北京時間2021年3月4日7時許，SpaceX星艦原型（代號SN10）在得克薩斯州博卡奇卡（Boca Chica）成功進行了高空飛行測試，這是SpaceX星艦原型第三次挑戰(zhàn)10公里級高度，也是首次成功軟著陸，具有重要的里程碑意義。不過，SN10在落地后不久著火倒地，但這已經(jīng)不太重要了。

首先星艦飛行到最高點，隨后進行姿態(tài)調(diào)整，使腹部沖下，借助腹部增大與空氣接觸面積，加大空氣對星艦的阻力，然后星艦徐徐向地面飄落，在距離地面一定高度時，發(fā)動機再次點燃，使星艦重新直立起來，靠發(fā)動機的反推成功進行了軟著陸。

在本次試驗之前，2020年12月10日和2021年2月3日，星艦原型SN8和SN9分別進行了10公里級高度的測試飛行，發(fā)射和返回的前期都非常成功，但都是在最后著陸階段發(fā)生了觸地爆炸。其中SN8未能成功著陸的原因是飛船的燃料箱壓力不足，發(fā)動機推力不夠，未能讓飛船成功軟著陸。SN9的三臺發(fā)動機在著陸的最后階段只有一臺點火工作，推力不夠，發(fā)生粉碎性爆炸墜毀事故。

從完成度上講，SN8甚至比SN9還要更好一些。SN8雖然發(fā)生了爆炸，但已經(jīng)非常接近成功，SpaceX團隊放出消息稱，該拿到的數(shù)據(jù)都已經(jīng)拿到，可看作是一次成功的失敗。然而，誰也沒想到的是，后續(xù)的SN9失敗的還要更慘烈一些。因此，在本次SN10測試之前，馬斯克也變得謹慎的樂觀，稱成功的概率只有60%。

2021年2月24日，SN10成功進行了第一次發(fā)動機靜態(tài)點火測試，并發(fā)現(xiàn)了一臺發(fā)動機存在故障。

2021年2月26日，在重新更換發(fā)動機之后，SN10成功進行了第二次發(fā)動機靜態(tài)點火測試，三部火箭發(fā)動機持續(xù)運轉(zhuǎn)了幾秒鐘時間。

實用版SpaceX星艦什么樣子？

從SpaceX給這艘航天器起的名字就可以看出其用途，這是一種能夠重復(fù)使用，兩級入軌的重型火箭發(fā)射系統(tǒng)。目標是能夠搭載大宗物資往返地球和太空、地球和月球、甚至地球和火星之間，終極愿景甚至支持火星殖民。

目前，我們在提到星艦這個稱呼時，特指第二級的飛船部分，就是目前正在測試的部分。飛船部分高50米，直徑9米，重約1300噸，安裝有3臺真空版猛禽發(fā)動機和3臺海平面版發(fā)動機。托舉飛船的是一枚更加強大的超重火箭（Super Heavy），這種火箭高72米，直徑9米，重達3500噸，安裝有28臺猛禽發(fā)動機。飛船部分加上超重火箭后的總高度達120米，近地軌道運載能力超過100噸，一次性可將100名乘客送上太空。

星艦的核心部件：發(fā)動機

星艦使用的是以液氧甲烷為燃料的大推力發(fā)動機，單臺最大推力可達2000多千牛，換算成直覺理解，就是能托舉起200多噸的重物，相當(dāng)于4節(jié)載滿50噸貨物的火車車廂。本次測試使用了3臺這樣的發(fā)動機，上面我們也有提到，完整版的星艦將裝有6臺這樣的發(fā)動機，超重火箭則將安裝有28臺發(fā)動機。你可以自己估算一下總推力，非常驚人。

為什么要采用液氧甲烷發(fā)動機？

為了深入了解這個問題，我們首先要簡單了解一下有關(guān)火箭的小知識作為鋪墊。

從大類上來分，火箭發(fā)動機分為固體發(fā)動機和液體發(fā)動機。固體火箭發(fā)動機是目前小型火箭、火箭炮彈藥、多數(shù)軍用導(dǎo)彈的主流動力源，其燃料易于工業(yè)制成，同時便于存儲和運輸，基本沒有揮發(fā)性和借助空氣傳播的毒性，所以安全性比較好，而且壽命很長，能夠存儲十多年，而液體燃料最多三個月就會變質(zhì)。但固體火箭發(fā)動機的燃燒比沖較小、燃燒延續(xù)時間較短、同時整體的燃料質(zhì)量很大、又受到固體燃料燃燒性質(zhì)的影響，所以用途受到限制。

液體火箭發(fā)動機的優(yōu)勢在于燃料易于制取、通常從石油或化工原料中可以直接制成，燃燒的比沖大、推力強勁、持續(xù)性好，所以，世界上多數(shù)的大推力運載火箭都使用液體燃料發(fā)動機作為動力，像我國的長征系列運載火箭，絕大多數(shù)都使用液體發(fā)動機作為推進系統(tǒng)，少量采用的固體推進器也只是輔助手段。

主流的液體火箭通常使用的燃料包括，四氧化二氮/偏二甲肼；液氧/煤油，以及液氫/液氧，甚至液氧甲烷。

目前，SpaceX星艦的猛禽火箭發(fā)動機，貝索斯藍色起源公司的BE4火箭發(fā)動機以及中國民企藍箭航天的天鵲火箭發(fā)動機都是液氧甲烷發(fā)動機。

液氧甲烷發(fā)動機有什么優(yōu)點呢？首先，液氧甲烷發(fā)動機相較于液氧煤油發(fā)動機比沖要大，比沖是火箭發(fā)動機常用的衡量指標，其物理意義是，消耗單位質(zhì)量的燃料，火箭所能獲得動量的多少，顯然這個數(shù)越大越好。其次，甲烷容易燃燒，不容易產(chǎn)生積碳，有利于火箭的重復(fù)利用。液氧甲烷發(fā)動機相較于液氫液氧發(fā)動機則易于設(shè)計和維護，而且物美價廉，非常令商業(yè)航天公司青睞。值得一提的是，廚房家用煤氣罐里儲存的就是甲烷。

甲烷發(fā)動機或許是未來真正能用于星際旅行的發(fā)動機。我們知道，近幾年不斷傳來在火星上發(fā)現(xiàn)甲烷的消息，這對人類未來登陸火星是個積極的信號。另外，未來登陸火星的宇航員或許能夠在當(dāng)?shù)乩枚趸己退圃旒淄樽鳛榛鸺娜剂稀３嘶鹦峭?，土星的衛(wèi)星“土衛(wèi)六”上甚至布滿了甲烷湖泊，燃料簡直是現(xiàn)成的。當(dāng)然，要想利用那里的甲烷是非常遙遠的事情了，只能暢想一下。

星艦測試的重要節(jié)點事件

2019 年 7 月 26 日，SpaceX對最早的星艦原型機 “星蟲”（starhopper）進行了高度20米的自由懸浮測試。

2019年8月27日，SpaceX再次對“星蟲”進行測試，成功飛行到150米的高度并安全著陸。

2020年8月5日，星艦原型SN5完成了高度150米的自由懸浮測試。由于沒安裝頭椎，SN5外觀看起來就像是一個30多米高的圓柱形不銹鋼大水塔。

2020年8月25日，星艦原型SN6同樣完成了高度150米的自由懸浮測試。

2020年12月10日，星艦原型SN8進行了12.5公里高度的測試飛行，在最后落地的時候發(fā)生墜毀爆炸。

2021年2月3日，星艦原型SN9再次進行了10公里高度的測試飛行，仍然是在最后落地的時候發(fā)生墜毀爆炸。

其他的星艦原型要么在地面測試中炸毀，要么完成歷史使命，退出了歷史舞臺。目前，準備建造的星艦原型，已經(jīng)排到了SN19。
責(zé)任編輯:tzh