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“星舰”二射又炸了,用你家保温杯的不锈钢造“独木舟”能送你去火星?

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“星舰”二射又炸了,用你家保温杯的不锈钢造“独木舟”能送你去火星?

据环球网报道,北京时间11月18日晚21时左右,美国SpaceX(太空探索)公司的“星舰”超重型火箭点火升空,进行第二次入轨级测试飞行。本次试飞计划飞行90分钟,“星舰”飞船首次到达了太空,但发射约10分钟后失去了联系,其自毁系统被迫触发,试飞被宣布失败。据CNN报道,这次比今年4月尝试时走得更远,但不幸的是,依然没有完成所有预定计划,最终还是再次爆炸。4月20日,“星舰”的首次入轨级试飞中持续了3分59秒,最高飞到了39公里,但一二级未能分离,并很快失控翻滚,在地面发出自毁指令40秒后解体爆炸。自4月份首飞以来,SpaceX对星舰进行了1000多次修改,包括用更稳定的发动机,加固了发射台,升级了自毁装置,还把一二级分离从冷分离改为热分离。4月20日,“星舰”首次轨道级测试飞行任务。图源:视觉中国在刘慈欣科幻巨作《三体》中,当今人类拥有的化学能火箭飞向深空被形容为“划着独木舟横跨大洋”,是“痴人说梦”。为使未来航天走“可控核聚变无工质推进”之路,主角之一章北海不惜采取行动制造意外,推动了恒星级战舰的诞生。这些星舰在三体文明入侵的生死关头飞向遥远外星系,成为“星舰文明”,为地球文明保留了火种。真实世界里的伊隆·马斯克,就像是划着独木舟横跨大洋的“痴人”。他要把化学能火箭的潜力压榨到极致,他邀请全世界仰望星空之人和他一起大梦一场,想把人类历史快进到移民火星这一集。2014年5月29日,马斯克在位于加州霍索恩的SpaceX总部。图源:视觉中国而他用以实现“痴人梦”的“独木舟”,被冠以“星舰”之名——在科幻世界里,这通常指穿梭于恒星系之间的飞船,是未来超级星际文明的标志。这枚大火箭,顶着极度高大上的名字和目标,所用的材料和燃料却极度接地气——箭体是你手里的保温杯、你家高压锅的304不锈钢造的,所烧的“油”是你家煤气灶每天在烧的甲烷。不锈钢造的火箭真的能为地球人叩开通向月球和火星的“星际之门”吗?潮新闻邀请国际宇航联空间运输委员会副主席杨宇光为你做一番科普。4月10日,美国得克萨斯州博卡奇卡,星舰在发射台上。图源:视觉中国不锈钢造大火箭,可不单纯是“傻大黑粗”“不锈钢最大的缺点就一个字:重。但优点有很多,强度高,耐高温耐低温,而且极其便宜。”杨宇光说。根据测算,再入大气层时星舰二子级表面有20%暴露在1470多℃高温下,还有20%最高温是1300多℃,其余表面最高温低于1176℃,堪称“鬼门关”,必须采取足够的隔热措施。304不锈钢熔点在1398-1454℃,比目前任何主流的箭体材料都要耐高温,“星舰”还有1.5万多块隔热瓦,能经受1648℃高温,而不锈钢也可以扛一扛。马斯克本来想在“星舰”二子级上用碳纤维,但是碳纤维抗高温不行,就大胆改成了不锈钢。太空里更多是极寒的环境,不锈钢即使在零下160℃也能保持足够的延展性和强度,在平均温度零下63℃的火星表面就能游刃有余。更神奇的是,不锈钢在低温条件下强度会提高50%,甚至高于铝锂合金,添加铬镍的不锈钢还会增加12-18%的延展性,比碳纤维还坚固。然后就是廉价,不锈钢简直太便宜了。304不锈钢在我们生活中很常见,家里的高压锅、保温杯、橱柜……随处可见。2020年10月29日,金华哈尔斯工厂的工人在检验产出的不锈钢真空器皿。图源:视觉中国在马斯克最关心的价格方面,他算过一笔账——用碳纤维造火箭,每公斤成本超过135美元,同时碳纤维有35%的损耗,总体算起来每公斤要花200美元;用铝合金也要每公斤三四十美元;用301不锈钢薄板造同样的火箭,每公斤才3美元!这还没完,碳纤维制造工艺复杂,技术人员每小时工资得250美元,而焊接不锈钢板的普通焊工每小时工资不到50美元。马斯克曾说,NASA的SLS重型火箭花费的钱,够“星舰”炸100次。“不过,太重的确是个很大缺陷,因为航空航天材料都追求一个‘轻’字,为减重的每一克奋斗。”杨宇光介绍,“箭体太重,推力又不变,有效载荷就小了,所能带的燃料和货物就少了。”因此,想要采用不锈钢当箭体材料,必须有前提条件。“发动机必须足够优秀。‘星舰’的‘猛禽II’全流量分级燃烧循环液氧甲烷发动机,做得个子又小、推力又大、比冲又高,这些优点弥补了不锈钢在重量上带来的损失。”杨宇光说。另外一点,如果火箭做得特别大,也可以部分弥补不锈钢太重的缺点。换言之,就主打一个“大力出奇迹”,这也正是“星舰”的设计思路。不过杨宇光强调,我们不能单纯以为“星舰”就是“傻大黑粗”,其实“星舰”的不锈钢箭体非常有技术含量,“它做得非常薄,又大又薄又耐压,背后的材料技术和加工水平都非常高”。4月20日“星舰”的首次发射虽然失败了,但在天上翻滚了好久才解体,恰恰说明其不锈钢箭体的强度相当之大。上图为N1火箭第一级的30台发动机,下图为“星舰”第一级的33台发动机。图源:视觉中国选择苏联登月火箭一个路数,会不会重蹈覆辙?自从2016年“星舰”计划披露以来,坊间便称呼其为“史上最强大火箭”。它的5000吨起飞重量,大大超越了前世界冠军美国登月火箭“土星五号”的3039吨,它的7590吨起飞推力也大大超越了前世界冠军苏联登月火箭N1的4620吨。尤其有话题性的是,“星舰”一级大胆采用33台并联发动机,密密麻麻简直能引发有些人的“密集恐惧症”。这被外界认为是延续了半个世纪前N1的一级30台并联的思路。N1可不是一个成功的榜样,从1969年2月到1972年11月,N1火箭四射四炸黯然退场,最终苏联在登月竞赛中落败。“星舰”首射也炸了,火箭也同样失控了,不由让人怀疑这种用数十台并联的技术方案有没有前途。事实上,苏联给登月火箭装这么多发动机是出于无奈。“土星五号”采用的F1液氧煤油发动机,单台推力高达680吨,一级只需要5台就能发出3400吨推力。而当时苏联造不出那么强力的发动机,其NK-15发动机推力仅有154吨,为获得4000多吨推力只得采取30台并联。苏联N1登月火箭四射四炸黯然退场。与苏联航天部门的处境类似,SpaceX设计“星舰”时,现有的液氧甲烷发动机推力不足,230吨推力的“猛禽II”已是全球现役最强了。杨宇光告诉潮新闻记者,SpaceX同样选择多台并联,在一个箭体里塞进这么多发动机,就不能像长征五号、“重型猎鹰”那样捆绑几个助推器,还有个重要原因,就是为了重复使用。“马斯克说过,无论多大的火箭,需要的控制系统都差不多,所以火箭越大性价比越高。一个第一级加上两个助推器,要回收三个箭体,这样成本比用一个大火箭高多了,过程也复杂多了,越复杂可靠性就越差。”杨宇光解释说。然而,“水多加面、面多加水”的逻辑并不完全适用于造火箭。“火箭发动机的工作环境远比汽车发动机和航空发动机更恶劣,一样重量的发动机,火箭推力远远高于后两者。这就不可避免地因为剧烈燃烧产生强烈的振动,出现耦合共振现象。”杨宇光说。如果几十台发动机装在不同箭体上,比方说“重型猎鹰”也有27台发动机,但它是分散在三个箭体上,每个箭体上也就9台,再通过级间连接装置连在一起,耦合共振没那么严重。“但如果几十台装在同一个箭体上,耦合就厉害得多。共振不单影响发动机,从储箱到管路到阀门都有影响。”杨宇光分析道,N1的几次失败主要不是发动机出故障,而是共振导致管路破裂或阀门坏了。“星舰”4月首射时箭体冒出大量白雾,也可能是管路被震坏导致液氧泄露。SpaceX“星舰”首飞时冒出白烟。图源:视觉中国但这不意味着“星舰”一定就会步N1的后尘。“时代毕竟不同了,当前计算机应用能力、动力学、振动分析与控制方面的认知是半个世纪前没法比的。”杨宇光举例说,波音公司能做到设计飞机时都不用做风洞试验,完全靠数字模拟就做到很准。在他看来,从理论上来说,多发动机并联的问题可以解决。在首发失败后,SpaceX采取了很多改进措施,包括喷管摆动从液压改成了电动,因为液压受动力学影响更大;发动机之间加了好多隔板,以隔离相互影响;还有计算机数字模拟。“但所有这些都代替不了地面试车。‘土星五号’即便只有5台发动机,都做了全尺寸试车台进行地面试验,发射时依然出现了耦合共振。”而马斯克为了省钱,没有建全尺寸地面试车台,“星舰”的试车也无法达到满功率,只有50%推力。因此问题在理论上能解决,在现实中能否过关,还很难讲。1983年4月5日,美国第二架“挑战者”号航天飞机首航成功,这是其在发射前夕。图源:视觉中国普通人坐“星舰”上天,在可预见的未来还没戏在SpaceX的“星舰”蓝图里,未来将完全回收一二级,同时每台发动机理论上可复用50次。最终目标是发射成本只剩下燃料、测控维修等杂费,将每公斤载荷发射成本降到10美元的极低水平,让普通人都能圆太空梦。目前我们距离这一步还有多远?杨宇光坦言:前景不明朗。他举了航天飞机的例子,来证明“理想丰满,现实骨感”。“航天飞机就是入轨级可重复使用,但为此付出了极大的代价。”据杨宇光介绍,航天飞机全系统起飞重量达2000多吨,如果是常规构型的运载火箭,低轨运力至少能有六七十吨,但是航天飞机的运力只有29吨。付出那么多代价,第一是为了能载人,第二是为了能回来,能重复使用。为了复用,航天飞机不仅运力损失了一多半,每次回来还都要做非常复杂的检修,它的每块隔热瓦形状都不同,难以标准化量产。“星舰”好一点,大多数防热瓦形状是一样的,但靠近顶部以及升降翼面的防热瓦也不一样,要更换这些必然带来时间和人才成本。“因为技术过于激进,首先能不能成功还要打个问号;即便完全复用在实践中成功了,最终是不是省钱也不好说。”尤其是未来“星舰”要计划载人飞行,安全将会是更大的难关。航天飞机只是载7个人,在135次飞行中就炸了两次(1986年的“挑战者”号和2003年的“哥伦比亚”号),共有14名航天员遇难。“星舰”一方面要极致地压缩成本,另一方面要一次运载100人,万一发生一次严重事故,基本可以肯定这100人都无法生还,这对于“星舰”计划带来的冲击是难以想象的。2021年5月2日,载人“龙”飞船从国际空间站返回地球,溅落在墨西哥湾。图源:视觉中国载人航天的安全要求有多严格?杨宇光举了个例子:SpaceX本想在载人“龙”飞船上使用火箭反推着陆,但被NASA和FAA(美国联邦航空管理局)给否决了,还是担心反推太不安全,要求SpaceX改回降落伞减速着陆。“‘龙’飞船外形非常短粗,其8台发动机只要4台工作就能着陆,就这样美国官方都不允许。‘星舰’二子级可比‘龙’飞船要细长得多,稍微一歪就可能倒、可能炸,风险太大,至今只成功回收过一次。不载人也就算了,载人的话,官方怎么可能开绿灯?”杨宇光提醒说,“星舰”载人的二子级要想重复使用,其唯一的着陆方式就是火箭反推,因为其空重达120吨,这远远超出了降落伞的承重极限。如果管理部门不允许,那么“星舰”载人飞行也只是空中楼阁,且不说登陆和移民火星,就算载客从纽约到上海都不可能实现。“星舰”二子级要比“龙”飞船细长得多。图源:视觉中国“星舰”更擅长绕着地球转,而不是飞向月球火星杨宇光进一步指出,“星舰”事实上不太适合送人送货月球、火星,最适合它的工作是绕着地球转,比如发射卫星到近地轨道。“因为发射深空载荷需要更高的速度,只有级数多,速度才能加上去。比如‘土星五号’是三级火箭,N1更达到了五级;再比如,发射‘天问一号’火星探测器的长征五号基本型是两级半,专门发射空间站的长征五号B就是一级半。”杨宇光认为,“星舰”为了百分百可重复使用,选择了两极构型,对于近地轨道是合算的、高效的,但对于深空运输来说效率却是极低的。所以,“‘星舰’是人类有史以来最强大的火箭”这个说法在他看来是有问题的。“你说它是最大最重的火箭那没有问题,近地轨道运力250吨它绝对是最大的,但如果是奔月轨道,‘星舰’不在轨补充推进剂的话,恐怕不如‘土星五号’。”据杨宇光透露,根据SpaceX的计划,“星舰”从地球去火星,要先在近地轨道加注液氧甲烷推进剂多达5次;如果是去月球,更是要补8-10次,因为去月球需要的速度增量更大。用来给“星舰”加油的“太空加油机”每天只有1-2次发射窗口及1-2次返回窗口,整个系统和任务搞得过于复杂,其成本和故障率都会指数式上升。“还有一大难题:液氧甲烷如何在轨长期储存?虽然这比液氢容易很多,但是人类还没有做到过,迄今液氧在外太空储存还没有超过一天的。”杨宇光分析说,同样是在太空里,近地轨道的航天器能得到强大地球磁场的保护,而深空环境要恶劣得多,飞向深空时“星舰”肚子里大量易燃易爆的燃料会不会出状况,谁都没法打包票。这场迈向“星辰大海”的远征,再壮丽再浪漫,人类也只能一步一个脚印,摸索着艰难前行。(来源:潮新闻)

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