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特别向最后无辜躺枪的《原神》,表示诚挚的歉意。
最近两天,笔者正忙于上海车展相关工作呢……突然之间,好友圈就“炸了”。一些个平日只发些吃喝内容,整日里打听各地“肉价”的货色,居然摇身一变成为了航天迷,开始为“星舰”欢呼了。
SpaceX于2019年9月公布的,“星舰”冲入火星大气层的概念图
是发射成功了吗?可是我还记得,马斯克本人表示成功概率不大啊?所以带着疑惑,即便一大堆文债压身,我还是点开了新闻——
首飞失败,实际上火箭飞一半就“炸了”。
然而这却不妨碍,许多人继续欢呼和沸腾,即便是埃隆·马斯克自己也一早做好了失败的准备,甚至再三告诫大家成功的可能性很低。“只要没有在发射台上爆炸,就算是成功”,这话可是他自己说的。
然而事实是,发射台虽然没炸,但损毁效果和炸也没啥区别了……
实际上,无论SpaceX的工程师还是埃隆·马斯克自己,对于“星舰”项目目前的不足,都是有着充分认识的。毕竟,仅仅下面级多达33台的发动机阵列,能否在得到起飞点火指令的同时一起点燃,都还存在严重的不确定性。这一点,一直到今年2月10日的第三次地面静态点火测试时,都还存在严重的问题(两台引擎没有点火)。而且类似的问题,在20日失败的首射任务中,变得更加的严重。
点火仅仅60秒,就已经有多达5台引擎熄火火,后续更是又熄了6台……
然而这毕竟是人类历史上,从未有过的“全民参与”型航天项目。
自“星舰”立项开始,SpaceX就对其进行了近乎全透明式地播报,向公众展示一切可以公布的细节信息,并以此从全球范围吸纳了数以亿计为其“打Call”的粉丝。而既然粉丝们的胃口已经被钓到了这种地步,那么发射也就成为了马斯克乃至SpaceX的“刚需”。
即便是用30亿美元打了个大烟花,该打的还是得打不是?
注:讲道理,这类前沿工程,当然是得支持的。但是这种“炸了就算赢了”又是什么道理?这几乎是近年来堪比“我同事去了就即是我去了”的荒唐画面
有关“星舰”首飞的过程,以及失败的细节,这两天各类公众号已传遍了简中网络,这里不再累述。
“我告诉过你(多发)没那么容易”
所以今天,距离“大新闻”发生后隔了整整三天以后,笔者只得应一些读者要求,谈一谈和“星舰”项目。
当然,有关首射的细节,其实很多媒体、公众号已经详细说明了。所以我们只谈谈那些“大”的部分。
01 “星舰”图的是什么?
首先要确定的一点是,狭义的“星舰”,只是那个造型独特的入轨飞船部分。“星舰”与下面的推进器部分,这里用星舰火箭来称呼。
2016年以来,星舰方案的演变
整个火箭的下面级,即SpaceX称为“超重型”(Super Heavy)的助推器部分,由33台“猛禽2”(Raptor2)液氧甲烷引擎组成。整个引擎分内外圈方式布置,外圈20台为固定式,内圈13台被安装在万向节的“猛禽2”,可以朝任意角度摆动最大15度。
而上面级部分“星舰”(Starship)本体,搭载3台专门优化真空比冲性能的“真空·猛禽”引擎,以及3台和“超重型”同配置的“猛禽2”引擎。后者同样被安装在万向节上,可以摆动最多15度。
“超重型”尾部安装的发动机阵列,内侧的13个被置于可偏转的万向节上
与其对比,同为SpaceX旗下的猎鹰9的“梅林”引擎,摆动角度只有5度。能够像固定翼飞行器那样降落的航天飞机,其RS-25引擎仅能摆动12.5度。所以星舰火箭的两个组成部分,理论上可以在完成发射任务后,凭借剩余燃料在大气层内机动数千公里,返回发射场或者另择合适的地点降落。
在垂直降落问题上,远比“猎鹰9”以及“重型猎鹰”更好的机动性,是一个显著优势。这意味着,星舰可以相对从容地选择降落地点。
而在动力系统方面,姑且不论推力/比冲数据很不错的“猛禽2”与“真空·猛禽”,其主要优点还有二:
首先,甲烷燃料虽然在成本比专用煤油略高——后者若非苏联那样拥有超高品质油田,就只能和中国那样采用煤炭液化工艺制取以便成分精确可控(看谁再敢把“火箭烧煤”当梗来说)——但更不容易结焦,出现意外事故的概率更小。
其次,由于猛禽系列引擎采用液态温度为-161.5°C的甲烷为燃料,氧化剂液氧的液态保存温度则是-183℃。两者温差远小于液氢(-252.8℃)和液氧的,低温燃料-氧化剂罐体的隔温措施相对简单许多。
爱好者绘制的,星舰火箭与曾经的美国最大火箭土星五号同比例并列对比图
此外,星舰火箭选用的美标304牌号不锈钢,也就是一般保温杯、不锈钢烧锅内胆材料那种“食品级”不锈钢材料,实际上是一种非常廉价的金属材料,最近这段时间的市场价格每吨售价仅仅3800元人民币,折合每千克3.8元。而航天级碳纤维,例如著名的T800HB,日本东丽生产大批量订购仍达到每千克2000元人民币。
而上述这一切叠加到一起,也就意味着星舰项目的本质,是探索一条如何采用传统“航宇级”规格标准以下的材料以及工艺,以尽可能低的成本去建造超大尺寸航天器,同时还要让这种设备具备至少不亚于“猎鹰9”的复用能力。
开始使用常规材料也就意味着,造价开始变得“正常”
其终极目标是,“星舰”和“超重型”在完成一次任务各自降落以后,可以经过简单的各项检测,在几个月甚至几周内,再次回到发射架上,安装到位并加注好燃料,进行执行下一次任务。
02 航天新时代的黎明
尽管已经最大限度地,考虑了成本和需求,但星舰火箭由于其体型之大,即使最终发射成功完全实现其初始设定指标,仍然存在着某些无法逾越的限制问题。
“超重型”需要检测结构,一个一个测试发动机。而“星舰”则要检查和修复隔热瓦。作为一种起飞质量达到5000吨的超重型航天发射平台,其注定无法和民航客机那样,在执行完毕一个航班飞行任务后,只经过简单检测加注燃料以后,立即投入下一个任务。这需要另一种思路的平台,例如中国航天科工集团公司目前正在推进的腾云工程,所采用的组合动力亚轨道飞行器+入轨航天器模式。
注: 星舰火箭的实质,是放大火箭体积,尝试接近当前技术的极限。同时降低原本航天项目的高标准,试探其可接受“下限”的边际……
一旦成功,则将诞生一种真正意义上的,如同客机执飞航班那样执行航天任务的,可以直接从机场起飞的航天发射平台。只不过这样的空天飞机系统,在规模上不可能超过现有航空器太多,而水平起飞、低维护要求的特性,也注定了其有效载荷比不可能与走大型化路线的星舰相比。
5000吨的星舰,宣称最大近地轨道投送能力为300吨,有效载荷比6%;在可回收模式下,最大近地轨道投送质量150吨,有效载荷比3%。而腾云工程的最终成果,总质量基本不可能超过300吨,有效载荷不会超过1.7%,即不超过5吨。
现阶段,未来航天器的两条主要路线,都已经初显端倪。星舰火箭刚刚进行了一次失败,但仍旧令无数人鼓舞地首飞。而腾云工程则在去年8月26日,进行了首次成功飞行。
根据中央电视台2022年8月26日的报道,这台由中国运载火箭技术研究院研制并制造的升力式亚轨道运载器,于当天在酒泉卫星发射中心再次点火垂直起飞,按照设定程序完成亚轨道飞行,平稳水平着陆于阿拉善右旗机场,成功实现我国亚轨道运载器首次飞行测试。
腾云工程的具体状况不明,我们只能通过已经公布的少数模型,来推测其全貌
这看似,又将是一轮“花开两朵,各表一枝”式的前进探索。然而,儿童才会作选择题,成年人的目标是“全都要”。
十余年来,有关我国登月火箭方案的,即“长征九号”的论证,正在渐渐走向最终的定案阶段。根据目前流出的,以及各项展会期间展示的模型,其最终构型将会是一种类似星舰火箭的三级串联“光杆”造型,加注完毕后的总质量为3930吨规模,总高度超过百米。
长征九号火箭的方案历经多变,最终被确定为现在的“光杆”式
马斯克给星舰火箭画的饼,是单发只要1000万美元,远期可以把价格降到200万美元。实际上和单发要价22亿美元的SLS相比,哪怕星舰在中远期能实现单箭将150吨载荷送入近地轨道要价还只要1.1亿美元,这都足以改变现有航天产业的现状。
尽管中国航天并没有美国那样,官商勾结成本虚高的问题,但“又便宜又好用”这一点对于我们来说,是具有同样的意义。
去年12月,SpaceX正式发布了名为“星盾”(Starshield)的卫星互联网星座项目。撕开所有话术包装与商业化虚词,其实质可以简单理解为“星链”(Starlink)星座的纯军用版本。
现阶段,美国的军事力量,已经深度依赖于美国的天际设施体系。无论是在轨部署的传感器、用于数据中继的节点,还是执行特定任务的功能型卫星体系。
SpaceX的“星盾”项目宣传图
因为深度依赖,所以脆弱不堪,特别在其“大国竞争”对手,已经掌握可靠、廉价而且有效的反卫星技术的今天。“星盾”项目的实质,是实现军用在轨航天器的分布式部署。如果单颗的,重达10吨且功能强大的电子侦察卫星,在直升式反卫星导弹的打击下是脆弱不堪的,那么20颗各重0.5吨,凑一起能大致实现类似功能的电子侦察卫星星座呢?
更何况,不久前发射的“星链”二代mini星,重量已经达到了790kg。“星链”2.0号称极限可以达到2吨。平台增大也意味着,搭载设备和功能的质变。
790kg重的“星链”2.0版mini星
227kg的0.9版“星链”卫星,充其量只能算个功能一般的太空路由器。但是2吨重的“星链”2.0,则可以根据需要配备各式各样的载荷,从提供数据中继功能外,变身电子侦察卫星、光学侦察卫星、红外线预警卫星,甚至是装载武器成为攻击卫星。而且凭借“星舰”的巨大载荷,成千上万的卫星混杂在一起,令对手既无法监测,更无法有效摧毁。
只有“魔法”才能击败“魔法”。真正的次世代航天竞争,已经拉开帷幕。我们在肯定SpaceX向前探出这一步的同时,更应该清醒认识到,这家从NASA乃至美军获取关键技术的企业,背后那隐约可见的美国国家机器身影。
当然上面这些思考,和参与到本次星舰狂欢中的许多人,是没有任何关系的。对于这一部分人来说,捧马斯克的同时踩一脚“你国”,似乎已经成了一种膝跳反射性行为,也可能是他们维持自我精神状态的必要。
对于这样群体,笔者在这里也借用一下“魔法”——
美利坚的资本主义宏大叙事,与氪个《原神》都肉疼的您,真的有关系吗?说实在的,诸位与其在简中互联网上制造数据垃圾,还不如尽早去“走线”呢。