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2020年11月21日星期四,欢迎收看第32期高见,本期我们来聊一聊星舰六飞。
北京时间11月20日早晨6点,
SpaceX开展了星舰第六次试飞任务。
与星舰五飞相似,
这次试飞在技术上的改动也非常有限。
上个月的星舰五飞已经基本完成了第一代星舰的测试任务,
在星舰版本大更之前,值得开展的测试项目已经不多了。
但星舰五飞时,FAA颁发的许可证已经包含了六飞任务,
B13与S31也完成了多轮测试,不发射就浪费了。
于是SpaceX对执行六飞任务的星舰做了少量改动,
从而进一步贴合下一代星舰的技术特征,为明年的试飞铺路。
上个月的五飞首次实现了助推器塔接回收,
但在回收前,助推器出现了几个问题。
比较明显的问题是返回阶段有一处边条翼蒙皮撕脱,
边条翼内部包裹的是一对单点失效阀门。
航天器在条件允许的情况下,通常会采用一用一备的布置,
从而保证故障冗余。但并不是所有分系统和部组件,
都具备一用一备的条件,没有备份荣余的就叫单点失效。
换句话说,在五飞的返回阶段,
如果边条翼内部阀门因为蒙皮脱落而导致破损,
就必然会造成无法挽回的故障。
这次试飞的13号助推器吸取了五飞经验,
在边条翼上加装了更多的铆钉,从而提高结构强度。
星舰五飞时,12号助推器在执行塔接前,
脐带接口附近出现了脱落物,
后续的持续火灾可能与此有关。
这次试飞由于没有执行塔接回收,缺乏近景画面作为对照。
但从远景画面来看,火灾情况似乎有所改善,
合理推测,相关故障点也进行了类似边条翼的加强措施。
助推器最关键的一处改进是在看不见的软件上。
在五飞任务结束后,隔了十几天,
马斯克上传了一个三分钟的游戏视频,
马斯克在打游戏时,正在听五飞的总结汇报。
SpaceX工程师说,12号助推器回收点火时,
发动机涡轮泵起旋压力出现配置错误,
没有按预期加压。
这不算什么严重问题,
但由于回收判定程序包含了对这项数据的严格校验,
差点就导致系统触发回收中止判断。
而当时如果中止回收,
助推器将砸到发射场附近的地面上,引发一次大爆炸。
五飞助推器回收距离失误只有一秒钟。
SpaceX的工程师重新编制了回收中止判定,
变更了数据报错的提交标准,
所以这次B13最大的升级不在硬件,而是在软件上。
除此之外,这次13号助推器还有几处不太重要的改动,
比如调整了飞行中止系统(FTS)的安装位置,
改用了更小的通风口。
五飞时,30号飞船采用了全新的热防护系统。
这次六飞的31号飞船,重点改造的还是热防护,
在两侧大面积删减了隔热瓦,
每侧拿掉了七-八列,总计删减了1300多块。
隔热瓦很轻,拿掉1300多块隔热瓦,总共减重也不到半吨。
删减隔热瓦的目的不是为了减重,
而是要给下一代星舰飞船的回收测试铺路。
之前星舰飞船的挂载点都是前襟翼的翼根,
但前襟翼脚链在几次试飞中都在载入阶段出现了严重烧穿问题,
几次技术改善都没有办法完美解决,
这次试飞还是有烧穿的现象。
下一代星舰会将前襟翼向背风面移动,并且缩小尺寸,
计划在明年执行第七飞任务的33号飞船
已经完成了相应的改造。
这就导致原有挂载点不可用,
飞船需要加装类似助推器的回收支腿。
回收支腿要对位安装在飞船的两侧,
这就与原有的隔热瓦覆盖区域冲突,
所以必须要移除部分隔热瓦。
此外,31号飞船还在鼻椎区域拿掉了四块隔热瓦,
只保留了钢丝网和底层隔热毛毡,要做一次隔热极限测试。
这次飞船的载入过程比以往的表现都要好,
下一代飞船已经不用太考虑热防护的问题了。
六飞的技术改动少,任务与五飞高度相似,
所以航天爱好者普遍觉得缺乏看点。
事先能想到的问题,
集中在删减隔热瓦之后的飞船能不能扛入再入过程。
但对于SpaceX与马斯克来说,这次试飞的最大变量不是技术,而是人。
过去两个月马斯克成功押注特朗普,完成了一次政治梭哈。最近马斯克频繁与特朗普同行,据说连续好几天就睡在特朗普的隔壁。
特朗普在上一个任期就将航天作为“MAGA”的重要组成部分,原计划在连任后搞登月,刷个“科技胜利”的成就。但当时美国航天青黄不接,以波音为代表的老航天企业,更是吃惯了成本加成合同,习惯了拖拖拉拉的干活,副总统彭斯几次到NASA“督战”都催不动进度。登月计划在拜登任期反复延期,但星舰项目也取得了长足进步,现在特朗普时隔四年再次当选总统,风水轮流转,居然还是有希望在第二任期刷个“科技胜利”,成功概率反而还提高了。而且不止是登月,几款鸽了又鸽的航天器都有望在特朗普第二任期投入使用。星舰作为登月计划的重要组成部分,必然被特朗普重点关注。
此外,在叠加马斯克政治加盟因素,这次特朗普选择到发射场现场观礼。
美国总统到火箭发射现场观礼的次数不多,上一次也是特朗普。2020年5月30日,特朗普与彭斯夫妇在佛罗里达肯尼迪航天中心现场观看了SpaceX龙飞船首次载人发射。这是自2011年航天飞机退役之后,美国宇航员首次搭乘美国火箭升入太空,寓意非常的“MAGA”。再上一次,是1998年克林顿现场观礼航天飞机发射,再往前追溯就要到阿波罗计划了。
为了迎接特朗普,SpaceX提前几天就清扫了星舰基地与周围道路。星舰六飞当天,马斯克更是全程陪同特朗普参观,在旁边做讲解。
六飞任务的飞行剖面原计划与五飞一致,但飞船实际飞行的远地点高度190公里,低于五飞。此外,遥测数据显示,助推器点火时间也比五飞缩短了约6秒,这让助推器返回航程缩短了约30公里,这些改动很可能就是在给任务提供安全冗余,确保观礼的万无一失。
但结果是这次试飞还是出现了意外。由于助推器返回路径更近,留给回收判定的时间窗口也更短,SpaceX必须要在助推器进入滑行状态之前就判断是否要回收。助推器进入滑行返回阶段,现场解说人员收到了工作人员的通知,说不会进行塔接,最终13号助推器在近海溅落。
SpaceX事后在官网发布简报,说不回收的原因是发射塔硬件自检触发了回收中止,这对应了现场拍到的发射塔顶部信号天线歪倒。天线歪倒的原因大概率是在星舰起飞时被尾流吹倒了,天线上可能装有类似RTK的高精度定位装置,歪倒后会导致定位无法校准,造成火箭与“筷子”之间的定位解算误差。甚至更严重一点,天线歪倒时可能直接扯断线缆,造成通信中断,所以系统自检判定放弃回收。
助推器溅落之前还是与发射塔同步完成了模拟塔接的回收动作,看上去天线歪倒还在故障冗余范围内。地面布置设施时没有航天器那么苛刻,可以多重备份。发射场不可能只有一个RTK装置,不可能只有一个通信天线,而且地面与火箭上也都安装有测距雷达,因此天线问题并不致命,毕竟四飞时助推器靠海上浮标定位也能实现厘米级精度。更何况星舰五飞的时候,信号塔也被吹歪了,只是没有这次这么严重。可以推测,即便13号助推器执行塔接回收问题也不大。
星舰回收受系统判定与工作人员双重决定,助推器选择近海溅落,这里面固然有判定窗口太短的因素,但恐怕更关键的还是SpaceX工作人员求稳,毕竟特朗普就在现场观礼。海上溅落本来就是备用方案,执行起来不算难看,真要冒险开展塔接,万一失败,那舆论上的后果谁都无法承担。预计明年的星舰七飞也不会进行塔接,要等到8飞才能再次看到助推器回收。
助推器溅落后发生爆炸,和上次一样,还是有很多网友觉得这代表了失败。但这是规范要求的爆炸,不炸才是有问题。对,我说的就是这次的31号飞船。
S31在海上溅落后只是发生了部分破裂燃烧,并没有爆炸解体。按照FAA文件要求,这属于不达标,残留燃料可能会造成海洋环境污染。明年SpaceX拿到新发射许可之前,FAA有可能会对这一问题再次展开技术审查,并要求整改。
总体来说,星舰六飞在技术上没有多少新东西,SpaceX自己对六飞的态度也是更有娱乐心态。比如SpaceX在31号飞船两侧前襟翼附近都画上了“香蕉人”,迎合美国香蕉比例的网梗;SpaceX工程师穿香蕉服摆拍;官网上还挂上了周边商品;载荷舱内部也放了个香蕉。
六飞任务为第一代星舰画上了一个不太圆满的句号,这个不太圆满,是因为五飞相比起来太成功了。
星舰还在快速迭代,备战明年的版本大更。目前星舰工厂已经被拍摄到有一批第二代飞船正在建造。
根据星舰基地总经理凯西·卢德斯的介绍,SpaceX计划在2025年发射25次星舰。此前SpaceX已经向美国政府提交了未来的发射计划,目标是让德州星舰基地每年能发射25次星舰。当然SpaceX的计划往往是超前的,今年原本计划发射6到9次星舰,实际只完成了4次,计划总是赶不上变化。
SpaceX明年想要发射25次星舰,要经过FAA许可,而目前FAA的审核机制针对的还是每年最多发射10次火箭的传统航天企业。之前FAA能够给猎鹰9一次性发放长期许可,是因为猎鹰9很快就完成了技术冻结。但到了星舰这种超大型复杂项目,
技术收敛周期要接近10年,传统审核机制已经不适配了。
此外FAA面对越来越复杂的市场,人事结构也不断膨胀,官僚主义不断加剧。即便如此,FAA也早就无法解决繁杂的技术审核工作,很多审核都是以半外包的方式让企业自查自纠。
比如波音飞机的技术审核,就是波音派驻一部分工程师的FAA挂职,专门来审波音自己的项目,因此不难理解FAA在航天项目上对波音和SpaceX双标。现在FAA对SpaceX的审核有相当一部分内容也是SpaceX自己来完成的。
但凡事只要开始走流程,就是个各部门读条的过程,所以马斯克经常吐槽FAA。如果未来航天产业能发展成普通的规模工业,那自然不需要保留这么臃肿的审核机制。可眼下SpaceX才是航天产业中的特例,马斯克骂归骂,体制改革不可能围绕一家公司来量身定制,SpaceX最多是争取让FAA给个特殊对待。
SpaceX明年想要发射25次星舰,除了审核要读条,星舰基地还要进一步提高周转效率。从星舰首飞到星舰六飞,发射间隔从212天缩短到了37天,明年进一步缩短到一个月以内的问题不大。但想要实现25次发射,需要把周转时间进一步压缩到2周以内。更何况,明年七飞任务很可能要安排到2月份以后,排期会更加紧张。因此,明年大概率没有办法实现25次发射,能在今年的基础上翻倍,发射8次星舰,就是个不错的成绩了。
星舰想要快周转,意味着全流程节拍必须一致,但凡有一处堵点就会影响全局效率。现在星舰工厂生产不锈钢舰体的效率已经很高了,已经开始用机械臂来辅助装配,但猛禽3发动机还在跑验证测试。
星舰五飞之后,10月23日,猛禽3在麦格雷戈测试场进行了39次快速启停测试,之后在11月5日开展极限工况测试时出现了炸机。从目前进度来看,猛禽3距离进入稳定的批生产状态还有相当长一段时间。而且就算进入了批生产阶段,前几批次还可能存在质量不稳定的问题。
星舰前四飞都出现了发动机故障,到五飞之后才实现完美点火。这里面一个很重要的原因,就是前几批猛禽2发动机的技术状态存在变化,导致并联工作时不稳定,尤其是去年的首飞任务。这次试飞的星舰,安装的猛禽2发动机编号已经快排到400了,合理推测就是跳号的靠后的稳定批次,这才保障了火箭的良好点火。现在S33安装的还是猛禽2,明年的发射任务也还要靠存量的猛禽2来完成。
存量猛禽2还有300多台,就算全部检修利用起来,也不够支撑明年10次发射。SpaceX如果想在明年实现10次以上的星舰发射,在猛禽3正式投入使用之前,要么继续选择生产一批猛禽2,要么选择助推器与发动机回收再利用。前者不是马斯克的作风,后者风险太大,都不是太好的选择,最好还是尽早换装猛禽3。因此猛禽3的生产进度会成为明年制约星舰项目进度的一个潜在因素。
星舰快周转的另一个潜在堵点是飞船隔热瓦。目前星舰飞船一万多块隔热瓦都还要靠手工安装,每次发射都会有脱落、烧蚀,都需要手动维护。当然这方面只要肯堆人力,还是可以应付半个月的周转周期。随着星舰发射频次上升,周转压力也会传递到第0级,尤其是未来换装更大推力的猛禽3,扩大发动机并联规模,起飞推力直奔万吨级,发射台的负荷更大,而现在的发射台已经很难再压缩维护周期了。
所以今年SpaceX花大力气在星舰基地建设了发射塔B,采用更可靠更容易维护的导流槽与发射台方案,计划在明年上半年投入使用。在星舰五飞之前,SpaceX用六个星系就快速完成了发射塔架的模块化拼装,这些地上部分还只是看得见的效率。由于博卡奇卡星舰基地是在沿海滩涂,地下水位高,地面设施必须靠密集的深桩才能维持结构稳定,光是发射塔地下就打了133个深桩。
SpaceX为导流槽设计了全新的方形发射台,采用预制钢结构拼装,相关分段在星舰五飞之前就陆续进场了。有了模块化预置发射台,未来星舰高频次发射,哪怕造成的结构损坏也能迅速更换。
现在博卡奇卡在建的新发射塔虽然叫B塔,但这是SpaceX第三座星舰发射塔,第二座在佛多里拉州卡纳维拉尔角。现在博卡奇卡星舰基地的这些升级改造,未来都会服务于佛州星舰基地。目前佛州星舰基地已经开始动工,卡纳维拉尔角39A号发射台正在按照星舰第0级标准建设。
在今年第31届巴伦投资大会上,SpaceX首席运营官格温·肖特维尔说,未来四年星舰有可能发射400次,除去2025年的25次,2026到2028年平均每年要发射125次。
前面提到SpaceX已经提交了德州星舰基地每年发射25次的计划。此外SpaceX还计划在卡纳维拉尔角实现每年120次星舰发射,其中39A发射台每年44次,37B发射台每年76次。如果这些计划都能实现,两个星舰基地每年合计能发射145次星舰,按照每发150吨入轨能力计算,每年能投送2万多吨载荷入轨,哪怕打个对折,也是万吨级的投送能力了。
现在星舰项目已经度过了最艰难的爬坡阶段,一旦进入技术稳定状态,就会迅速展现出指数增长的威力。到那时,连猎鹰9这种上一代“版本之王”,也会被SpaceX淘汰,留给世界其他航天公司的时间不多了。
好,本期节目到此结束,感谢各位收看,我们下期再见。