盤點這一年航天發射,無論是SpaceX還是全世界,最大看點當屬4次星艦發射。讓我們有幸目睹史上最強巨箭多次一飛沖天的同時,更是見證了多項創舉:第三飛,星艦首次達到軌道速度;第四飛,星艦首次實現一二級軟著陸;第五飛,星艦首次嘗試并成功捕獲超重型;第六飛,星艦首次演示太空再點火。由此,完成第一代星艦歷史性試飛使命,為第二代星艦亮相奠定堅實基礎。
●星艦第三飛:首次接近軌道速度
2024年3月14日,星艦組合體B10+S28從星艦基地發射升空。起飛、上升、分離均正常。但B10在著陸點火過程中未按計劃時間啟動發動機,在墨西哥灣濺落區上空因出現不正常擺動造成發動機無法正常點火,導致在距海面約462米解體。事后調查分析,發動機未能正常點火是由于向發動機液氧過濾器堵塞,導致發動機氧氣渦輪泵的入口壓力損失,使得超重型火箭的著陸點火推力低于預期,從而導致速度過快而解體。
S28從一二級熱分離到二級發動機關機,這一階段速度增量達5765 m/s,再加上一級超重型火箭分離時提供的1591 m/s,速度疊加達到7356 m/s,這是星艦飛船級首次接近最小軌道速度(7800 m/s)。只要稍加執行二次點火,就能提升至7800 m/s,達到最低軌道速度。通常LEO發射任務的設計速度是7900 m/s~8100 m/s。由于目前星艦試飛任務都設定為跨大氣層亞軌道飛行,因此不會進行二次加速點火嘗試。
S28在滑行階段,開始進行艙內燃料轉移、載荷艙艙門開關,原計劃在軌演示真空發動機再點火,但由于飛船滾轉過快未能執行。星艦最終傳回數據的時間約為起飛后49分39秒,之后由于黑障或星艦解體導致失去信號。測試團隊推斷星艦S28最終空中解體。事后調查分析,由于負責滾動控制的閥門堵塞,導致失去控制姿態能力,使得星艦隔熱區(迎風面)和非保護區域(背風面)加熱程度都比預期的要大得多,從而造成星艦過熱而解體。
IFT-3星艦第三飛特點:
○B10干質量最小,僅為258.5噸,比之后3次試飛超重型都輕。
○B10起飛時推進劑加載量最多,達到2970噸,比其他5次試飛都多。
○S28干質量最大,達到155.8噸,比之后3次試飛星艦飛船都重。
○S28起飛質量最大,達到1381.5噸,比之后3次試飛都大。
○S28飛行最高,遠地點高度234公里,僅比原計劃235公里低1公里,是迄今飛行最高的星艦。
○S28從熱分離點火到首次關機階段,所產生的速度增量(ΔV)最小,只有5765 m/s,比之后3次試飛都小。但這是首次接近軌道速度,足以證明星艦有能力進入最低高度的圓形軌道。
●星艦第四飛:首次實現一二級軟著陸
2024年6月6日,星艦組合體B11+S29按計劃發射,不僅飛完試飛全過程,而且完成絕大部分測試目標,相比前三次試飛跨越一大步。特別是成功驗證了超重型高精度著陸能力、星艦再入能力、星艦軟著陸能力,驗證了星艦第三飛遭遇棘手問題的改進措施,標志著星艦研發取得實質性突破,為接下來原位回收超重型提供更有力的支撐。
升空7分24秒,B11以0.5厘米級的高精度濺落在墨西哥灣目標著陸點。這是超重型首次實現水面軟著陸(軟濺落),也是超重型首次按計劃飛完全程。S29經歷熱分離、發動機關機、軌道滑行、再入大氣層、翻轉機動與著陸點火,最終濺落在距目標濺落點6公里的印度洋海域。全程飛行1小時6分10秒,同樣按計劃飛完全程。因此,星艦第四飛的最大亮點就是按計劃飛完全程,首次實現一二級軟著陸。
IFT-4星艦第四飛特點:
○S29在發動機第一次關閉時(SECO-1)剩余推進劑質量最多(26.3 噸),比其他3次試飛星艦都多。剩余推進劑用于未來星艦的軌道插入點火、再入點火、著陸點火,或者長時間飛行或深空任務時進行姿態調整和軌道修正。剩余推進劑量不能過多也不能過少,如果過多,表明推進劑裝載規劃不夠精確,浪費有效載荷能力。如果過少,則可能導致任務失敗,因為無法完成軌道調整、再入減速、原位回收等操作。
○S29干質量最小(140.3噸),B12+S29星艦組合體的干質量也最小(407.3噸),比其他3次試飛星艦及組合體的干質量小。干質量的大小直接影響星艦的性能指標,尤其是推重比和比沖效率。干質量越小,推重比越高,越容易提升發射效率。結構優化減少無用質量,有助于提高星艦性能。干質量也是再入和著陸時的重要參數:質量越小,大氣阻力在再入減速中的作用越大,推進劑的減速需求越小,著陸點火的時間需求縮短,提升經濟性。未來執行月球和火星任務,星艦干質量的優化會直接影響深空能力和回程設計。干質量越小,可攜帶更多載荷抵達目的地和返航。
○S29創多項第一:第一艘成功闖過再入階段的星艦,第一艘再入后上演翻轉機動、著陸點火的星艦;第一艘實現水面軟著陸的星艦;第一飛完全程的星艦,是在右側前翼被撕裂的情況下頑強飛完66分鐘的星艦。
●星艦第五飛:首次嘗試并成功捕獲超重型
10月13日,星艦組合體B12+S30執行第五次跨大氣層亞軌道飛行,開啟最富挑戰性和顛覆性的火箭回收嘗試。升空6分58秒,首次嘗試并一舉實現原位回收超重型。被昵稱為筷子的一對機械臂成功捕獲B12,史無前例地實現「筷子夾火箭」這一航天工程創舉。
升空1小時5分43秒,S30以10米級著陸精度濺落在南印度洋目標海域,遠高于星艦第四飛的著陸精度(偏差6公里)。
IFT-5星艦第五飛特點:
○B12在第一次關機時(SECO-1)剩余推進劑質量最多,多達319 噸,比其他3次試飛超重型都多。第一級超重型剩余推進劑用于返航點火、著陸點火,為原位捕獲回收提供充足燃料。
○S30在首次點火時推進劑質量最少(1125 噸),比其他3次試飛星艦都少,甚至比最多儲量的S28少了65噸。并且在著陸點火關閉后剩余推進劑質量也是最少,僅有6.7噸,比其他3次試飛星艦都少,甚至只有S29剩余量26.3噸的1/4。這種低余量的激進策略,旨在驗證推進劑的極限優化和燃燒效率,為后續提高星艦著陸性能提供實測數據。
○第五飛是星艦開發測試5年來最具挑戰性、最具顛覆性的測試飛行。測試目標達成度幾乎100%。意味著SpaceX已基本掌握星艦系統的發射、入軌能力、軟著陸技術,從而大幅提升星艦測試進度,加速推進星艦成熟進程。
○相比現有的著陸腿回收模式和設計中的捕捉網回收模式,星艦第五飛成功驗證的機械臂捕獲回收模式,無論在回收精度、動態適應、快速回收、完全復用方面都具有明顯優勢。盡管技術復雜度更高,但能夠實現更低成本、更高效率的完全復用模式。相比之下,著陸腿和捕捉網雖然在某些條件下也能實現有效回收,但在快速回收、完全復用、靈活性和適應性上都不如機械臂捕獲回收。
●星艦第六飛:首次嘗試并成功真空點火
美國中部時間2024年11月19日下午16:00,即北京時間2024年11月20日早上6:00,SpaceX迎來第一代原型星艦最后一次綜合測試飛行,即星艦第六飛。
升空3分54秒,發射總監宣布取消B13原位回收操作。3分鐘后,B13受控垂直濺落在墨西哥灣海面。原因是火箭尾流破壞到發射塔頂部的通信塔,未能達到符合B13返回執行捕獲回收的條件。盡管未能再次驗證超重型火箭原位捕獲回收技術,但成功檢驗了發射系統的安全運行機制。
升空37分47秒,S31在軌啟動單臺猛禽真空點火約3秒。讓飛行速度稍微增加,以更大攻角進行再入,減慢水平速度,有助于飛船以更高精度著陸。這項測試之所以重要,因為這是星艦未來進行全軌飛行、部署衛星、捕獲回收的必要條件。這是星艦第一次嘗試太空點火(IFT-3原計劃嘗試,因飛船姿態不穩而取消)。
升空1小時05分31秒,S31以垂直姿態觸及海面,高精度軟著陸于南印度洋目標濺落點。此時正值當地日出時分,為提前設置在海面上的攝像機提供了絕佳拍攝條件,高清記錄S31海上軟著陸全過程。
IFT-6星艦第六飛特點:
○B13干質量最大,達到282.5噸,比之前3次試飛的超重型火箭都重。
○B13+S31星艦系統干質量總和的校驗值最大,達到431.9,比平均值多出11噸。校驗干質量總和是星艦在沒有推進劑后,剩余結構質量的校驗計算值。這一值通常用于驗證數據的完整性和準確性,確保飛行器的各部分質量分布和總質量的計算正確,為飛行性能分析和設計改進提供關鍵依據。
○S31首次搭載非正式的有效載荷(一根香蕉),由于未部署,因此算不上真正的載荷。SpaceX再次傳遞一種信號:航天探索不僅僅是嚴肅的科學任務,也可以充滿趣味和靈感,充滿好奇心的靈魂更有趣。而且搭載香蕉跟這次任務徽章、S31頭錐貼花「香蕉人」遙相呼應。
○星艦首次嘗試并成功在軌點火演示。啟動單臺真空猛禽發動機進行約3秒鐘的短暫點火,讓飛船以更大攻角再入,減慢水平速度,有助于飛船以更高精度著陸。為第二代星艦進行全軌飛行、部署衛星、捕獲回收提供必要且有力的技術支撐。
○星艦S31實現高精度軟著陸,為最早第八飛首次嘗試原位捕獲打下堅實基礎,也為今年第二代星艦高頻次亮相測試飛提供強有力支持。
●預告星艦第七飛:第二代星艦飛船首飛
作為重大升級全新改版的第二代星艦首飛,星艦組合體B14+S33這次真的要來點不一樣的。首先不算上次那根香蕉,星艦第七飛將首次搭載真正的有效載荷,首次搭載并演示部署10顆模擬星鏈衛星,這些模擬衛星的大小和重量,與下一代 Starlink 星鏈衛星類似。
全面升級星艦航電系統,并增加備載能力。除了配備更強大的飛行計算機與2.7兆瓦的電力系統,還進一步改進通信系統,將Starlink、全球導航衛星系統(GPS)和備用射頻通信,三者整合到每個天線單元中,以提高通信效率、定位精度和系統可靠性。并且將星艦攝像頭數量增加到30多個,讓測試團隊能夠在飛行過程中實時監控硬件表現。SpaceX希望能夠在每個飛行階段,都能以120 Mbps以上速率實時傳輸高清視頻和遙測數據。對于第一時間觀看星艦發射直播的星艦粉絲團來說,很可能會是像看足球賽的多鏡頭切換直播,令人期待。
星艦第七次同樣計劃利用發射塔回收超重型——上演「筷子夾火箭」,并且在太空中重啟一臺真空版猛禽發動機。這兩項操作都是在第五飛與第六飛曾經測試過,理論上應該不成問題。但像以前一樣,SpaceX強調在百分百安全情況下,才會嘗試筷子夾火箭,也可能在關鍵時刻放棄,不會冒險回收。上次起飛時發射塔頂部的通信塔受損,經過搶修后現已加固。
為了實際驗證星艦重復使用的可行性,第七飛使用超重型火箭B14仍屬于第一代,并非100%全新硬件,配置的33臺猛禽發動機,其中一臺屬于二手猛禽,編號R314,曾在星艦第五飛使用過。經過檢查、翻新、測試后再次使用。這也是星艦歷次試飛中首次復用猛禽發動機。
第七飛的最大特點就是,第二代星艦飛船首次亮相飛行。
星艦飛船級艦體結構上,升級后的星艦前襟翼縮小,且位置更靠近頭錐頂部,遠離迎風側,有助于提高再入耐熱性,提升飛船再入能力。
星艦將使用最新一代的隔熱片,同時增加備用防護層,以防止隔熱片丟失或損壞造成燒蝕問題。由于再入熱防護一直是需要解決的難題,將在飛船S33部分區域移除大量隔熱片,以測試艦體脆弱區域的耐熱性。 同時測試多種金屬隔熱片,包括一種具有主動冷卻功能的隔熱片,為未來隔熱系統尋求最佳方案。
推進系統也已重新設計。推進劑裝載量將增加25%,提升長任務能力。管線進行了真空包覆,還采用全新的猛禽真空引擎推進劑輸送系統,并改進推進航空電子控制模塊,希望增強執行更長飛行時間的能力。
地面配套系統方面,SpaceX將在塔架的捕捉夾臂上,測試幾個雷達傳感器,目的是提高捕獲過程中夾臂與超重型(星艦飛船)之間距離測量的準確性。
另外,NASA還會派出高空偵察機(NASA5),在印度洋目標海域重點收集星艦再入階段艦體受熱的詳細數據,有助于評估星艦再入性能,幫助改進后續設計。
星艦第七飛主要看點:
○新一代星艦飛船首飛
○星艦系統首次復用猛禽發動機
○再度嘗試超重型原位捕獲回收,上演「筷子夾火箭」
○發射直播至少以120兆高清畫面多角度切換
○首次正式搭載有效載荷,并演示部署10顆模擬星鏈衛星
○再次驗證真空點火
○第二代星艦飛船首次經受再入考驗(前襟翼、熱防護系統、金屬隔熱片)
○NASA首次派出高空偵察機(NASA5)觀察記錄再入受熱狀況
○第二代星艦飛船首次驗證高精度軟著陸能力(翻轉機動、著陸點火、姿態控制),為最早第八飛回收星艦飛船做鋪墊
第七飛主發射窗口(97分鐘窗口期):
協調世界時間2025年1月10日22:00~23:37
美中時間2025年1月10日16:00~17:37
北京時間2025年1月11日6:00~7:37
第七飛備用發射窗口(97分鐘窗口期):
協調世界時間2025年1月11日13:00~14:37
美中時間2025年1月11日7:00~8:37
北京時間2025年1月11日21:00~22:37
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