马斯克又要用筷子夹火箭了?
北京时间今天(11月14日)清晨6时54分左右,一枚20多层楼高的火箭从天而降。它在美国得克萨斯州海边放慢速度,几乎悬停在半空。
而在岸上,一座高塔上伸出两条机械臂,原本已经做好了准备,打算把它夹住。
只是火箭最后没有飞向发射塔,而是在墨西哥湾的海面上完成了减速和悬停。随后,发动机关机,自毁装置启动,火箭在落向海面的瞬间炸成了一团火球。
这两条机械臂俗称“筷子”,马斯克则管整座塔叫“机甲哥斯拉”(Mechazilla)。
这枚火箭则是编号B22的星舰一级。6分多钟前,也就是北京时间6时47分左右,它刚从这座发射台升空,开始星舰的第15次试验性发射。
从2024年10月起,筷子已经接住过3次前代星舰的一级。今天本该轮到更大更强的三代星舰。
之前的3次三代星舰试飞,一级都没打算尝试回收。这次尝试了,飞得也还算漂亮:33台发动机里,只有1台在返航点火时没有点着,但也不影响后续流程。
星舰一级返回途中丨Max Evans / NSF
可惜最后改道,没有飞回塔里。
为什么临时改道,SpaceX还在排查。类似的事以前也有过:2024年11月星舰第6次试飞,一级同样在返航途中放弃了塔接,事后查明,是和发射塔的电脑失去了通信。
星舰是马斯克的SpaceX研制的新一代重型运载火箭,也是迄今人类造出的最大、推力最强的火箭。马斯克造它,最初是为了把人送上火星。
星舰高124.4米,相当于40多层楼,由上下两级叠成。下面的一级高72米,底部装着33台猛禽(Raptor)发动机。上面的二级高52米,装着6台发动机。二级本身就是一艘飞船,所以也叫星舰飞船。
星舰S42的6台猛禽发动机丨X用户@thejackbeyer
按设计,星舰一次能把100吨以上的货物送进近地轨道。SpaceX给它定下的目标,是上下两级都能飞回来,反复使用。今天早上飞回来的,就是下面那一级。
另一边,编号S42的二级进入了距地面约275千米的近地轨道。起飞后35分钟左右,26颗SpaceX自家的第三代星链(Starlink)卫星,从船身一侧的“发牌器”里一颗颗被推出去,就像发扑克牌一样,40多分钟后全部释放完毕。
但这些都不是此次任务的最大看点。
此刻,S42仍在绕地球飞行。它要在太空待上将近一整天,直到北京时间明天清晨5点多才返回。它要斜穿北美大陆,飞回发射台,钻进那双今天早上没等到一级的筷子里。
此前14次飞行,飞船要么在半路解体,要么落进海里,从没飞回过发射场。这将是星舰第一次尝试用发射台回收飞船。马斯克此前的判断是,成功的可能性过半。
按原计划,这本该是人类第一次在一次飞行中,把一枚入轨火箭的两级都收回来。一级落海后,这个目标只能留到下一次了。
但明早这一夹仍是头一回:从来没有人用发射塔接住过一枚从轨道上回来的火箭二级。
如果成功,星舰的一级和二级就都被筷子接住过了。离一款真正能整枚反复使用的火箭,只差最后一步。
SpaceX团队特意在星舰S42的编号旁喷了一行字:“Don’t panic”(别慌),这是科幻小说《银河系漫游指南》中的经典台词,借此给星舰打气丨SpaceX
飞船还在天上飞
放完卫星,S42并不急着回来。
按原计划,地面需要这段时间腾地方:接住的一级要卸下移走,筷子也要检查复位,才能空出手来接二级。今天一级落了海,这一步省了,但飞船仍要按计划在天上待满将近一整天。
飞船自己也在经受考验。近22个小时的在轨飞行,是星舰迄今最长的一次,对电池、飞船朝向的控制和推进剂保存,都提出了前所未有的挑战。
贮箱里还留着回程要用的推进剂,那是零下160摄氏度以下的液氧和液态甲烷。在阳光直射下,它们难免受热蒸发。
飞船的腹部贴满了黑色的隔热瓦,本来是为返回时扛高温准备的。眼下它得缓慢地转动身体,把这层隔热瓦对着太阳,相当于给自己撑了一把遮阳伞。
这次飞这么久,也是在补上次试飞没过的课。
9月28日的第14次发射,星舰第一次真正进入轨道,成了一款名副其实的运载火箭。但那次二级有1台发动机在上升途中失效,原计划在轨飞行近9小时,最终只飞了约3小时就提前离轨,溅落在太平洋。
以后去月球、在太空加油,星舰飞船都得在轨道上长时间待命,这个本事至今还没有完整验证过。
按计划,北京时间11月15日凌晨4时23分左右,S42将点火离轨,并在之后不到1小时内被筷子夹住。
明天的这最后1小时,才是整场试飞最难的部分。
火烤、甩尾、穿针
同样是回家,一级要走的路相对容易得多。今天早上,B22就把这段路完整走了一遍,只是终点换成了海面。
与飞船分离时,一级的高度大约70千米,速度只有每秒1.5到2千米,从分离到被夹住只要几分钟。高度低、速度慢、距离短。
二级却要从每秒约7.8千米的轨道速度往回走,那是音速的大约25倍,带着的动能是一级的十几到二十几倍。要把这么多能量安全卸掉,它得连闯三关。
第一关是火烤。离轨之后,飞船以贴满隔热瓦的腹部朝下,从太空重返大气层,也就是再入。前方的空气被剧烈压缩,烧成发光的高温气体(等离子体),把飞船的迎风面整个裹住,最热处达1400到1650摄氏度。
近两万块六边形隔热瓦,连同各处转轴和密封接缝,全都泡在这层火焰里。星舰已经做过多次再入试验,挺过高温已不是难题。这次的关键在于,烤完之后,那些要被筷子夹住的部件必须完好无损。
此前的星舰飞船S41再入大气层时,船身被高温等离子体完全包围丨SpaceX
第二关是甩尾。一级是竖着回来的,二级却是趴着回来的。它腹部朝下,靠船身前后两对可以摆动的小翅膀,也就是襟翼,在大气中滑翔数千千米,斜穿北美大陆,一边耗掉速度,一边修正航向。
为了尽量少用刹车燃料,它要一直趴到离塔只剩几千米、离地只有几百米时,才在极短时间内从水平甩成竖直,同时点燃3台发动机。这就是“神龙摆尾”。
这一甩是整个过程中最容易出事的一步。襟翼、发动机、导航软件,只要有一样慢了半拍,飞船就进不了筷子的抓取范围。
此前星舰试飞中的神龙摆尾过程丨SpaceX
第三关是穿针。筷子合拢时卡住的,是船身上两个专门用来起吊的承力点。船身有52米高,这两个点却堪称迷你,留给位置、速度和姿态的误差都很小。
海上溅落可以划出一大片海域,平稳落进海里就算成功。筷子却不行,它能转动的范围本就有限,发射塔又是整座基地最贵的固定资产,飞船带着残余推进剂撞上去,后果不堪设想。
发射台上的捕获机械臂动画图,俗称“筷子”,它既是回收机构,也是箭体的起吊机构丨SpaceX
星舰二级的捕获点非常小,对精度的要求堪称苛刻丨SpaceX
闯过这三关,就到了最后几十秒。立直之后,S42缓缓落进筷子的范围,关掉1台发动机,剩下两台微调位置。接近悬停时只留1台。筷子合拢,抱住飞船的那一瞬间,最后1台发动机关机。
每一步,SpaceX都备了退路。
如果升空途中出问题,飞船还没进入轨道就会掉下来,落进印度洋。这一关,今天早上已经平安闯过。
在轨时发现问题,就提前离轨,落到美国夏威夷附近或智利以西的海里。第14次发射就是这么回来的。
再入前出了问题,可以主动让飞船解体,在大气层中尽量烧掉。但它的路线横穿北美,残骸有落到陆地上的风险,这是要极力避免的。
到了最后阶段,只要飞船或发射塔有一方状态不对,就取消甩尾和点火,让飞船直接坠入发射台东边的墨西哥湾。
今天早上的一级,用的就是同样的退路:宁可放弃塔接落进海里,也不拿发射塔冒险。
红色为本次的再入安全区,斜穿北美大陆南部;末端的蓝色是取消回收后的海上坠落区丨X用户@SpaceNotices
二级回收才是目标
费这么大劲、冒这么大风险,只为接住一艘飞船,SpaceX有自己的算盘。
火箭几乎都是一次性的。在过往7000多次航天发射中,绝大部分火箭的箭体和发动机精密复杂、造价高昂,却只工作十几分钟就被当成垃圾扔掉。
猎鹰9号是SpaceX现役的主力火箭。它的一级早就能飞回来重复使用,技术已经非常成熟,各国不少火箭公司都在模仿它的思路。二级回收却少有人碰,因为太难。业内甚至有一种经典观点:火箭最上面那一级根本没必要回收,造一个便宜的一次性二级更划算。
SpaceX不这么认为。星舰项目从立项之日起,就以两级完全回收为终极目标,不达目的誓不罢休。
人类迄今7411次入轨发射中,绝大多数火箭用完即弃,航天飞机和猎鹰9号也只能部分复用,还没有一款火箭做到两级完全复用丨X用户@ApoStructura / Steed汉化
说到底,是因为星舰的二级太贵了。猎鹰9号的二级只有1台发动机,体积也小,一次性用掉,工厂的制造速度还算跟得上。星舰二级体积庞大、结构复杂,不回收的话,每飞一次就要扔掉6台发动机、近两万块隔热瓦和整个不锈钢船身,下次发射还得重新造一艘。这样一来,发射成本就很难再往下压。
交通工具要大规模普及,前提是可以反复使用。火箭也一样,只要还有一级要扔,发射的成本、次数和规模就上不去。所以,星舰的二级必须回收!
如果明早成功,星舰的两级就都被接住过了,两级完全重复使用在技术上就算走通了,只差在同一次飞行里把两级都接回来。
而对SpaceX来说,接住二级还不只是为了省钱。
排着队等星舰的大计划
一旦两级都能回收,星舰就能像航班一样频繁发射,SpaceX的好几项大计划才算有了着落。
最迫在眉睫的是载人登月。
美国重返月球的计划叫阿尔忒弥斯计划。宇航员先坐NASA的猎户座飞船飞到月球附近,再换乘登月舱下到月面。2021年,NASA选中改装版的星舰来当这个登月舱。2023年,NASA又选了蓝色起源(Blue Origin)的蓝月着陆器当第二家。
今年2月,NASA全面调整了计划。原定2027年载人登月的阿尔忒弥斯3号,改成在近地轨道上练习对接:宇航员乘猎户座升空,先后和蓝月、星舰登月舱在太空中靠拢、连在一起。也就是说,星舰最晚明年就得拿出能和载人飞船对接的登月舱。
星舰版登月舱(左)与猎户座飞船对接的CG图丨SpaceX
阿尔忒弥斯计划的首次载人登月,挪到了2028年的阿尔忒弥斯4号。到底用哪家的登月舱,NASA还没定。星舰稍有推迟,这一轮登月中第一个把人送上月面的位置就可能被蓝色起源抢走。星舰已经没有退路。
星舰登月舱最大的特点就是大。它一点都没有半个多世纪前阿波罗登月舱那种“小快灵”:高50米,直径9米,乘员舱离月面约30米,也就是10层楼那么高,宇航员要坐电梯才能下到月面。
星舰登月舱相关硬件和效果图展示丨SpaceX
这么大的家伙,光靠一次发射到不了月球。星舰飞进近地轨道时,燃料就差不多烧光了,得由别的星舰陆续上来给它加满,才能继续飞向月球,这叫在轨加注。
到底要加几次,争议一直没停过。NASA航空航天安全咨询小组公开表示,一次登月需要22次在轨加注;马斯克很快在社交平台X上反驳,说更可能只要6到8次。
不管哪个数字,都意味着要密集发射,而密集发射离不开回收。可以说,无回收,不登月。
另一项是太空算力中心。人工智能越来越耗电,美国的数据中心正和附近居民抢水抢电,还被投诉噪音扰民。SpaceX想把数据中心搬到天上,那里无云无雨,太阳能稳定可靠,取之不尽。
它的星智(Starmind)计划,首代卫星AI1载着英伟达的芯片,太阳能板展开后翼展75米,比一架波音747还宽。
不过,真空里散热难,芯片怕辐射,算力上天能不能算得过经济账,还要打个问号。但这么大的卫星,只有星舰装得下、送得起。
SpaceX星智卫星(左)和三代星链卫星的对比图丨SpaceX
手机直连卫星也在等星舰。SpaceX正在组一张由1.5万颗卫星组成的新网,没改装过的普通手机也能直接连上。
过去,星链和美国运营商T-Mobile合作,给它的手机用户提供卫星短信,双方是合作伙伴。现在,SpaceX可以绕开运营商,直接把信号卖给手机用户。消息传出,美国三大电信运营商的股价应声下跌。
星链负责赚钱,星智提供算力,手机直连提供用户入口,把这三样东西送上天的,只能是能完全回收和复用的星舰。这三重需求,已经把星舰的发射排期塞得满满当当。
手握这套业务的强劲收入预期,马斯克前一阵在网上公开喊话:即使现在取消所有政府(包括NASA)授予SpaceX的发射合同,他也毫不在乎。
明早,能见证历史吗?
前面14次飞行,星舰都在证明“这是一枚火箭”。第15次,它要开始证明“这是一枚可完全重复使用的火箭”。前者都有前人做过,后者才是全新且最艰巨的挑战。
星舰未来依然道阻且长。在轨加注还没真正做过,接回来的火箭怎么翻修、多快能再飞,仍需磨合。至于马斯克造星舰的初衷,把人送上火星,更是遥遥无期。
但无论如何,星舰实现完全重复使用的那一天,都值得一书。至少它将证明,只消耗燃料就能进入太空,在技术上完全可行。
或许几十年后,当高可靠、低成本的完全重复使用火箭成为绝对主流,火箭发射像今天的民航航班一样稀松平常,人类才算真正进入了“航天时代”。
到那时回望今天,人们或许会把明早接住二级的这一刻,看作这个时代的开端,把星舰看作这个时代的“福特T型车”。当年正是这款车,让汽车开进了普通人家。
明天清晨5点多,如果一切顺利,得克萨斯州海边会上演今天早上没能出现的那一幕:一艘50多米高的飞船从天而降,在半空中翻身、悬停,同一座高塔伸出那两条机械臂,一合拢,把它稳稳夹住。
只不过这一次,它是从轨道上回来的。
筷子夹住星舰飞船回收的场景,明天能否成为现实?丨SpaceX
本文来自微信公众号 “果壳”(ID:Guokr42),作者:跆拳道大灰狼,36氪经授权发布。