“星舰”实现捕捉式回收,重复使用航天器技术正加速发展

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划重点

01美国太空探索技术公司成功进行了第5次星舰全系统试飞,主要目标为验证捕捉式机械臂系统对超重型助推器的回收和星舰在海上的高精度溅落。

02此次试飞中,超重型助推器回收成功,发动机群工作状态总体表现稳定,保障了箭体对减速、飞行轨迹、姿态变化的精确控制能力。

03然而,星舰在溅落海面后发生爆炸,尽管如此,太空探索技术公司表示此次溅落仍是成功的。

04此次试飞的成功对空天飞机技术产生了一定竞争压力,空天飞机需要解决动力系统的多种工作模式和高超声速状态下的进气燃烧问题。

05随着火箭自主控制回收技术的继续发展,实用化的载荷携回能力将成为相关科研工作的重点方向。

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10月13日晚,美国太空探索技术公司(SpaceX)成功进行了第5次星舰(Starship)全系统试飞。此次试飞的首要目标是实际验证捕捉式机械臂系统对超重型助推器(火箭一级结构)的回收;次要目标是实现星舰(火箭二级结构)在海上的高精度溅落。从试飞结果来看,虽然出现了一些瑕疵,但两个目标均以较高完成度达成。

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太空探索技术公司之所以选择由地面重型设施捕捉回收超重型助推器,核心目的是为了取消“猎鹰”系列(Falcon)火箭上的着陆腿式结构,以减轻箭体结构重量,提升运载能力,提高火箭周转效率。但这也导致了较高的回收难度。

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超重型助推器捕捉回收成功。

在此次超重型助推器的回收过程中,发动机群工作状态的总体表现稳定,保障了箭体对减速、飞行轨迹、姿态变化的精确控制能力。这说明超重型火箭的大量发动机并联技术路线已经开始进入成熟阶段。

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第三方视角下,溅落后起爆的“星舰”。

预先布置在海面预定落点附近的观测设备捕捉到了“星舰”的降落。尽管“星舰”在溅落海面后发生了爆炸,太空探索技术公司依然表示此次溅落是成功的。对此,一种解释是“星舰”是在法规要求下由特定安全装置受控起爆,确保其下沉,以防箭体结构持续漂浮在海面。

相较于此前的第4次试飞,此次“星舰”在落点控制精度上有不小的进步。第4次“星舰”试飞的落点(飞行轨迹)产生了大幅度偏离,这和襟翼结构出现严重烧蚀破损有直接关系。此外,尽管此次试飞的“星舰”依然是第一代设计产品,只是外部的隔热瓦敷设上做了改进,没有完全克服主要结构烧蚀破损的问题,不过程度比上次要轻。

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高温灼烧导致不锈钢结构变色。

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烧蚀破损的襟翼结构。

从溅落过程来看,此次“星舰”如果选择在陆地回收可能会以失败告终。以其此前在大气层内单级试飞并成功回收的姿态变化过程作为参照标准,此次“星舰”在最后的2至3千米高度内,调节箭体姿态恢复垂直状态的动作在时机上过于滞后,箭体姿态变化的角速度明显过大。这有可能是在襟翼烧蚀破损以后,“星舰”无法同时兼顾对飞行轨迹和姿态的精确控制所导致的。

尽管存在以上问题,但总的来看,目前试飞的“星舰”系统,其一、二级均为系列中的第一代产品,主要的突破性风险项目已经在5次试飞中分别达成。包括修改襟翼安装位置的新二级在内,经过技术迭代升级的改进型“星舰”已经拥有多个产品库存。如果不发生其他问题,后续的试飞速度将显著加快。

而此次试飞成功,也显然对另一条发展路线:空天飞机造成了一定的竞争压力。

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猛禽(Raptor)火箭发动机

空天飞机的飞行需求令其一方面要利用大气层内的氧气参与燃烧推进,另一方面又要跨越从静止状态到第一宇宙速度的速度范围,以及从地表稠密大气到外空间的真空环境变化。其动力系统必须具备多种工作模式,这就导致了发动机结构的复杂化。

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英国的SABRE协同式吸气火箭发动机。

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计划装备SABRE发动机的Skylon空天飞机。

另一方面,高超声速状态下的超声速进气燃烧依然是人类工程能力的前沿问题,空天飞机的动力系统所要面对的挑战在此基础上还要更进一步。无论是火箭冲压联合发动机还是吸气式火箭发动机,都同样存在这些问题。

从历史角度来说,空天飞机的概念之所以出现,是因为人类一直试图解决两个问题:首先是航天飞行器的重复利用,其次是天基载荷的下行携回。如果对这一需求继续深究,空天飞机的概念其实根植于当时的时代局限中:在20世纪60至70年代,全球中大型火箭都不具有无损回收能力,这使得当时的航天器只有进行飞机式的气动升力飞行,才能安全完成降高减速和无损接地过程。

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航天飞机

进入21世纪,尤其是2013年之后,火箭无损回收技术之所以能够实现,一个重要的技术支持来自软件算法控制技术的进步,这使得火箭回收有了实现的理论基础。尽管截至目前,“星舰”系列火箭的回收还停留在航天器结构本身,不具备携带载荷回收能力。但可以想见的是,携带载荷返回是火箭自主控制回收能力的自然扩展,必然是相关科研工作的重点方向。随着火箭自主控制回收技术的继续发展,实用化的载荷携回能力也不是问题。