周日，SpaceX 再次突破工程极限，完成了 Starship 火箭的第五次试飞。这艘巨型火箭在发射仅 7 分钟后，其助推器就借助机械臂精准返回德克萨斯州的发射台。然而，这次看似完美的飞行中出现了意外：超级重型助推器 B12 上的一些猛禽发动机在准备着陆捕捉时似乎遇到了问题。这些发动机到底发生了什么？马斯克如何解释这一令人不安的现象？更重要的是，这次"意外"会如何影响 SpaceX 的火星计划？是否可能反而加速了我们迈向星际的脚步？
发动机舱内的火焰
如果你密切关注了 SpaceX 的 Starship 第五次飞行,特别是超级重型助推器的惊人着陆,你可能注意到在 T+6 分 32 秒左右,助推器底部出现了火焰,并在 6 分 39 秒时火势加剧。发动机舱内的火焰清晰可见,引发了人们对 Starship 发动机可能出现问题的担忧。
然而,事实并非如此。在整个 7 分钟的飞行过程中,从起飞开始,所有 33 个猛禽发动机都运转良好。没有发动机出现意外关闭,这在之前的发射中曾经发生过。所有发动机都成功重启,事实上,它们平稳高效地执行了关闭和重启程序。
当助推器 12 号使用三个猛禽 2 发动机精确地将自身重新引导至捕捉塔的那一刻,令人惊叹不已。整个过程 100% 顺利精确,不仅仅是一个或两个,而是三个发动机完美同步工作,产生有节奏的受控运动。推力矢量控制和万向节系统的精确度非常出色,使助推器能够优雅流畅地执行复杂机动。这种运动如此受控,几乎感觉像在观看 CGI 渲染的动画,这证明了这种壮举在现实世界中所需的精确度。
技术细节
这展示了该系统在精细、高风险机动中进行最终推力调整的令人印象深刻的能力。当然,我们不能忽视 (SpaceX 的捕捉塔)的作用。塔架及其筷子臂经过了彻底的稳定性测试,即使在承受巨大压力的顶部也是如此。
发射后的图像显示,助推器 12 号仍然含有近 500 吨燃料。为了更好地理解这一点,筷子臂必须支撑相当于 80 头非洲象、16 节火车车厢或 3 头完全成年的蓝鲸的重量,每个重约 200 吨。然而,捕捉过程看起来异常轻柔,几乎没有明显的振动。这种平稳性得益于筷子臂的新设计,SpaceX 为其配备了具有高弹性的缓冲垫。这些垫子帮助减缓了超级重型的速度并吸收了其惯性,使捕捉看起来毫不费力。慢动作特写甚至显示了这 16 个缓冲垫在这个关键时刻的出色表现。
但是等等,我们是否忽视了什么?如果一切都运行顺利并协调良好,那么为什么下部发动机舱会出现火焰呢?可能的原因始于发射后 6 分 9 秒,当时助推器 12 号正在下降,没有推力,仅依靠格栅翼的引导。考虑到超级重型的巨大重量,其下降速度明显大于猎鹰 9 号助推器。仔细观察那一刻拍摄的照片可以发现,由于空气摩擦,发动机温度极高,甚至在没有发动机点火的情况下也呈现出红热状态。这种现象归因于发动机舱内的大气加热,导致热防护罩达到如此高的温度。随着温度上升,可能会发生气体泄漏,这可能解释了发动机舱内看到的小火。
幸运的是,火势相对较小,表明泄漏并不严重,进一步证明了猛禽 2 发动机运行正常。SpaceX 首席工程师埃隆·马斯克在推特上发布了关于猛禽发动机的更新:"一些外部发动机喷嘴因加热而变形,还有一些其他小问题,但这些都很容易解决。"这一声明为助推器 12 号的猛禽 2 发动机状况提供了保证,表明这些小问题不会显著影响发动机的性能,可以在不造成重大复杂情况的情况下解决。
"容易解决"这个词既适用于 Starship 版本 1 上当前的猛禽 2 发动机,也适用于最近宣布的 Starship 版本 2 的下一代猛禽 3 发动机。观察猛禽 2 的变形可能会让人联想到猛禽 3 光滑的黑色外观。这是否是 SpaceX 的暗示?猛禽 3 的黑色仅仅是一层涂料,还是由不同的耐热材料制成?
下一代技术
有一点是肯定的,SpaceX 将很快提供更多关于猛禽 3 的信息,因为他们正在迅速向下一代更大的 Starship 迈进。鉴于这种潜力水平,我们可以得出结论,猛禽 2 仍然主要是一种实验性发动机,而猛禽 3 是 SpaceX 真正的王牌。猛禽 3 代表了一项重大改进,解决了其前代所有的弱点。
在最近的一篇文章中,马斯克解释说,与发动机相关的小型管道和线路必须被移除或集成到发动机的主要结构中,因为猛禽 3 将不会有热防护罩。此外,所有部件必须进行主动冷却,因此我们在之前没有流体或气体流动的区域增加了再生冷却。马斯克指出,这种再生冷却方法在主燃烧室外循环低温甲烷以保持其冷却。然后,温热的液态甲烷流入预燃室,继续循环。因此,与早期发动机版本不同,猛禽 3 不再需要额外的热防护罩。
但这还不是全部。猛禽 3 还通过将许多小管道和线路集成到其主结构中来消除它们。此外,它使用发动机壁上的 3D 金属打印将各种组件合并成单个复杂的零件。由于移除、集成或简化这些组件,猛禽 3 的重量仅为猛禽 1 的一半,包括发动机和相关硬件的质量。猛禽 1 的总重量为 8,000 磅,而猛禽 2 重 6,430 磅。相比之下,猛禽 3 将总重量减少到 3,790 磅,其中发动机重 3,362 磅,引起质量为 428 磅。
考虑到 Starship 的第一级超级重型配备了 33 个猛禽发动机,而 SpaceX 计划再增加两个,当前和下一代发动机之间的重量节省达到 40 吨。这种精心的简化过程不仅减轻了发动机的重量,还提高了其快速重复使用的能力。此外,它还提高了 SpaceX 大规模生产猛禽发动机的能力。"没有零件就是最好的零件"的制造方法最大限度地减少了装配需求,提高了结构完整性,减少了材料浪费,从而实现了更高效、更可持续的生产过程。
这些进步将至关重要,因为埃隆·马斯克旨在减少 Starship 飞行之间的周转时间,可能达到每周一艘 Starship,甚至每天一艘。
SpaceX的宏伟蓝图
猛禽发动机真正是终极多用途发动机。根据 SpaceX 的说法,猛禽 3 发动机可以产生 280 吨的向下推力。虽然它可能不是有史以来最强大的火箭发动机,但它在所有现役火箭中脱颖而出,而且远非能力不足。可重复使用性是猛禽设计的一个主要焦点。SpaceX 旨在将每个发动机重复使用一千次,由于大多数其他火箭发动机的可重复使用性有限或根本不可重复使用,猛禽的每次飞行成本将相对较低。这将使未来的太空旅行更加经济实惠和容易获得。
SpaceX 为猛禽发动机设定了雄心勃勃的成本目标,旨在将生产成本降至每吨推力不足 1,000 美元,这相当于每台发动机约 250,000 美元。实现这一目标将实现经济高效的生产,并促进太空探索努力的可扩展性。2022 年,SpaceX 宣布其在德克萨斯州麦格雷戈设施每天可以生产一台猛禽发动机,展示了实现这些生产目标的重大进展。
区别猛禽发动机的一个关键特征是它使用液态甲烷和液态氧作为燃料源,这种组合被称为甲氧。这种燃料选择对太空探索具有战略重要性,特别是对火星任务而言,因为甲烷和氧气都可能通过原位资源利用(ISRU)从火星资源中生成。ISRU 对于在火星上建立可持续的人类存在至关重要,因为它能够使用当地资源生产推进剂,从而减少对地球供应的依赖。此外,使用甲烷作为燃料提供了环境效益,比传统火箭燃料如 RP-1 煤油燃烧更清洁,产生更少的污染物。
猛禽发动机的卓越动力在促进人类前往火星的旅行中起着重要作用,使航天器能够达到前所未有的速度和效率,从而推进星际探索和殖民的可行性。猛禽发动机的开发凸显了 SpaceX 致力于推进可重复使用火箭发动机技术的承诺,专注于在最具挑战性的环境中最大限度地提高可靠性。通过严格的测试和持续改进,SpaceX 旨在确保猛禽发动机成为未来太空任务可靠推进的基石。
除了技术实力,猛禽发动机在 SpaceX 更广泛的革新太空旅行愿景中发挥着关键作用。通过降低成本和增加进入太空的机会,SpaceX 寻求为雄心勃勃的努力铺平道路,如建立长期月球基地和创建火星上第一个自给自足的殖民地。这一愿景与马斯克的雄心勃勃的时间表相一致,包括在 NASA 的阿耳忒弥斯登月任务之后,可能在 2020 年代中期,向火星发送一艘无人 Starship。马斯克设想在 2050 年之前在火星上建立第一个人类定居点。
随着 SpaceX 继续改进并将猛禽发动机整合到其航天器中,我们可以预期在太空探索和旅行方面取得进一步进展。这些发展有望开启人类探索的新前沿,最终塑造星际文明的未来。