盘点这一年航天发射,无论是SpaceX还是全世界,最大看点当属4次星舰发射。让我们有幸目睹史上最强巨箭多次一飞冲天的同时,更是见证了多项创举:第三飞,星舰首次达到轨道速度;第四飞,星舰首次实现一二级软着陆;第五飞,星舰首次尝试并成功捕获超重型;第六飞,星舰首次演示太空再点火。由此,完成第一代星舰历史性试飞使命,为第二代星舰亮相奠定坚实基础。
2024年3月14日,星舰组合体B10+S28从星舰基地发射升空。起飞、上升、分离均正常。但B10在着陆点火过程中未按计划时间开启发动机,在墨西哥湾溅落区上空因出现不正常摆动造成发动机无法正常点火,导致在距海面约462米解体。事后调查分析,发动机未能正常点火是由于向发动机液氧过滤器堵塞,导致发动机氧气涡轮泵的入口压力损失,使得超重型火箭的着陆点火推力低于预期,因此导致速度过快而解体。
S28从一二级热分离到二级发动机关机,这一阶段速度增量达5765 m/s,再加上一级超重型火箭分离时提供的1591 m/s,速度叠加达到7356 m/s,这是星舰飞船级首次接近最小轨道速度(7800 m/s)。只要稍加执行二次点火,就能提升至7800 m/s,达到最低轨道速度。通常LEO发射任务的设计速度是7900 m/s~8100 m/s。由于目前星舰试飞任务都设定为跨大气层亚轨道飞行,因此不会进行二次加速点火尝试。
S28在滑行阶段,开始做舱内燃料转移、载荷舱舱门开关,原计划在轨演示真空发动机再点火,但由于飞船滚转过快未能执行。星舰最终传回数据的时间约为起飞后49分39秒,之后由于黑障或星舰解体导致失去信号。测试团队推断星舰S28最终空中解体。事后调查分析,由于负责滚动控制的阀门堵塞,导致失去控制姿态能力,使得星舰隔热区(迎风面)和非保护区域(背风面)加热程度都比预期的要大得多,从而造成星舰过热而解体。
○S28飞行最高,远地点高度234公里,仅比原计划235公里低1公里,是迄今飞行最高的星舰。
○S28从热分离点火到首次关机阶段,所产生的速度增量(ΔV)最小,只有5765 m/s,比之后3次试飞都小。但这是首次接近轨道速度,足以证明星舰有能力进入最低高度的圆形轨道。
2024年6月6日,星舰组合体B11+S29按计划发射,不仅飞完试飞全过程,而且完成绝大部分测试目标,相比前三次试飞跨越一大步。特别是成功验证了超重型高精度着陆能力、星舰再入能力、星舰软着陆能力,验证了星舰第三飞遭遇棘手问题的改进措施,标志着星舰研发取得实质性突破,为接下来原位回收超重型提供更有力的支撑。
升空7分24秒,B11以0.5厘米级的高精度溅落在墨西哥湾目标着陆点。这是超重型首次实现水面软着陆(软溅落),也是超重型首次按计划飞完全程。S29经历热分离、发动机关机、轨道滑行、再入大气层、翻转机动与着陆点火,最终溅落在距目标溅落点6公里的印度洋海域。全程飞行1小时6分10秒,同样按计划飞完全程。因此,星舰第四飞的最大亮点就是按计划飞完全程,首次实现一二级软着陆。
○S29在发动机第一次关闭时(SECO-1)剩余推进剂质量最多(26.3 吨),比其他3次试飞星舰都多。剩余推进剂用于未来星舰的轨道插入点火、再入点火、着陆点火,或者长时间飞行或深空任务时进行姿态调整和轨道修正。剩余推进剂量不能过多也不能过少,如果过多,表明推进剂装载规划不够精确,浪费有效载荷能力。如果过少,则可能会引起任务失败,因为没有办法完成轨道调整、再入减速、原位回收等操作。
○S29干质量最小(140.3吨),B12+S29星舰组合体的干质量也最小(407.3吨),比其他3次试飞星舰及组合体的干质量小。干质量的大小直接影响星舰的性能指标,尤其是推重比和比冲效率。干质量越小,推重比越高,越容易提升发射效率。结构优化减少无用质量,有助于提高星舰性能。干质量也是再入和着陆时的重要参数:质量越小,大气阻力在再入减速中的作用越大,推进剂的减速需求越小,着陆点火的时间需求缩短,提升经济性。未来执行月球和火星任务,星舰干质量的优化会直接影响深空能力和回程设计。干质量越小,可携带更多载荷抵达目的地和返航。
○S29创多项第一:第一艘成功闯过再入阶段的星舰,第一艘再入后上演翻转机动、着陆点火的星舰;第一艘实现水面软着陆的星舰;第一飞完全程的星舰,是在右侧前翼被撕裂的情况下顽强飞完66分钟的星舰。
10月13日,星舰组合体B12+S30执行第五次跨大气层亚轨道飞行,开启最富挑战性和颠覆性的火箭回收尝试。升空6分58秒,首次尝试并一举实现原位回收超重型。被昵称为筷子的一对机械臂成功捕获B12,史无前例地实现「筷子夹火箭」这一航天工程创举。
升空1小时5分43秒,S30以10米级着陆精度溅落在南印度洋目标海域,远高于星舰第四飞的着陆精度(偏差6公里)。
○B12在第一次关机时(SECO-1)剩余推进剂质量最多,多达319 吨,比其他3次试飞超重型都多。第一级超重型剩余推进剂用于返航点火、着陆点火,为原位捕获回收提供充足燃料。
○S30在首次点火时推进剂质量最少(1125 吨),比其他3次试飞星舰都少,甚至比最多储量的S28少了65吨。并且在着陆点火关闭后剩余推进剂质量也是最少,仅有6.7吨,比其他3次试飞星舰都少,甚至只有S29剩余量26.3吨的1/4。这种低余量的激进策略,旨在验证推进剂的极限优化和燃烧效率,为后续提高星舰着陆性能提供实测数据。
○第五飞是星舰开发测试5年来最具挑战性、最具颠覆性的测试飞行。测试目标达成度几乎100%。意味着SpaceX已基本掌握星舰系统的发射、入轨能力、软着陆技术,从而大幅度的提高星舰测试进度,加速推进星舰成熟进程。
○相比现有的着陆腿回收模式和设计中的捕捉网回收模式,星舰第五飞成功验证的机械臂捕获回收模式,无论在回收精度、动态适应、快速回收、完全复用方面都有着非常明显优势。尽管技术复杂度更高,但可以在一定程度上完成更低成本、更高效率的完全复用模式。相比之下,着陆腿和捕捉网虽然在某些条件下也能实现有效回收,但在快速回收、完全复用、灵活性和适应性上都不如机械臂捕获回收。
美国中部时间2024年11月19日下午16:00,即北京时间2024年11月20日早上6:00,SpaceX迎来第一代原型星舰最后一次综合测试飞行,即星舰第六飞。
升空3分54秒,发射总监宣布取消B13原位回收操作。3分钟后,B13受控垂直溅落在墨西哥湾海面。原因是火箭尾流破坏到发射塔顶部的通信塔,未能达到符合B13返回执行捕获回收的条件。尽管未能再次验证超重型火箭原位捕获回收技术,但成功检验了发射系统的安全运行机制。
升空37分47秒,S31在轨启动单台猛禽线秒。让飞行速度稍微增加,以更大攻角进行再入,减慢水平速度,有助于飞船以更高精度着陆。这项测试之所以重要,因为这是星舰未来进行全轨飞行、部署卫星、捕获回收的必要条件。这是星舰第一次尝试太空点火(IFT-3原计划尝试,因飞船姿态不稳而取消)。
升空1小时05分31秒,S31以垂直姿态触及海面,高精度软着陆于南印度洋目标溅落点。此时正值当地日出时分,为提前设置在海面上的摄像机提供了绝佳拍摄条件,高清记录S31海上软着陆全过程。
○B13+S31星舰系统干质量总和的校验值最大,达到431.9,比平均值多出11吨。校验干质量总和是星舰在没有推进剂后,剩余结构质量的校验计算值。这一值通常用于验证数据的完整性和准确性,确保飞行器的各部分质量分布和总质量的计算正确,为飞行性能分析和设计改进提供关键依据。
○S31首次搭载非正式的有效载荷(一根香蕉),由于未部署,因此算不上真正的载荷。SpaceX再次传递一种信号:航天探索不单单是严肃的科学任务,也能充满趣味和灵感,充满好奇心的灵魂更有趣。而且搭载香蕉跟这次任务徽章、S31头锥贴花「香蕉人」遥相呼应。
○星舰首次尝试并成功在轨点火演示。启动单台线秒钟的短暂点火,让飞船以更大攻角再入,减慢水平速度,有助于飞船以更高精度着陆。为第二代星舰进行全轨飞行、部署卫星、捕获回收提供必要且有力的技术支撑。
○星舰S31实现高精度软着陆,为最早第八飞首次尝试原位捕获打下坚实基础,也为今年第二代星舰高频次亮相测试飞提供强有力支持。
作为重大升级全新改版的第二代星舰首飞,星舰组合体B14+S33这次真的要来点不一样的。首先不算上次那根香蕉,星舰第七飞将首次搭载真正的有效载荷,首次搭载并演示部署10颗模拟星链卫星,这些模拟卫星的大小和重量,与下一代 Starlink 星链卫星类似。
全面升级星舰航电系统,并增加备载能力。除了配备更强大的飞行计算机与2.7兆瓦的电力系统,还进一步改善通信系统,将Starlink、全球导航卫星系统(GPS)和备用射频通信,三者整合到每个天线单元中,以提高通信效率、定位精度和系统可靠性。并且将星舰摄像头数量增加到30多个,让测试团队能够在飞行过程中实时监控硬件表现。SpaceX希望可以在每个飞行阶段,都能以120 Mbps以上速率实时传输高清视频和遥测数据。对于第一时间观看星舰发射直播的星舰粉丝团来说,非常有可能会是像看足球赛的多镜头切换直播,令人期待。
星舰第七次同样计划利用发射塔回收超重型——上演「筷子夹火箭」,并且在太空中重启一台真空版猛禽发动机。这两项操作都是在第五飞与第六飞曾经测试过,理论上应该不成问题。但像以前一样,SpaceX强调在百分百安全情况下,才会尝试筷子夹火箭,也可能在关键时刻放弃,不会冒险回收。上次起飞时发射塔顶部的通信塔受损,经过抢修后现已加固。
为了实际验证星舰重复使用的可行性,第七飞使用超重型火箭B14仍属于第一代,并非100%全新硬件,配置的33台猛禽发动机,其中一台属于二手猛禽,编号R314,曾在星舰第五飞使用过。经过检查、翻新、测试后再次使用。这也是星舰历次试飞中首次复用猛禽发动机。
星舰飞船级舰体结构上,升级后的星舰前襟翼缩小,且位置更靠近头锥顶部,远离迎风侧,有助于提高再入耐热性,提升飞船再入能力。
星舰将使用最新一代的隔热片,同时增加备用防护层,以防止隔热片丢失或损坏造成烧蚀问题。由于再入热防护一直是要解决的难题,将在飞船S33部分区域移除大量隔热片,以测试舰体脆弱区域的耐热性。 同时测试多种金属隔热片,包括一种具有主动冷却功能的隔热片,为未来隔热系统寻求最佳方案。
推进系统也已重新设计。推进剂装载量将增加25%,提升长任务能力。管线进行了真空包覆,还采用全新的猛禽真空引擎推进剂输送系统,并改进推进航空电子控制模块,希望增强执行更长飞行时间的能力。
地面配套系统方面,SpaceX将在塔架的捕捉夹臂上,测试几个雷达传感器,目的是提高捕获过程中夹臂与超重型(星舰飞船)之间距离测量的准确性。
另外,NASA还会派出高空侦察机(NASA5),在印度洋目标海域重点收集星舰再入阶段舰体受热的详细数据,有助于评估星舰再入性能,帮助改进后续设计。
○第二代星舰飞船首次验证高精度软着陆能力(翻转机动、着陆点火、姿态控制),为最早第八飞回收星舰飞船做铺垫
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