星艦 7、8 次發射都以二級爆炸告終。空叉的官宣報道節選如下:
簡單說就是簡諧振動過度,引起推進系統燃料泄漏,發生火災,最后爆炸。這篇短文來簡單解釋一下這個問題,文章內容一部分是基于 CSI Starbase 剛剛發布的視頻[1],制作極其專業和出色。
這個我們猜測的簡諧振動,在火箭領域,被稱為 POGO。POGO 這玩具可能很多人小時候都玩過:
在過去的幾十年里,火箭推進系統里也發現類似的震蕩現象,后來大家戲稱它為 POGO。
先看簡化推進系統圖:
(1)是儲箱內部推進劑上方的加壓空間。
(2)是推進劑。
(3)是推進劑管道,連接儲箱和發動機。
(4)是發動機,包括渦輪泵,燃燒室,和噴管。
POGO 的產生原理如下:
發動機的功率并非理想世界里那樣恒定不變,它的功率、推力曲線時時刻刻在指定數值左右來回波動
(圖片來源[3])
假設某一時刻,發動機功率突然變小,推力變小,這會帶來兩個后果。后果 1:
后果 2:
兩個后果疊加,推擠劑向上擠壓,使得(1)的壓力增加。
壓力增加,會使得更多推進劑進入渦輪泵和燃燒室,造成下一時刻推力增加。
推力增加后,上述步驟會再次重復一遍,只不過這一次,符號相反,使得在下一時刻推力減小。
如此反復,震蕩周期就形成了。周期長短的決定因素過于復雜和敏感,所以長久以來,火箭工程師只能實測,而不能預測。
一旦震蕩形成,會逐漸加大振幅,最后導致物理損壞。
那為啥星艦 1-6 發都沒題,就 7、8 發出問題?因為星艦 1 到 6,內部設計都是從簡,用一根推進劑管道供給 6 臺發動機(3 臺海平面猛禽,3 臺真空猛禽):
因為 6 臺發動機它們在額定功率左右波動的時序不一樣,6 臺并不是一起減推或一起加推,所以,這一根管道里的簡諧振動沒法聯動起來,最后被亂七八糟的時序統統互相抵消了。
而星艦 7、8 次發射,使用的是二代設計,內部有了大改變:
中央的一根管道帶 3 臺海平面發動機,這條管道里的簡諧震蕩不嚴重,因為錯亂的時序互相取消。但是,新版星艦的真空發動機,每一臺都是由單獨一根管線提供推進劑。于是,這個簡諧震蕩的問題終于暴露出來了。
其實這個 POGO 問題不是新問題,火箭工程師和它之間已經有大好幾十年的歷史了。但是,空叉一開始一代星艦用 1 帶 6,覺得沒問題,事實上也沒問題,有點心大了。由于二代星艦趕工催活太緊,他們自己估摸著沒啥大問題,先上了再說,說不定就運氣好了呢?主要還是 POGO 預防措施不難,但是很煩,需要的工期和測試期比較長,他們覺得時間太緊,想先帶病上陣,然后一點一點改進。沒想到,連爆 2 發。這在空叉歷史上不多見的在同一個地方倒下兩次的失誤。
星艦第 9 發馬上就要來了,一起拭目以待!
參考
^https://www.youtube.com/watch?v=7kzdUmBIUus
^https://www.shutterstock.com/image-vector/people-playing-sport-jump-pogo-stick-2257622089
^https://x.com/elonmusk/status/1295495834998513664
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