,2005年11月份,SpaceX发射第一枚火箭猎鹰1号前,马斯克首次提出想建造一种两级结构的大型猎鹰火箭,助推火箭和飞船均可回收重复利用,可以将货物和乘客运送到地球轨道、月球和火星;

星舰发展简史:从PPT设想,到筷子夹火箭成真!

2012年,马斯克首次向公众公开了自己的想法,表示计划开发一款远超猎鹰9号的火箭,马斯克称其为火星殖**输机,主要将人类运往火星;2016年,火星殖**输机更名为行星际运输系统(ITS),马斯克同时还公布了运载火箭、航天器和猛禽发动机的更多细节。

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2016年9月份的国际宇航大会,SpaceX首次进行猛禽发动机点火测试,同时也开始启动原型机BFR大火箭的开发,当时由于主流的火箭均使用碳纤维,碳纤维优点在于轻质高强、耐腐蚀,所以BFR原计划也是碳纤维结构,但是缺点也很明显,一是成本极高,当时碳纤维每公斤约130美元,需要用多层纤维包裹并固化数小时,工艺耗时且容易出错。

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猛禽发动机主要使用液氧和甲烷作为燃料,也就是我们熟知的天然气,价格比液氢低得多堪称“白菜价”。时间很快来到2018年12月,马斯克宣布BFR大火箭将使用不锈钢,加工工艺比较简单,在低温环境下通过轧机卷压就能形成所需的结构,大大减少了加工的复杂性和成本,同时还非常耐高温不需要厚重的隔热层,维护成本也更低,当时不锈钢的设想也让全网群嘲。

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随后,马斯克正式将BFR更名为Starship星舰,其实整个飞行器有两级结构,二级飞船叫Starship星舰,一级驻退机叫Super Heavy超重助推,马斯克还宣布星舰不需要隔热层,只需要加一些类似于航天飞机可重复使用的轻薄隔热瓦即可。

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2.原型测试快速迭代

2019年,星舰首个原型机“星虫”(Starhopper)在博卡奇卡建设完毕,外型像个大水塔,虽然具有完整的9米直径,但没有头部储罐,高度与完整版的星舰还不能比,样子非常简陋,3月份星虫完成了几次静态点火;7月25日,星虫搭载单个猛禽发动机测试达到了约20米的高度;8月27日,星虫测试上升到150米,最终降落在距离发射台约100米的地方,这也是猛禽发动机第一次真正意义上的飞行;9月3日,星虫Starhopper被转移到博卡奇卡发射场附近的停车场。

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与此同时,SpaceX团队开始在德州和佛州建造高空原型Mk1和Mk2,让团队相互竞争,同时还要实时与马斯克分享技术进展和个人见解,Mark系列原型机配备三个猛禽发动机,预定目标是达到5公里高度,Mk1直径同样为9米,高度达到约50米,空重200吨,主要是测试飞行和再入实现亚轨道飞行,然而不幸的是Mk1在11月的一次液氮压力测试中爆炸了。

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但对于SpaceX团队来说“失败”早已是家常便饭,所有的失败都是快速迭代的一部分,他们需要做的是快速找到问题并解决,然后继续投入到第二次测试。佛州Mk2的团队与德州Mk1团队分享了失败经验,Mk2项目暂停;在压力测试爆炸后的第10天,Mk3原型机正式开始建造,马斯克将其重新命名为SN 1,马斯克还补充每一代SN都会进行一次小改进,预测至少要迭代到SN 20,才可能打造出1.0版本星际飞船。

2020年3月,Mk3/SN1发动机圆盘无法承受储罐重量,导致储罐爆炸破裂,马斯克的宏伟计划再次遇挫;4月份,SN3原型机由于测试配置,未能承受住装满液氮的甲烷储罐压力,导致储罐再次坍塌皱缩,并在重力作用下几近解体;

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Mk1 SN 1

3.首次低空飞行

5月份,SN4成为首个通过超低温压力测试的全尺寸原型机,首次完成静态点火,但是在第5次静态点火关闭发动机后爆炸,液态甲烷喷出在博卡奇卡基地形成巨大的云团,SN4的下部液氧罐成了碎片,上部液甲烷罐也遭到损坏,发射基座也因为这次爆炸毁掉,但幸运的是SpaceX已经有了替换的发射架,可以继续进行快速迭代测试。6月份,SN7完成了破纪录的压力测试后爆炸(SN7并非全尺寸星舰原型机)。

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2020年8月5日,在星虫首飞一年后,不锈钢大水塔SN5原型机完成静态点火,并且成功完成首次低空飞行测试,达到了150米的高度,降落在附近的停机坪上;2020年9月3日,短短一个月后,酷似双胞胎的SN6也完成重复的跳跃,同时SpaceX的猛禽真空发动机在德克萨斯州麦格雷戈进行了首次全时点火测试,真空发动机有更大的喷管,为星舰提供足够的推力。

实际上SpaceX遇到的最大阻力几乎都来自FAA和各种动保、环保组织,2020年9月,SN6测试的同时,SN8、9、10、11、12几乎都已经亮相等待测试;9月23日,SN7的改良款SN7.1在极限压力测试中爆炸(SN7.1为测试储罐);

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4.对抗FAA

2020年10月,星舰SN8是首个拥有全尺寸上层的原型机,不过并没有加装隔热瓦,SN8完成了4次静态点火测试;2020年12月8日,SN8首飞达到了12.5公里的高空亚轨道飞行,尽管返回地面时发生了爆炸,但依然被认为是非常成功的测试,完成了猛禽发动机的测试、飞行器的气动进入能力和推进剂输送管理情况,还尝试了着陆翻转动作。

但是这一次测试也引起了FAA的不满,他们认为马斯克无视了爆炸警告,展开为期两个月的调查,FAA的负责人批评马斯克经常违规,没有进行程序检查就发射;此外环保组织也对SpaceX的星舰项目提出了诉讼,希望FAA进行更深入的环境评估,他们觉得马斯克的星舰可能会对一些濒危物种的栖息地造成伤害。

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5.第一次软着陆

2021年2月2日,星舰SN8的双胞胎升级版SN9测试,上升达到大约10公里的高度后进行了姿态调整,并尝试了控制下降和着陆,但在着陆过程中,由于一个猛禽发动机未能重新点火,导致SN9着陆速度过快,并最终发生了RUD硬着陆。3月3日,星舰SN10完成了SpaceX的第三次高空飞行测试,三个猛禽发动机推动,飞行至大约10公里的高度,然后进行了一系列复杂的操作,包括转换推进剂到内部头罐、为着陆准备的储罐,然后重新定位自己进行再入和控制空气动力学下降。

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SN10和SN9同框

在下降过程中,SN10利用四个襟翼进行主动空气动力学控制,通过机载飞行计算机控制,以精确的姿态在预定地点着陆,SN10的猛禽发动机在着陆翻转机动前重新点燃,并且成功地在着陆台上软着陆,不过在着陆不久后就爆炸,这一次虽然再次爆炸,但仍然相当成功,提供了宝贵的数据和经验,有助于改进后续的星舰原型机设计和测试。

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2021年3月27日,马斯克在短短两个月内进行第三次测试,SN11进行10公里高度的高空飞行测试,这一次就没有前面几次那么成功,箭体在空中发生了解体炸成碎片。由于SN8-SN10较为成功,结果远超预期,所以SN12并没有完全建造完毕,SN12、SN13和SN14的建造被取消,仅有SN12的鼻锥作为试验结构得以保留,4月28日,SN12鼻锥进行了结构验证测试,但没有测试到结构失效。

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2021年5月5日,SN15成功完成了10公里高的高空飞行测试,并且首次实现了安全着陆,没有发生爆炸,发动机区域起火但很快就被扑灭,这一次也是SpaceX星舰原型机在高空飞行实验中的重大突破!由于SN15快速迭代结果再次超出预期,SN16、SN17、SN18、SN19均仅完成简单测试,或是直接停止建造并被报废,工作重心转向SN20+。

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6.星舰首飞

2021年7月,马斯克将SpaceX的命名从SN改成了Ship,星舰首次迎来完成的合体,用大型起重机将Ship20放在助推器B4的顶部;8月份,B4安装好了29台发动机,同时增加了栅格翼;10月份,筷子机械臂正式安装在发射塔上;12月份,B4完成首次低温验证测试和气动验证测试,随后与Ship20/SN20一起退役,此外B5也和SN15、SN16一起退役,B6则是转为B6.1测试罐。

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2022年6月,星舰的首飞仍迟迟未来,FAA认定SpaceX在环评中存在75个以上的问题需要改进。22年7月,B7测试了33台猛禽发动机的液氧涡轮泵,导致底部发生爆炸,摧毁了一根压力管,同时还对发射台造成轻微损坏;22年11月,Ship24已经完成了全部6台发动机的静态点火测试,只待首飞;22年也是最难熬的一年,前面从19年的星虫早期测试,到20年SN5-SN8的低空飞行,再到21年SN9-SN15着陆取得成功,几乎是一年一次大变样。

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时间来到2023年1月,S24+B7完成湿彩排;4月14日,星舰首飞终于获得FAA批准;4月17日,星舰S24和超重助推B7合体,高度来到120米,成为人类有史以来最高的火箭!首飞原计划在4月17日进行,但由于星舰的压力阀似乎被冻结,星舰首飞推迟到4月20日,星舰飞船入轨绕地球近一圈,33台猛禽发动机中有5台熄火,星舰飞行姿态失控,在30公里高度爆炸解体。

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7.第二次试飞

在第一次试飞后,SpaceX开始对发射架进行修复,发射塔的地基被加固,23年8月,SpaceX继续向FAA提交了下一次试飞会改正的63项措施,最终FAA在9月8日结束了对SpaceX的调查;10月31日,FAA对星舰第二次试飞的许可才到;11月18日,在首次试飞半年后,S25+B9迎来了飞行测试,星舰发射后33台猛禽发动机全部点亮,热分离成功,星舰一级分离后爆炸自毁,二级发动机全部点燃进步神速。

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8.第三次试飞

在第二次飞行试验之后,SpaceX对星舰项目进行了重大的改进,将推力矢量控制系统升级为电动推力矢量控制(TVC),同时延迟液氧(LOX)排气,防止像第二次试飞那样在液氧排气口启动时,星舰发生泄漏导致燃烧;2024年3月14日,距离上一次试飞过去不到4个月,S28+B10执行第三次试飞,当天因为清理墨西哥湾的船只,发生推迟了约一个半小时,本次星舰升空延续了第二次的出色表现,33台猛禽发动机全部点亮,一二级成功热分离,星舰一级达到了环绕速度成功入轨。

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9.第四次试飞

2024年6月6日,这一次试飞间隔再次缩短,距离第三次试飞仅仅三个月,本次由S29+B11执行第四次试飞任务,点火后点亮了32台猛禽发动机,星舰一二级热分离,这一次重点在二级超重助推器上,发射后7分钟,超重助推返回墨西哥湾,执行着陆助推点火,在海面上实现悬停,马斯克透露第四次B11降落悬停的精度高达0.5厘米,也难怪老马对第五次试飞如此自信。

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10.第五次试飞

2024年10月13日,FAA突然发布了第五次试飞的许可,同时第六次试飞也发下来了,老马直接光速安排第五次试飞,而这一次也将是载入史册的一次试飞,由S30+B12执行试飞任务,点火后依然是漂亮的33台猛禽发动机全部点亮,超重助推按照原计划热分离成功,二次点火的13台猛禽发动机全部点亮,一台高70米、直径9米的B12助推器从70公里高度,精准降落到发射塔两条机械臂筷子中间,星舰S30也在印度洋完成溅落,星舰的第五次试飞也可以大大方方地说真的取得了圆满成功!

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11.未来

第六次试飞许可已经下发,但可能要到明年Q1试飞,超重助推B13早在今年2月份就已经组装完成,B13在4月份完成了低温测试,B14在5月份组装完毕,B15和B16的组件也已经亮相;星际飞船S31和S32完成静态点火测试,去年11月份,原来S33、S34-S38的部分组件均已报废,第二代星舰Block2会采取一些重大升级,搭载猛禽3代发动机,星舰非常的高度可能会增加,扩大推进剂容量,大家可以期待下星舰的第六次试飞。

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