潮新闻 记者 屠晨昕
据环球网报导，北京时刻11月18日晚21时左右，美国SpaceX（太空探究）公司的“星舰”超重型火箭焚烧升空，进行第2次入轨级测验飞翔。本次试飞方案飞翔90分钟，“星舰”飞船初次抵达了太空，但发射约10分钟后失去了联络，其自毁体系被逼触发，试飞被宣告失利。 据CNN报导，这次比本年4月测验时走得更远，但不幸的是，仍然没有完结一切预订方案，终究仍是再次爆破。 4月20日，“星舰”的初次入轨级试飞中继续了3分59秒，最高飞到了39公里，但一二级未能别离，并很快失控翻滚，在地上宣布自毁指令40秒后崩溃爆破。 自4月份首飞以来，SpaceX对星舰进行了1000屡次修正，包含用更安稳的发动机，加固了发射台，晋级了自毁设备，还把一二级别离从冷别离改为热别离。
11月18日，“星舰”第2次入轨级试飞发射瞬间
在刘慈欣科幻巨著《三体》中，当今人类具有的化学能火箭飞向深空被描述为“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动”之路，主角之一章北海不吝采纳举动制作意外，推动了恒星级战舰的诞生。这些星舰在三体文明侵略的生死关头飞向悠远外星系，成为“星舰文明”，为地球文明保留了火种。
实在世界里的伊隆·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，他约请全世界仰视星空之人和他一同大梦一场，想把人类前史快进到移民火星这一集。
2014年5月29日，马斯克在坐落加州霍索恩的SpaceX总部。图源：视觉我国
“星舰”二次发射热别离进程
而他用以完成“痴人梦”的“独木舟”，被冠以“星舰”之名——在科幻世界里，这通常指络绎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，顶着极度巨大上的姓名和方针，所用的资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？潮新闻约请世界宇航联空间运送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：视觉我国
不锈钢造大火箭，可不单纯是“傻大黑粗”
“不锈钢最大的缺陷就一个字：重。但长处有许多，强度高，耐高温耐低温，并且极端廉价。”杨宇光说。
依据测算，再入大气层时星舰二子级外表有20%暴露在1470多℃高温下， 还有20%最高温是1300多℃，其他外表最高温低于1176℃，可谓“鬼门关”，有必要采纳满足的隔热办法。304不锈钢熔点在1398-1454℃，比现在任何干流的箭体资料都要耐高温，“星舰”还有1.5万多块隔热瓦，能饱尝1648℃高温，而不锈钢也能够扛一扛。马斯克原本想在“星舰”二子级上用碳纤维，可是碳纤维抗高温不可，就斗胆改成了不锈钢。
太空里更多是极寒的环境，不锈钢即使在零下160℃也能坚持满足的延展性和强度，在平均温度零下63℃的火星外表就能挥洒自如。更奇特的是，不锈钢在低温条件下强度会进步50%，乃至高于铝锂合金，添加铬镍的不锈钢还会添加12-18%的延展性，比碳纤维还巩固。
然后便是廉价，不锈钢几乎太廉价了。304不锈钢在咱们日子中很常见，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查验产出的不锈钢真空器皿。图源：视觉我国
在马斯克最关怀的价格方面，他算过一笔账——用碳纤维造火箭，每公斤本钱超越135美元，一起碳纤维有35%的损耗，整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不锈钢薄板造相同的火箭，每公斤才3美元！
这还没完，碳纤维制作工艺杂乱，技能人员每小时薪酬得250美元，而焊接不锈钢板的一般焊工每小时薪酬不到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，由于航空航天资料都寻求一个‘轻’字，为减重的每一克斗争。”杨宇光介绍，“箭体太重，推力又不变，有效载荷就小了，所能带的燃料和货品就少了。”
因而，想要选用不锈钢当箭体资料，有必要有前提条件。“发动机有必要满足优异。‘星舰’的‘猛禽II’全流量分级焚烧循环液氧甲烷发动机，做得个子又小、推力又大、比冲又高，这些长处补偿了不锈钢在分量上带来的丢失。”杨宇光说。
别的一点，假如火箭做得特别大，也能够部分补偿不锈钢太重的缺陷。换言之，就主打一个“大力出奇观”，这也正是“星舰”的规划思路。
不过杨宇光着重，咱们不能单纯以为“星舰”便是“傻大黑粗”，其实“星舰”的不锈钢箭体十分有技能含量，“它做得十分薄，又大又薄又耐压，背面的资料技能和加工水平都十分高”。
4月20日“星舰”的初次发射尽管失利了，但在天上翻滚了良久才崩溃，恰恰阐明其不锈钢箭体的强度适当之大。
上图为N1火箭榜首级的30台发动机，下图为“星舰”榜首级的33台发动机。图源：视觉我国
挑选苏联登月火箭一个路数，会不会重蹈覆辙？
自从2016年“星舰”方案发表以来，坊间便称号其为“史上最强壮火箭”。它的5000吨起飞分量，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。
特别有论题性的是，“星舰”一级斗胆选用33台并联发动机，鳞次栉比几乎能引发有些人的“密布恐惧症”。这被外界以为是连续了半个世纪前N1的一级30台并联的思路。
N1可不是一个成功的典范，从1969年2月到1972年11月，N1火箭四射四炸黯然离场，终究苏联在登月比赛中落败。“星舰”首射也炸了，火箭也相同失控了，不由让人置疑这种用数十台并联的技能方案有没有出路。
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”选用的F1液氧火油发动机，单台推力高达680吨，一级只需求5台就能宣布3400吨推力。而其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，为取得4000多吨推力只得采纳30台并联。
苏联N1登月火箭。
与苏联航天部分的境况相似，SpaceX规划“星舰”时，现有的液氧甲烷发动机推力缺乏，230吨推力的“猛禽II”已是全球现役最强了。
杨宇光告知潮新闻记者，SpaceX相同挑选多台并联，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”那样绑缚几个助推器，还有个重要原因，便是为了重复运用。
“马斯克说过，不管多大的火箭，需求的操控体系都差不多，所以火箭越大性价比越高。一个榜首级加上两个助推器，要收回三个箭体，这样本钱比用一个大火箭高多了，进程也杂乱多了，越杂乱可靠性就越差。”杨宇光解说说。
可是，“水多加面、面多加水”的逻辑并不彻底适用于造火箭。
“火箭发动机的作业环境远比轿车发动机和航空发动机更恶劣，相同分量的发动机，火箭推力远远高于后两者。这就不可避免地由于剧烈焚烧产生激烈的振荡，呈现耦合共振现象。”杨宇光说。
假如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，但它是涣散在三个箭体上，每个箭体上也就9台，再经过级间衔接设备连在一同，耦合共振没那么严峻。“但假如几十台装在同一个箭体上，耦合就凶猛得多。共振不单影响发动机，从储箱到管路到阀门都有影响。”杨宇光剖析道，N1的几回失利首要不是发动机出毛病，而是共振导致管路决裂或阀门坏了。“星舰”4月首射时箭体冒出许多白雾，也或许是管路被震坏导致液氧走漏。
星舰首飞时冒出白烟。图源：视觉我国
但这不意味着“星舰”必定就会步N1的后尘。“年代究竟不同了，当时计算机运用才干、动力学、振荡剖析与操控方面的认知是半个世纪前无法比的。”杨宇光举例说，波音公司能做到规划飞机时都不用做风洞实验，彻底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能够处理。
在首发失利后，SpaceX采纳了许多改善办法，包含喷管摇摆从液压改成了电动，由于液压受动力学影响更大；发动机之间加了许多隔板，以阻隔相互影响；还有计算机数字模拟。“但一切这些都替代不了地上试车。‘土星五号’即使只需5台发动机，都做了全尺度试车台进行地上实验，发射时仍然呈现了耦合共振。”
而马斯克为了省钱，没有建全尺度地上试车台，“星舰”的试车也无法到达满功率，只需50%推力。因而问题在理论上能处理，在实际中能否过关，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：视觉我国
一般人坐“星舰”上天，在可预见的未来还没戏
在SpaceX的“星舰”蓝图里，未来将彻底收回一二级，一起每台发动机理论上可复用50次。终究方针是发射本钱只剩下燃料、测控修理等杂费，将每公斤载荷发射本钱降到10美元的极低水平，让一般人都能圆太空梦。现在咱们间隔这一步还有多远？
杨宇光坦言：远景不明朗。他举了航天飞机的比方，来证明“抱负饱满，实际骨感”。
“航天飞机便是入轨级可重复运用，但为此支付了极大的价值。”据杨宇光介绍，航天飞机全体系起飞分量达2000多吨，假如是惯例构型的运载火箭，低轨运力至少能有六七十吨，可是航天飞机的运力只需29吨。支付那么多价值，榜首是为了能载人，第二是为了能回来，能重复运用。
为了复用，航天飞机不只运力丢失了一多半，每次回来还都要做十分杂乱的检修，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相同的，但接近顶部以及升降翼面的防热瓦也不相同，要替换这些必定带来时刻和人才本钱。“由于技能过于急进，首要能不能成功还要打个问号；即使彻底复用在实践中成功了，终究是不是省钱也不好说。”
特别是未来“星舰”要方案载人飞翔，安全将会是更大的难关。航天飞机仅仅载7个人，在135次飞翔中就炸了两次（1986年的“挑战者”号和2003年的“哥伦比亚”号），共有14名航天员罹难。“星舰”一方面要极致地压缩本钱，另一方面要一次运载100人，假如产生一次严峻事故，根本能够必定这100人都无法生还，这关于“星舰”方案带来的冲击是不可思议的。
2021年5月2日，载人“龙”飞船从世界空间站回来地球，溅落在墨西哥湾。图源：视觉我国
载人航天的安全要求有多严厉？杨宇光举了个比方：Space X本想在载人“龙”飞船上运用火箭反推着陆，但被NASA和FAA（美国联邦航空管理局）给否决了，仍是忧虑反推太不安全，要求Space X改回降落伞减速着陆。
“‘龙’飞船外形十分短粗，其8台发动机只需4台作业就能着陆，就这样美国官方都不答应。‘星舰’二子级可比‘龙’飞船要细长得多，略微一歪就或许倒、或许炸，危险太大，至今只成功收回过一次。不载人也就算了，载人的话，官方怎么或许开绿灯？”
杨宇光提示说，“星舰”载人的二子级要想重复运用，其仅有的着陆方法便是火箭反推，由于其空重达120吨，这远远超出了降落伞的承重极限。
假如管理部分不答应，那么“星舰”载人飞翔也仅仅海市蜃楼，且不说登陆和移民火星，就算载客从纽约到上海都不或许完成。
“星舰”更拿手绕着地球转，而不是飞向月球火星
杨宇光进一步指出，“星舰”事实上不太合适送人送货月球、火星，最合适它的作业是绕着地球转，比方发射卫星到近地轨迹。
“由于发射深空载荷需求更高的速度，只需级数多，速度才干加上去。比方‘土星五号’是三级火箭，N1更到达了五级；再比方，发射‘天问一号’火星探测器的长征五号根本型是两级半，专门发射空间站的长征五号B便是一级半。”杨宇光以为，“星舰”为了百分百可重复运用，挑选了南北极构型，关于近地轨迹是合算的、高效的，但关于深空运送来说功率却是极低的。
所以，“‘星舰’是人类有史以来最强壮的火箭”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，近地轨迹运力250吨它肯定是最大的，但假如是奔月轨迹，‘星舰’不在轨弥补推动剂的话，恐怕不如‘土星五号’。”
据杨宇光泄漏，依据SpaceX的方案，“星舰”从地球去火星，要先在近地轨迹加注液氧甲烷推动剂多达5次；假如是去月球，更是要补8-10次，由于去月球需求的速度增量更大。用来给“星舰”加油的“太空加油机”每天只需1-2次发射窗口及1-2次回来窗口，整个体系和使命搞得过于杂乱，其本钱和毛病率都会指数式上升。
“还有一大难题：液氧甲烷如安在轨长时间贮存？尽管这比液氢简单许多，可是人类还没有做到过，迄今液氧在外太空贮存还没有超越一天的。”杨宇光剖析说，相同是在太空里，近地轨迹的航天器能得到强壮地球磁场的维护，而深空环境要恶劣得多，飞向深空时“星舰”肚子里许多易燃易爆的燃料会不会出情况，谁都无法打包票。
这场迈向“星斗大海”的远征，再绚丽再浪漫，人类也只能一步一个脚印，探索着困难前行。
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