星舰再度爆炸,似乎这已经不算什么新闻了。然而,问题的关键是,最近连续三次试射都以失败告终,进展非常缓慢,超重型助推器和星舰本身依旧未能成功飞行。现在的感觉是,星舰可能在失败中前行,但星舰在失败中前行的可能性已经很小,甚至连美国的网民们也开始对马斯克的信心动摇了。
(“星舰”的五次发射起飞照片)
5月28日,北京时间,星舰(任务代号IFT-9)迎来了第九次发射,这次发射再度以失败告终,引起了广泛的关注和讨论。甚至连马斯克最忠实的“铁粉”也开始产生怀疑,对星舰项目的未来充满不安。这次的发射几乎未见显著进展,尽管在点火起飞阶段一切正常,但一级“重型助推器”在进行返回点火时发生了异常,导致爆炸并损毁,未能顺利完成受控溅落任务。
星舰的一级虽然成功关闭了发动机,但由于主推进剂贮箱泄漏和失压,最终导致姿态失控,很多任务未能完成。例如,它未能顺利打开舱门释放载荷,并且在重返大气层时解体。这一切都表明,SpaceX公司没有解决前两次发射失败的问题。甚至有SpaceX的内部人士透露,该公司至今还未找到前两次失败的具体原因,这次纯粹是在碰碰运气。
SpaceX的投资人之所以还能容忍星舰连续发射失败,除了马斯克本人的魅力外,还有一个原因——星舰的研发路径与传统火箭有着本质的不同。传统火箭研发时,通常是“减法”式的操作,尽量在一开始就确保可靠性,不惜成本,通过冗余设计提升各个零部件的性能,组装时也在无尘车间进行,一旦发射成功,便开始寻找可以减少成本的环节(SpaceX的猎鹰系列火箭也遵循了这条路)。
然而,星舰的研发却完全是“加法”的思路。它从一开始就通过最低成本的方式进行研发,甚至在露天进行组装,根本不需要无尘车间。星舰的理念就是要通过一轮又一轮的失败,找出其中的脆弱环节,在下一次发射时进行改进,直到最终取得成功。
(星舰第9次发射的任务计划)
这种对失败的宽容是有前提的——SpaceX必须能够从每一次失败中总结出问题,并在下一次发射时加以改进。但现在,SpaceX已经连续三次发射失败,且进展甚微。每次失败的原因都各不相同,包括结构谐振、发动机故障、主贮箱泄漏等,这些问题在地面的低温压力试验、短时长试车和长程试车中并未暴露出来。
至今,星舰的所有体积和重量特性都超出了目前的有限元分析模型,无法被精确模拟。而每次发射的成本也不低,平均在9000万美元到1.2亿美元之间。SpaceX的投资人以及马斯克自己,究竟能容忍多少次投资打水漂,还很难说。
(本次“星舰”飞船级舱内的视频和照片)
这些问题之所以在地面测试中没有发现,可能是因为SpaceX没有为星舰进行振动台测试。尤其是飞船级在高超音速飞行阶段的振动特性,很可能是导致许多问题的根本原因。如果没有振动台测试,SpaceX只能通过一次次的发射失败,来摸索和总结经验。
实际上,之前星舰的所有发射,几乎都忽略了高超音速飞行阶段,尤其是飞船级再入大气层时的振动特性。如果当初有地面振动台测试,正常的流程应该是,经过一次失败后,针对原设计方案进行振动测试,改进后再进行振动测试。如果没有问题,就可以进行下一次发射。如果发射仍然失败,则重复这一过程。
然而,SpaceX没有进行地面振动台测试,背后有原因:首先,目前超大载重的振动台技术几乎被中国垄断。美国当年测试“土星五号”时,使用了八个液压驱动器并联的振动台,推力大约为29吨。而2016年,中国航天科技集团成功研发了140吨振动试验系统。虽然美国宇航局曾从中国进口过这种大载重振动台,但自2020年起,根据《中国禁止出口限制出口技术目录》,大型振动平台的设计建设技术被明确列为禁止出口,美国因此无法继续获得相关技术。
其次,目前世界上根本没有适合对像“星舰”这种庞大、沉重的航天器进行振动测试的振动台。如果未来中国的长征9号巨型运载火箭成功立项,这种振动台也将需要从零开始研发。
(我国政府在2020年禁止出口大型振动平台技术)
那么,星舰的未来将如何发展?它将如何影响美国的航天实力呢?正如前面提到的,星舰目前没有解决地面振动台测试的问题,这意味着它只能依赖一次次的发射失败来摸索,不知道还需要多少次失败才能解决现有问题。而且,即使星舰最终能够成功实现飞船级的入轨和两级回收,也需要多次发射来验证载人的可靠性。如果要在2028年实现载人登月,恐怕大多数人都认为不太可能。
至于火星登陆,那可能只是一个空洞的目标,无法过于信赖。星舰的最终目标是将低轨道发射的成本降至每公斤200美元,而目前猎鹰系列火箭的最低成本为每公斤2000美元。如果星舰项目成功,将大大降低美国在太空发射方面的成本,相较其他国家,拥有一个明显的战略优势。目前来看,要实现这一目标,美国恐怕还需要等待几年,而前提是SpaceX能够坚持下去。对于中国而言,我们就有了更多的时间去追赶。