新2会员手机管理端(www.22223388.com):深度还原:SpaceX的火箭又����炸了,马斯克:欧耶!

作者:科学声音吴京平

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SpaceX公司的团队用不锈钢来制造火箭。这在以前也曾经有过,好比美国早期的宇宙神火箭的燃料罐也是用很薄的不锈钢制造的,就像易拉罐那么薄。内部充入高压氦气,才气保持直立。然则若是卸载燃料的时刻不小心漏了气,或者是搞错了顺序,那就不行了。火箭能直接瘫软在发射架上。

图:大型油罐

不外呢,马斯克用的不锈钢是很厚的,而且内外好几层,也不忧郁会垮掉。这么长的火箭固然无法一次成型,而是做成一个个圆圈,然后焊接起来。以是人人有时机看看星舰火箭,就会发现,这器械还真像个煤气罐或者是大油罐之类的。马斯克当初也是参考了油库大罐子的制作流程。事实用不锈钢来搭建耐压容器,人家履历厚实。

后面的测试火箭,马斯克让手下的两个团队举行竞争。德州博卡奇卡基地制作MK1、MK3,佛州可可基地制作MK2、MK4。那时都是这么编号的,厥后全改了。以是,SpaceX他们家的器械着实是有点乱。

SpaceX他们家接纳的研发流程类似于软件开发,是不停迭代。而且的多路并行的,这样开发速率会异常快,有问题就会实时发现。若是你一次做一个完整版,天知道那一部门会出问题,火箭太庞大了。任何模拟测试都取代不了现实发射。

遥想昔时,NASA也曾经展示出极高的效率,那就是在执行阿波罗登月设计的时刻,只有10年时间,美国人要从一张白板,到登上月球。中央有若干步骤要走啊。以是,他们也是并行操作的,1号在发射,2号在测试,3号在组装,4号在制造,5号在设计研制……半年发射一枚土星5号这样的超大型火箭。这样才作育了短短8年美国就能把人送上月球的事业。可是现在就不行了,远没有那时的劲头儿,也没有昔时那么豪横的财政拨款。

图:理想很主要,人心散了,队伍就欠好带了

幸亏,SpaceX公司若干还保持着昔时NASA的锐气。队伍为什么欠好带?由于人心散了嘛。没有一个高尚的目的召唤,谁愿意拼命干啊?为什么要去火星?马斯克给出的理由都很牵强,去火星不需要理由。为什么去爬山?由于山就在那里,火星就在那里。

mk1和mk2两个火箭是全尺寸原型机。都有9米粗,50米高。也就是说,大致相当于7个长征2号火箭捆成一大捆。全身银光闪闪,都是不锈钢焊接而成。不外在2019年的一次测试之中,MK1炸了。要知道,液氧和液态甲烷都是低温燃料,最少在-180度以下。然则燃料罐的内部压力也很大。以是,要做低温耐压测试。液氧罐遭受不住,焊缝破碎,直接爆了。内部气压太高,MK1火箭被内部喷出的高压气体吹起来几米高,横着扔出去几十米远,算是彻底报废。摔扁了嘛,也只能报废了。

不外嘛,这种爆炸对SpaceX来讲,就是个屡见不鲜。他们叫停了MK1和MK2,直接废弃了这俩个原型机。最先准备后续的MK3和MK4。他们是不太可能停下来归零的,那样时间太长了。马斯克的团队换了新的设计方案,听说比以前还轻了20%,而且MK这个前缀也不用了,改成了SN,也就是序列号的意思,MK3改成了SN1。

等这个SN1制作完毕,2020年2月尾移到测试台上举行测试,又失事儿了。又是罐子破碎,内部高压气体喷出来,整个火箭飞起来几十米,摔下来还引发了二次爆炸,这下比前一次还要惨。马斯克说是火箭的屁股设计有问题,下次改善。

既然是屁股设计有问题,SN2的目的就是测试新设计看看是不是解决了问题。SN2在履历了加压测试以后,竣事了使命。看来屁股的问题找到了,而且解决了。

图:火箭已经瘫了

再接下来,就是SN3和SN4了。SN3是测试职员犯了一个低级错误,甲烷的储罐是在液氧储罐的上方,他们加压测试,先灌进了大量甲烷,下边的液氧罐子是空的,效果液氧罐遭受不住上边那一大缸液态甲烷的重量,被压扁了。SN3直接报废了。然则这一次不是爆炸,发念头完好无损,可以直接用到SN4上。

SN4是在去年的4月尾上测试台的,也就是2020年的4月份。SN4共通过了五次的静态焚烧测试和两次低温加压测试。静态焚烧就是把火箭捆在发射台上,然后开启发念头,真的焚烧举行真实的检测。固然,开车时间是很短,不会造成损坏。

静态焚烧也是马斯克的老传统了,到5月尾,SN4举行第5次静态焚烧的时刻,泛起甲烷泄露,又炸了。这次不想以前,都是气体压力大,爆了,实在温度不算高。这次是焚烧以后炸的,测试台都被炸坏了。

由于星舰是一种前所未见的火箭,它用的质料,它的体型,用的燃料都是新的,而且要完成的义务也是全新的,以是难免会出问题。炸是不能阻止的。

后续的SN5和SN6到底对照顺遂,完成了一些的测试,而且顺遂腾飞,下降在了150米之外的着陆场上。这说明猛禽发念头是可靠的,推力很足。而且姿态操控也没问题。这也是星舰的实验品第一次实现正常航行,只管距离很短。

固然这两枚实验品都不是完整的飞船,由于不需要飞的很高,飞的很快,以是头部没有安装头锥,就是个平头的。有点像会飞的暖水瓶的样子。由于只飞150米,用不着若干燃料,也就不用装太多的发念头,只装了1台猛禽。

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SN7并不是用来航行测试的,而是用来对燃料罐做压力测试的,看看3毫米厚的不锈钢能顶住多大的压力。也就是说,不折腾炸了誓不罢休。这一次的爆炸是有设计,有预谋的。

图:SN7和SN7.1

以是嘛,SN7和后续的7.1、7.2都只是个大燃料罐,并不是完整的火箭。7和7.1都被伟大的压力给憋炸了。然则7.2顶住了压力,完成了测试。

接下来到SN8,这基本上就是一个对照完整的版本了。你可以看到,伟大的不锈钢煤气罐的顶部安装了椭圆形的头锥。头部和尾部安装了两个小同党。最少从外观上看,星舰火箭已经不缺什么了,固然内部照样缺少需要的装备,由于这枚火箭是要载人,要拉货,货舱客舱的,SN8都没装,这还早着呢。

这一次,SN8要测试高空高速航行,而且要测试一下星舰火箭怪异的“鲤鱼打挺”动作。屁股上装了3台猛禽发念头,排列制品字形,这也就意味着,若是要反推着陆的话,没有任何一台发念头是在火箭的轴线上,都是偏的。也就是说,只开一台发念头,不在中央轴线上,要歪着喷,才气保持平衡,就看SpaceX对火箭的操控够不够强了。

固然,这一次最难的,是火箭的下降方式。这可不是像猎鹰9号那样是垂直倒飞回来。而是垂直腾飞,飞到12.5公里的高空,然后火箭打横,平着落下来,然后到靠近地面在来一个鲤鱼打挺的动作,把火箭竖过来,最后垂直落地。

人人也许会纳闷,为什么马斯克要这么干呢?为什么不能老忠实实的垂直着陆了,中央折腾什么么蛾子?实在这是SpaceX的一大创新。要解决的就是和航天飞机类似的问题,那就是高速从外太空返回地面。

猎鹰9号1级之以是可以接纳,那是由于猎鹰9号的1级实在速率并不快。也许也只有一秒钟几公里而已,并没有跨越第一宇宙速率。然则2级怎么办?2级一样平常已经跨越第一宇宙速率了。马斯克的星舰实在就是火箭的第2级,而且是一个完整的整体,并不像载人飞船那样,二级火箭最后会和飞船星散。从这一点上来讲,很像是航天飞机。若是是从月球或者是火星归来,速率会更快,会到达第2宇宙速率,加倍欠好办。

航天飞机接纳的方式就是滑翔。人人想过没有,为什么运载火箭都是钝头的?为什么不是尖头的呢?尖头不是阻力小吗?对,没错,阻力是小,然则若是火箭的速率太快,空气会贴着火箭外面摩擦,发生极高的热量。若是是钝头的,空气会被推开。温度最高的区域是不会紧贴着火箭外壳的。

以是,航天飞机返回的时刻,头部会形成一道激波,身子只要躲在激波后边温度就不至于太高。硬通俗的陶瓷瓦就能对于。然则机翼前缘和鼻子尖就必须接纳碳碳复合质料才气对于。不外,这个角度很欠好控制,不能大,也不能小。航天飞机就是这么挺着肚子迎着风拍向浓密的大气层,等到速率减下来了,进入浓密大气了,就可以当做是通俗的三角翼飞机那样操控。不外航天飞机机身粗胖,操控性能并欠好,机翼也不能太大,滑翔性能也欠好,只是拼集着能飞回来而已。

航天飞机的长度是37米,可是星舰是50米,长了一大截。航天飞机机身的粗细也许是5~6米的样子,星舰是9米,比航天飞机大多了。航天飞机的机翼还算能提供足够的升力,星舰的4片机翼面积简直是不值一提。似乎这4片机翼也发生不了若干升力,截面也跟流线型关系不大。现实上,这4片机翼,只是发生阻力的减速板而已。

若是是星舰火箭从外太空以跨越第一宇宙速率的高速进入大气层,那该若何减速呢?马斯克的团队设想了一个另类的方式,这种方式完全是开创性的。那就是让火箭彻底横过来,侧面迎着气流拍下去。这样的话迎风面积最大,减速效果最好。不外迎风面温度会异常高,以是马斯克思量要铺设隔热瓦,由于星舰是不锈钢的,隔热瓦可以稍微薄一点。正面温度高,铺上隔热瓦,后头不是迎风面,就靠不锈钢死扛了。

固然,SpaceX也有一些阴招,好比让燃料在不锈钢夹层里流动,带走热量,或者是在金属外面开异常细小的孔,让燃料渗透出去,蒸发掉,带走热量。然则这招最后作废了,估量是由于小孔太容易堵塞了。他们一直在改善,方案更改也很猛烈。

以是这一次SN8的测试,就是飞到12.5公里高空,然后让火箭横着垂直着落,最大限度的行使迎风面积。靠前后两片减速板张开的角度来控制阻力巨细,保证头尾的平衡。

图:头尾减速板是用来调整阻力的,这不是机翼

你别说,前半截照样蛮顺遂的。腾飞,然后上升到12.5公里的高空,3台发念头熄火,飞船最先垂直着落。靠减速板张开的角度,控制头尾的阻力巨细。屁股阻力大,头部阻力小,头部着落对照快。很快,火箭就彻底横过来了,酿成水平状态,最先自由着落。这时刻只要控制好头尾的姿态就没问题。等到了靠近地面,发念头二次焚烧,开了两台就够了。这时刻火箭从水平姿态,一个漂亮的鲤鱼打挺就竖起来了,而且姿态控制也不错,就这么垂直落向地面。然则,着落速率显著太快了,屁股后边还冒出了绿色的火苗子,显然是不正常的。最后SN8垂直撞到地面上爆炸了。

对于马斯克来讲,这次实验部门大部门的目的都到达了。SN8垂直腾飞没问题,横躺着着落没问题,姿态控制不错。猛禽发念头二次焚烧没问题,鲤鱼打挺重新竖过来也没问题。就差最后一哆嗦了,怎么就出问题了呢?

这次反映出来的问题是在燃料供应上。最后火光发绿显然是燃料供应不上造成的。这是星舰特有的一个问题,也跟星舰下降的时刻,谁人鲤鱼打挺的动作有关系。

要知道,火箭返回地球的时刻,燃料已经所剩无几了,那么大的罐子,实在是空空荡荡的。你怎么保证燃料沉底呢?不沉底的话,就无法被燃料管吸进发念头啊。若是是原来的垂直下降的方式,那还好办,现在是横着拍下来,鬼知道燃料晃到那里去了,接下来再来个鲤鱼打挺,更是晃得一塌糊涂了。

那么,若何在这么猛烈的姿态调整下,保证吸到燃料呢?SpaceX的设施是在火箭的头部装了一个很小的燃料罐。内里装满了燃料,既然是满的,怎么晃也晃不起来。最后的下降历程,就靠着这个小燃料罐里的燃料了,要用高压氦气把燃料挤进发念头。可能是氦气压力不足,导致了燃料供应不足。

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