摘要:北京時間4月20日晚,21點30左右,人類歷史上最大的火箭SpaceX星艦,在美國德克薩斯州博卡奇卡的自建發射場首飛北京時間4月20日晚,21點30左右,人類歷史上最大的火箭SpaceX星艦,在美國德
北京時間4月20日晚,電腦21點30左右,桌面人類歷史上最大的壁紙板電火箭SpaceX星艦,在美國德克薩斯州博卡奇卡的全屏自建發射場首飛
北京時間4月20日晚,21點30左右,腦多人類歷史上最大的少錢火箭SpaceX星艦,在美國德克薩斯州博卡奇卡的電腦自建發射場首飛。
但是桌面火箭升空后就發現一級有三臺發動機似乎沒有成功點火,后來又有三臺發動機似乎熄火了,壁紙板電升空2分30秒后火箭姿態失穩并開始旋轉,全屏4分鐘之后最終解體爆炸,腦多發射以“失敗”告終。少錢
馬斯克曾經夸下豪言:“地球不配我死,電腦要死就死在火星上!桌面”,壁紙板電而這次的階段性失敗,也是馬斯克火星夢起點的一部分。
SpaceX星艦這東西自從被提出以來,就因為其超級夢幻的科技感和馬斯克這個話題人物的雙重綁定,成為全球科技愛好者的關注焦點。
但往大了說,探索星辰大海這種事兒,從來就不缺粉絲和擁躉,歷史上無論是蘇聯的首次衛星發射、首次載人航行還是美國的土星五號登月、航天飛機的發射,都會吸引全球無數民眾的關注。
而我國的載人航天和空間站進展,每次也是會毫無意外的成為大新聞。可以說航天史上的里程碑事件必出圈,已然成為歷史的慣性!
但近些年,無論是我國的登月探火空間站,還是美國SLS的重返月球計劃,都是在人類已經探索過的道路上做重復或者微創新。
SpaceX星艦的發射就不一樣了,它的設計目標是載人登陸火星!這就是潛在的跨越式進展了……那么星艦是怎么走到今天這步的?這次發射的重點意義是啥?我們今天就來聊聊這事兒。
我們剛才說了,星艦這個東西跟以往人類航天事業最大的區別是,SpaceX它是馬斯克這個科技狂人的企業。所以我們觀察星艦的研發,就會看到一些與以往慣性思維不同的特點。
1、SpaceX研發是小步快跑,快速試錯的策略,這與以往國家級的航天項目中非常看重“成功率”的思維非常不同;
2、星艦的目標,不是或至少不僅僅是國家攀登科技高峰的爭奪,而是非常明確的指向要在短期內降低成本實現民用化,讓人類文明走出地球。
我們先說第一個事兒,如果你是一個普通的科技或航天愛好者,不是SpaceX鐵粉的話,你大概會有這樣一個感覺:
就是馬斯克的火箭新聞往往是,一會兒測試飛不起來,一會兒飛起來又炸了,一會計劃回收又失敗了……總之大多數都是失敗的新聞,而成功的情況少有。
但意外的是,甭管是獵鷹火箭的回收、星鏈還是載人航天,都是在一堆失敗的新聞中,突然就成功了!這就很奇怪,SpaceX是怎么辦到的?
就比如說這次“失敗”,事實上馬斯克在發射之前其實調子就很低:“只要不炸毀發射臺就算成功”。并且本次發射失敗以后,馬一龍的表情也非常淡定,不就是損失了一百個億嗎?
本次星艦測試的組合是B7 和SN24組合,也就是下半部分火箭助推器是B7,上半部分關鍵的星艦是SN24,就是說這已經是SpaceX星艦的第24個測試版本了。
星艦這東西最初是在2019年1月,馬斯克在社交媒體上曝光了星際飛船(Starship)的模擬圖,從一個發動機“星蟲”到SN1原型測試版本開始,到如今已歷經了20多版迭代,才到了今天這個樣子。
之所以說,星艦不怕失敗,是因為每次測試都是把成本降到最低,從最小開始不斷的增加難度,增加功能。最初測試的“星蟲”就是一個猛禽發動機套殼,進行跳躍測試而已,但這件事兒的重要性不言而喻……
接下來的SN1到SN4 版本都是最小規模的靜態測試,主要測試低溫環境下的工作壓力、強度、靜態點火等等,過程中充斥著各種我們常見的失敗……
到SN5和SN6的時候又開始做跳躍測試,我們看到這個時候測試的星艦只有脖子,連腦袋都沒有,所以也是最小單位,摔了炸了也無所謂,反正多做幾次最終會成功。
接下來一系列的測試我們簡單說,在SN8的時候,星艦實現首次高空試飛,已經能夠飛到12.5公里的高度,并且受控著陸,當然結果也是失敗……但SN15是星艦的成名作品,已經做到了成功地受控著陸!
縱觀星艦的測試過程,就是每次以最小的代價獲得最多的經驗,然后下一代都是增加數百項的改進,增加新的內容不斷前進的過程。比如SN15時候就只有三臺發動機,也沒有隔熱板,因為那時候根本不飛到太空里,所以不需要這些東西。
所以SpaceX跟以往大家對航天事業,盡可能不要失敗的策略完全不一樣,SpaceX比較靈活,研發人員也沒有那么大的壓力,火箭炸了還擱那鼓掌,研發可以是不斷試錯快速迭代的方式,反而迭代速度更快成本更低。
因為航天技術與戰略導彈技術有大量的重疊,再加上人類一定要沖出地球向外拓展生存空間是當時為數不多的冷戰雙方都認可的普世價值。
能在航天事業中取得優勢既意味著我比你更能打又意味著我比你更能代表全人類的利益,其軍事和意義不言而喻。這使得冷戰時期的航天事業成為了雙方軍事乃至意識形態的大國角逐,或者說是軍備競賽!
所以冷戰雙方都對成功率非常著迷。美國由于上來就在人造衛星上落后,再到土星五號登月、航天飛機都是全球圍觀,事關重大,所以極為看重成功率!土星五號100%成功率,后來更是被NASA吹個沒完,我聽得耳朵都要起繭了。而蘇聯由于體制特點,更是關注成功率,甚至有科學家因為做不好而獲罪的風險……
而SpaceX在這種不斷試錯的策略,目標除了加快迭代速度,更多的就是為了省錢。這跟我們剛才提到的第二點,SpaceX星艦民用化的目標,以及移民火星這個遠期目標都息息相關。
從火箭回收復用到星艦使用的各種材料零部件,幾乎全是以減少成本為目標的!這就類似于飛機里面的軍機和民航飛機的關系,軍機追求性能可以不計成本,而民航必須講究成本,燃油經濟性和發動機壽命尤其重要。
你如果想把上百萬人移民火星,搞火星城市,那以往所有的航天設備都沒戲,你必須把成本降到民用消費級別,才有可能實現!
SpaceX星艦在減少成本方面一直在追求極致,因為他的目標是,最終人類進入太空成本降到1公斤僅需10美元,各位可以算一下自己進太空要多少錢。但SpaceX省錢的方法不是通過偷工減料或者減少工序,而是對技術的極致追求!
火箭回收當然是省錢最重要的部分,并且星艦設計上,上下兩級均可回收,落地后只需經過基本的維護、裝填燃料,即可再次發射升空。與航天飛機相比,它的維護成本更低,復飛時間也更短,成熟之后只需一兩天,甚至幾個小時即可重復飛行。
繼承了航天飛機衣缽的SLS火箭,每發射一次要41億美元,而星艦未來計劃每次發射只需1000萬美元甚至更低,是它的1/400。
外殼方面星艦用的是不銹鋼,這又大大的節省了成本,之前在航天領域運用得更廣泛的是碳纖維復合材料,這種材料成本達到13萬美元/噸,但星艦使用的30X不銹鋼的價格是2500美元/噸,只有碳纖維復合材料的2%。而猛禽發動機采用3D打印技術降低成本,一臺發動機只要50萬美元。
芯片也是航天領域極其費錢的部分,我們知道航天級芯片對工作溫度范圍、抗宇宙輻射要求極高,所以相應的宇航芯片也巨貴無比!NASA登錄火星的毅力號火星車,使用的RAD750芯片,價格高達20萬美元一顆!
而馬斯克的SpaceX火箭干脆不用宇航級芯片,直接用了X86的民用級芯片!為了預防芯片失效,他采取的策略是冗余設計,每一個需要用到芯片的地方都采用3顆芯片,一臺火箭用到幾十顆民用芯片。
執行計算任務時,SpaceX是把一顆芯片的雙核拆成了兩個單核,分別計算同樣的數據。每個系統配置 3 塊芯片做冗余,也就是 6 個核做計算。如果其中 1 個核的數據和其他 5 個核不同,那么主控系統會告訴這個核重新啟動,再把其他 5 個核的數據拷貝給重啟的核,從而達到數據一直同步。周而復始,不讓一個核掉隊。
以龍飛船為例,據 SpaceX 前火箭總師 John Muratore 透露,龍飛船一共有 18 個系統,每個系統配置了 3 塊 X86 芯片,龍飛船一共有 54 塊。所以龍飛船主控芯片的總價約為2.6 萬人民幣,3600 美元!
一個有意思的技術是,星艦從太空中重新進入大氣層以后,它是躺著掉下來的,這也是為啥星艦的隔熱板只裝了一面,因為另一面不摩擦受熱!但從始至終沒有降落傘幫忙減速,它什么時候重新啟動發動機受控,才能安全垂直豎起來降落回收,這就非常有講究了。
顯然電腦桌面壁紙全屏4k,星艦翻轉的越晚,高度越低,越能節省燃料,如果星艦在500米左右進行翻轉,對比在更高的海拔2000米左右進行翻轉,相當于會節省20噸燃料,20噸的載荷不是鬧著玩的,這比整個獵鷹9的載荷還要高!
但問題是,你越晚翻身,對姿態的調控空間越小,早調控早穩定呀!所以就要靠極致的臨界技術去調整姿態,為的是節省燃料,增加載荷。一切的目標還是為了省錢,省錢,省錢。
由于本次發射是星艦首次軌道飛行,所以回落大氣層本來是重要測試點之一,我個人對于它怎么躺著回來非常感興趣,但遺憾的是我們沒有看到那一幕,因為星艦在分離這個環節沒有完成,也就沒有后續了,只能期待下次發射了…… 那么除了這個,還有哪些重點呢?
SpaceX星艦的最終目標是移民火星,這個已經非常清晰,但這個整體的邏輯是什么樣的呢?我們還得稍微捋一下。
這件事兒的整體節奏應該是,先登陸月球,然后在月球建立永久性基地,通過一段時間的準備,再登陸火星。
當人類能夠殖民火星之后,再等待一些關鍵技術比如核聚變引擎的成熟,就能夠為更深層次的深空探測任務、更遙遠的星際移民做好準備了……
所以美國的計劃是先“重返”月球,這就是著名的“阿爾忒彌斯計劃”。這個計劃在2017年被懂王簽署,其目標是在2024年前將宇航員平安送往月球并返回(大概率無法按時完成)電腦桌面壁紙全屏4k,并建立常態化駐留機制,為未來的火星載人登陸任務鋪就道路。
也就是說電腦桌面壁紙全屏4k,這次登月跟之前不一樣,有技術上的重要更新,除了剛才說的永久性基地以外,還要建立月球的空間站。說到底本次重返月球是為了移民火星做準備,這就跟SpaceX星艦的目標對上了!
問題是,阿爾忒彌斯計劃由美國國家航空航天局主導,并有多家美國商業航天企業及國際合作伙伴參與。SpaceX星艦只是其中的一小部分,NASA自己本來想指望自己的親兒子SLS火箭,但是由于SLS不太爭氣,所以SpaceX星艦的參與度在逐漸增強。
目前,SpaceX已經得到NASA的第二份“阿爾忒彌斯”登月合同,作為NASA“阿爾忒彌斯4號”任務的一部分,也就是說按計劃,SpaceX將參與“阿爾忒彌斯3號”和“阿爾忒彌斯4號”任務,兩次載人登月。
剛才說了星艦是兩節組裝起來的,由下半部分火箭助推器B7 和上半部分星艦SN24組成。下邊是約70米高,33臺猛禽2發動機,推進劑裝載量3400噸,設計推力7590噸。上頭的星艦飛船,50米高,6臺猛禽2發動機,其中3臺是線噸。
星艦總重大約5000噸,總高度120米,直徑9米,運力100到150噸。所以,它將是史上最大、最強火箭,比SLS的Block 1 高20米,比土星五號高10米。而土星五號的起飛推力是3400多噸,星艦是7590噸。
但是首飛不會100%釋放推力,而是90%。那用7590噸乘以90%,經過極度復雜的運算,得出結果是6831噸,這基本是土星五號的2倍。也就是說,它是人類迄今為止最大的火箭平板電腦多少錢。
這次飛行測試之所以頗受公眾關注,因為這是星艦的第一次入軌測試。按計劃,星艦組合體將在美國德克薩斯州博卡奇卡的自建發射場升空,組合體升空到達一定高度后分離,之后第二級“星艦”飛船將在低地球軌道上繼續向東飛行大約90分鐘,經過墨西哥灣和佛羅里達海峽,繞地球大半圈,最后到達夏威夷附近海域。
雖然助推器和星艦都被設計成可重復使用,但在此次飛行計劃中,兩者都將不作回收。它們將在海面上濺落,而不是像獵鷹9號和重型獵鷹那樣,垂直降落在著陸場或海上回收平臺。
按計劃,星艦整體會在距離發射一個半小時左右加注燃料——液氧和液態甲烷。因為液氧-183度、液態甲烷-162度的低溫,大家看到箭體發生明顯變化逐漸變白,成為大冰棍,就是在干這個事兒。
正常情況下,火箭發動機在T-8秒時候開始點火,8秒之后火箭升空!下半截超重助推發動機工作時間是169秒,之后助推器的33個“猛禽”發動機將關機。升空193秒后,星艦與助推器分離,這時候的高度大約是63公里。
所以計劃中,如果分離成功的話,他這個下半截是受控返回,但不是直接回收,而是以濺落的方式,掉到海里!助推器會在發射后大約8分鐘,濺落在距墨西哥灣海岸大約32公里的海面上。
圖中有藍色和紫色兩個區域,藍色區域是正常飛行的情況下,超重助推濺落在墨西哥灣的危險區域。紫色的區域,是發射初期發生問題,也就是計劃外快速解體的情況下,碎片掉落的危險區域。
按計劃,星艦上半段在分離以后,將繼續在宇宙空間向東飛行一個半小時左右 ,飛大半個地球的距離的樣子。飛行路線主要在海上,經過非洲和澳洲以后往夏威夷方向去濺落。
所以在這一段時間,主要是看能否完美回落大氣層,然后在大氣摩擦下隔熱瓦能否扛得住,圖中也是圈兒里的部分是濺落區域,綠色部分是出問題解體后,散落的區域。
從整個發射流程我們可以看到,本次星艦發射計劃測試的環節與以往歷史上的測試結合在一起,已經可以組成一個完整的人類最大火箭的發射路徑!而且是在最小成本最經濟的計劃下完成。
因為下半截的回收已經不是問題,上半截的回收之前也做過測試,本次是組合起來發射到軌道級,然后飛行,再返回大氣層。這幾點全部成功那就夠了。
目前,星艦發射失敗原因已公布,SpaceX通報稱,星艦發射后不久,因發動機故障和失去高度而被主動自毀,這也比較符合直播的實際情況!
發動機的問題是:33臺猛禽發動機并沒有完全工作,發射一開始就有3個發動機沒能啟動,之后又有3-6臺輪番沒有點亮。理論上講,33臺猛禽發動機設計上是有冗余的。但是本次試飛本來計劃,就只會釋放90%的發動機動力,再加上幾個不工作的發動機都偏向一側,所以在動力弱的情況下,還跑偏,這就比較麻煩了。
所謂失去高度是:此次發射并沒有達到預定的高度,火箭的姿態就開始變形,按計劃應該是3分鐘之前,就應該完成預定的分離。而分離高度應該是飛到海拔63公里,但是實際只飛到29公里的海拔高度就乏力了,推不動了,所以只能4分鐘左右自毀解體了……
但客觀的說,本次測試能達到這個階段的情況,也已經能打60分了平板電腦多少錢,為什么這么說呢?因為此次飛行突破了MAX-Q階段,這是一個很大的突破,按道理突破了MAX-Q階段就已經成功一大半了!
什么是MAX-Q階段呢,就是說火箭在上升的時候,會受到空氣的阻力和擾動,火箭推力主要克服的就是重力和空氣阻力,火箭發射以后速度越來越快,受到的空氣阻力和擾動也會越來越大,但是空氣越往上空稀薄,這個阻力也會在減小,當這個均衡被打破的臨界點就是MAX-Q,正常情況下突破這個點,火箭受到的擾動就會很小了,也就是說,后面就穩了。
所以這次發射如果按照馬斯克所說的,不炸毀發射臺就是成功,那結果也已經不錯了……任務失敗后,馬斯克發布推文:“祝賀整個團隊完成了‘星艦’飛船驚人的試飛任務!為了數月后的新起點,我們已經學到了很多。”
因為你要把大量的貨物和人投送到火星,那是一個復雜大規模的工作。未來“星艦”系統將擁有測試版星艦(原型機)、登月版星艦、環月旅行星艦、貨運版星艦平板電腦多少錢、加油版星艦、衛星平臺、洲際旅行星艦等多個版本平板電腦多少錢。
當然最重要的是做地球運輸的那個洲際旅行版本,因為SpaceX要指望那個東西替代民航飛機,用來賺錢養活去火星的星艦。
畢竟地球去火星的窗口,每兩年才有一次。而未來大規模的“星艦艦隊”,不去火星的時候,不能一直放著,所以做運輸掙錢是一舉兩得的事兒。
當然當移民火星計劃真的實施的時候,恐怕需要的版本會更多。星艦飛船未來計劃,能夠一次性運送100人進行星際旅行,或者運送100噸貨到火星,并且因為甲烷和液氧這組燃料可以在火星上基于二氧化碳和水就地生產,星艦可以完成在地火之間的往返。
馬斯克還宣稱,“星艦”的發射成本相當低,一旦相關試驗取得成功,將啟動規模化生產,以每年建造100艘的速度,打造1000艘“星艦”組成的太空艦隊,將10萬人和相關物資運送到火星,長期目標是在火星上建立一個100萬人的城市,并最終實現把人類躍進為“多星球物種”的目標。
這個計劃包含的最關鍵也是大概率會實現的部分,是火箭運輸服務的規模化和廉價化。化學火箭技術50年前就已基本成熟,它使得我們的活動范圍可以覆蓋包括地球軌道,月球和火星在內的,太陽系的一小片區域,但問題是,由于火箭發射過于昂貴,這一小片區域并沒有被充分的開發,時至今日我們想去一趟太空還是非常費勁。
敢于做第一個吃螃蟹的人,敢于在一片黑暗之中尋找出口,敢于犯錯敢于承擔責任,敢于跳出內卷從未知的領域尋求收益。這讓我想起了張騫出使西域,沙克爾頓嘗試橫穿南極洲。
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