直击马斯克星舰爆炸现场:8台发动机失灵,人为炸掉火箭

4月20日,人类历史上最大的运载火箭和飞船组合体——马斯克的星舰,发射升空后,凌空爆炸。从现场视频画面,我们可以圈出其中的几个异常之处,浅析其爆炸的原因。至于更全面的解读报告,有待SpaceX公司和相关机构的进一步官宣。
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图一:星舰33个发动机中,6个不亮,2个较暗。
一、至少8台发动机失效
星舰的最大特点之一,是发动机的数量奇多。星舰组合体由超重型火箭和星舰飞船组成。超重型火箭由33台猛禽发动机并联组成,视频画面中,我们只能看到超重型火箭的工作,星舰飞船尚未到脱离组合体单飞的状态。
如果超重型火箭33台发动机全部正常工作,会有33个亮点,实际情况是,爆炸前一刻,超重型火箭有6个亮点消失了,这说明有6台发动机出现了意外,无法正常点火工作。当我们进一步分析,除了这6个消失的亮点,还有2个暗点,这说明还有2台发动机推力下降,虽然能工作,但是推力达不到预定状况。
全部33台发动机中,8台发动机失灵,导致了星舰飞行异常。但是现象并不等于本质,马斯克说星舰爆炸的原因是发动机故障导致火箭失去高度,也没有说是发动机自身的问题,更有可能是其它系统导致的发动机失灵。
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图二:星舰起飞,并联发动机醒目。
星舰组合体的问题,可能不止于超重型火箭,从视频画面来看,星舰飞船表面的隔热瓦也出现了脱落,这让人想起了当年美国哥伦比亚航天飞机隔热瓦脱落,导致的机毁人亡。需要强调的一点是,星舰采用了不锈钢设计,脱落少许隔热瓦也在允许范围内。但查一查也不是坏事。
8台发动机失灵后,火箭开始空中翻跟头,地面及时发出指令,人为炸掉火箭。
马斯克几乎全部火箭计划,根基就在于两点,一是默林发动机和猛禽发动机,二是发动机象是搭积木一样的组合技术。马斯克先前已经验证了很多次火箭的发射和回收,这两点不一定是无懈可击,至少是久经考验。
星舰前几天推迟发射,马斯克发推文说是一个压力阀冻结了,随后SpaceX对星舰的燃料进行了回收。星舰的燃料加注和回收,跟汽车油箱的加油和放油,难度是两回事,上千吨的液氧甲烷加注回收,零下100多度的低温,加注——回收——再次加注,对星舰的相关零部件也是严峻的考验。
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图三:星舰算是“结实”,零部件不断飞走,火箭还未空中解体
二、炸掉的星舰是不是一个好舰?
多发动机并联技术,从总体上来说,好处大于坏处。但这次爆炸,把坏处放大了。又有声音批评星舰爆炸的根源是多发动机并联。
发动机并联的好处有以下几个:
首先,能大大降低成本。同等技术条件下,小发动机比大发动机好研制,好生产。星舰7500吨的推力,远远大于当年美国最牛的土星五号登月火箭。土星五号重型火箭一级用了5台巨大的F1发动机,此乃昂贵的国之重器,价格打底百万千万美元。猛禽发动机的最终目标是25万美元一台。
其次,用途更加广泛。大推力的F1发动机的用处非常单一,除了用来驱动土星五号,几乎没有别的价值。而猛禽发动机任意数量的组合,发射卫星和飞船的活儿,可以统包。
第三,更容易实现可复用。以往人类所有的火箭发动机,基本上都是一次性使用的,非常浪费。猛禽发动机实现多次回收使用,其工作时长和可靠性,是其它火箭发动机无法相比的。
星舰的主要目标,不是载人上天,而是更便宜的载人上天。马斯克无论发射卫星,还是发射火箭,也都追求更便宜,把成本向下击穿。
向下击穿的好处原因显而易见,如果汽车,火车和飞机的成本没有实现向下击穿,那么普通人永远使用,无法实现真正意义的商业化量产。其中一个典型的案例是1913年福特T型汽车的大规模流水线生产,美国从此一举成为车轮上的国家。
碳纤维香不香,当然香,但加工困难,且成本高昂。星舰飞船高达50米,直径9米,用碳纤维建造这么大的一个飞船会非常昂贵,碳纤维丝象织布一样一层一层铺设后,还需要高压固化和裁切。
老美也挺喜欢大棚式工厂,采用不锈钢建造星舰飞船,工艺上非常成熟便宜,大棚焊接即可完成。大棚里造飞船组装火箭,不是一种倒退,更应该说是一种进步。组装一枚超重型火箭,美国需要多长时间?在大棚里,一枚BN4星舰超重型火箭,用了29台猛禽发动机,马斯克只用了14个小时,
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图四:星舰空中引爆,可算是人类历史上最大的烟花。
三、万能的星舰
跟历史上任何一型载人飞船,和航天飞机都不一样,星舰的用途非常广泛。
过去航天飞机能干的,星舰可以干,比如输送人员和大尺寸货物进入轨道,比如发射卫星,航天飞机不能干的,星舰也可以干,比如星舰甚至可以着陆月球,输送上百吨的物资。星舰可以干的活,包括不限于,载人登月,发射太空空间站,登陆火星,当太空油罐车等等。过去的飞船可载两到三个人,现在或新一代的飞船可载五至七个人,而星舰对人类所有飞船是个降维打击,它可载100人进行长时间的太空飞行。
载人登陆火星,是极其困难的,漫长的星际旅程,燃料的补给是关键问题,马斯克认为星舰有可能实现:先发射一艘星舰,将航天员和货物送入近地轨道,再发射第二艘星舰,与第一艘星舰对接,输送补给燃料。
星舰的主要用于民用,但它的军用价值非常高。美军已经与马斯克签约,主要项目为展示重型火箭在全球范围内,运输军用货物和人道主义援助,“通过太空,将重型货物在数小时内从一地运到另一地”,美军称是抗震救灾你敢信?
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图五:星舰飞船六边形的隔热瓦脱落了几块,可见白色处。
综上,马斯克一语成谶,先前刚说过星舰别炸在发射台上,话音还未落地,结果就炸在半空中。对于马斯克而言,星舰首飞就炸确实损失很大,但不决定项目的成败生死,接下来还准备了新的星舰发射计划。
从某种意义上来说,星舰采用的大量新技术,极其复杂,出事是正常的,不出事是不正常的。星舰计划并不追求单个零部件的极端先进,强调的重点是如何确保性能达标的情况下,如何尽量降低成本。