各位同學大家好！我是李永樂老師。
4月20日，美國太空探索技術公司（SpaceX）的“星艦”火箭（Starship）首次試飛，在發射升空不到四分鐘后，發生爆炸。
星艦的發射和爆炸
實際上，早在前幾天，4月17日星艦就計劃發射，然而，發射前由于出現壓力閥故障，導致發射推遲到4月20日，卻并沒有改變發射失敗的的命運。
有小朋友可能會問，什么是星艦？它為什么會發生爆炸呢？今天我們就來講講這個問題。
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什么是星艦
2002年，馬斯克賣掉了他創立的第三方支付公司Paypal，懷揣著“登陸火星”的夢想，馬斯克用這筆錢成立了美國太空探索技術公司SpaceX。
馬斯克（右）
馬斯克認為：人類要征服宇宙，必須降低發射火箭的成本。現在的火箭之所以貴，是因為火箭都是一次性的。要是能重復利用火箭，成本就能低很多。四年后，SpaceX首次成功發射第一枚部分可回收火箭“獵鷹1號”，每次發射只需要670萬美元，相比于同規格的火箭動輒幾千萬美元的費用，獵鷹1號顯然便宜得多。
獵鷹一號
隨后，SpaceX又開發了獵鷹9號重載火箭，直到馬斯克將最新的超重型運載火箭命名為“星艦”。
獵鷹9號重載火箭
星艦
星艦由兩部分結構組成：下半部分為69米長超重型運載火箭，上半部分是50米長星艦飛船。總高度近120米，是一個接近40層樓高的龐然大物。它的直徑有9米，每個橫截面都有60多平米的空間。它能把150噸的貨物運送到近地軌道，或者把100噸的貨物送到地球同步軌道、月球、甚至火星上。
星艦的結構和大小
這是什么概念呢？中國現役“長征五號”，“胖五”，總長56.97米，近地軌道上的運載量為25噸。美國國家航空航天局的阿波羅登月計劃用到的運載火箭——土星5號，曾是歷史上最大的火箭，高度為110.6米，近地軌道運載能力為118噸。換句話說，星艦系統是運載能力最強的現役火箭之一。
超重型運載火箭，是星艦發射系統的第一級，高度69米。火箭由33臺名為“猛禽”的發動機提供動力，每臺直徑1.3米，高度3.1米，推力230噸力，總推力7590噸力。首次試飛釋放了90%推力，也已經達到6831噸，相當于阿波羅計劃時送人上月球的土星五號的兩倍。
星艦火箭的“猛禽”發動機
星艦飛船，作為火箭的二級，高度50米，主要負責運輸人員或貨物，是完成各種太空任務的關鍵。飛船里面有休息室、餐廳、健身房等等設施，這讓長途的星際旅行不會過于難受。
星艦飛船的內部設施
而且，星艦系統最重要的特點就是——便宜。據馬斯克估算，如果星艦系統研發成功，每次星際發射的成本可能會降至200萬美元以下，按照最低載重量100噸計算，每公斤成本20美元，約合100多元人民幣，比現在從中國到美國的國際快遞還便宜。最終版“星艦”的設計，每次可將100人送上太空，相當于每人2萬美元，太空旅行不再是夢想。
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星艦為什么這么便宜？
星艦是如何控制成本的呢？
首先在于星艦可回收系統。傳統的運載火箭在完成任務后就會被脫落丟棄，導致每次發射都需要新的火箭，制造火箭所用的材料、人工成本都非常高。
“獵鷹9”火箭可以重復利用，但是每次著陸回收后，需要運回火箭整修廠，翻新、更換、檢測眾多零部件，其中最關鍵環節之一就是整修著陸腿，整修工作需要大量時間。而且，4條著陸腿重量占到了整個火箭的10%。
“獵鷹9”火箭的回收整修
而星艦系統最重要的改進在于，火箭不光可以被回收，而且去掉了著陸退，回收之后只需要加注燃料就可以再發射，實現了公交車式的即停即走。
這是怎么做到的？首先要歸功于地面發射塔架，也是火箭的回收塔架。它擁有3條機械臂，一條是快速斷開臂，用于發射前快速擺開臍帶連接等加注設備，另外兩條像“筷子”一樣，可以夾住火箭。
第一級火箭配備了先進的制導系統和傘降裝置，當一二級火箭分離，火箭垂直降落到一定高度后，發動機以一個角度，將其推回發射塔，在空中達到懸停狀態。隨后，機械臂展開，將火箭夾住。隨后，發動機關機熄火，機械臂將火箭準確地移動到到發射架上，加注燃料后實現第二次發射。這樣做不僅可以大大降低發射成本，還提高了航天器的生產和發射效率。
發射捕獲塔結構
星艦節約成本的另一個絕招是采用不銹鋼材料。傳統火箭的材料普遍選擇鋁合金、碳纖維等輕質材料，這樣可以節約火箭的重量，但是相應的成本就比較貴。而星艦火箭采用相對廉價的不銹鋼作為艦體材料。不銹鋼也是分等級的，2018年，馬斯克宣布新型火箭將采用301型不銹鋼，這是一種鐵鉻鎳合金，適合制作彈簧等較高強度的元件。隨后2020年，他又宣布部分結構采用304L型不銹鋼，這是一種鐵鉻鎳合金，含鉻量更高，防腐性更好。
而且無論是在高溫還是在低溫下，都有很好的韌性和彈性，最重要的特點是：不銹鋼的成本非常低廉。相比于每公斤130美元的碳纖維和每公斤40美元的鋁鋰合金，不銹鋼的成本只有每公斤4美元，比我家門口的菠蘿還便宜，這大大降低了星艦的制造和維護費用。
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星艦是怎么爆炸的？
馬斯克的最終目標是實現人類移民火星，為了這個目標，他必須設計一種低成本往返火星的飛行器。但是，星艦只是這個計劃中的一步，它發射的計劃并不是太空之旅，而是飛越大半個地球。按照設計，飛船主體會被火箭推進到離地約240千米的軌道高度，短暫飛行后再入大氣層，并降落在夏威夷附近海面，預計飛行全程90分鐘。這種做法一般稱為“跨大氣層軌道發射”。
星艦的飛行計劃
首先是驗證最大動壓點。在火箭發射后，會受到空氣的壓力，壓強大小等于二分之一空氣密度再乘以速度的平方。火箭升空后，空氣密度逐漸減少，速度逐漸增加，在發射起飛55秒后，星艦承受整個航程中最重的大氣壓力，航空航天工程學上就稱之為最大動壓點（Max Q）。不銹鋼艦體面臨的最大考驗也在此時，如果說本次發射的任務之一，就是驗證不銹鋼材料的機械強度和可行性，這一點可以說，驗證通過了。
另外一個關鍵時刻就是飛行的2分49秒，此時離地面64公里，33臺猛禽發動機熄火。再過幾秒鐘，助推器將與星艦分離，落到海面等待回收。飛行9分鐘后，星艦發動機關閉，開始繞地球滑行。發射后第77分鐘，星艦呈水平旋轉，重新進入大氣層。完成測試，垂直降落。這些目標，就沒有實現了。
那么，星艦為什么會爆炸呢？事實上，在今年2月9日的“靜態點火”測試中，33臺發動機中2臺并未點火成功。不過當時，馬斯克認為，即使只有31個發動機點火成功，也可以完成加速、一二級火箭分離過程，完成航天器的預定發射目標。
星艦的“靜態點火”測試
事實上，33臺猛禽發動機并聯，好處在于，提供了巨大的推力，能提高火箭載重量，這對于執行載人火星任務、發射大型科學設備和建設太空基地等至關重要。其次，多臺發動機并聯有助于提高火箭的可靠性，即使個別發動機出現故障，其他正常工作的發動機仍可保證火箭的正常運行，減少了因發動機故障導致的任務失敗風險。同時，多臺發動機并聯也使得火箭在發射過程中具有更好的操控性，提高了火箭的發射精度。
然而，33臺發動機并聯也帶來了一定的挑戰。這使得火箭的整體結構變得復雜，能否同時點燃變成了概率事件，此外，燃燒產生的熱量和壓力對火箭的結構設計和熱防護系統也提出了更高的挑戰。
發射前8秒，計算機開始點燃星艦下方的33個發動機，其中的3臺發動機并沒有被點燃。到高度達到39公里時，從發射現場的視頻可以看到，另外幾個發動機也停止燃燒。隨后，星艦開始在空中翻滾，甚至高度又降回到33公里，隨后發生爆炸。遺憾的是，爆炸前，火箭沒有完成一二級分離。在隨后的報道中，SpaceX稱，地面控制系統啟動了“火箭飛行終止系統”，這本質上是一種自毀爆炸機制，以防止火箭墜落對地面人員或建筑物造成危險。
星艦沒有被點燃的發動機
不過，四分鐘的飛行中，不銹鋼艦體沒有發生明顯變形，甚至在空中多次高速翻轉后也沒有解體，至少證明了其不銹鋼結構強度是過關的，能抗住空氣摩擦生熱；能在空中飛行至燃料接近耗盡自毀，也證明了其飛控是過關的，推力足夠。這條路徑是可行，下一步就是，如何提高并聯發動機點火的成功率，以及一二級火箭分離還存在什么問題。
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人類的探索從不畏懼失敗
在火箭發射的歷史上，很多發射都以失敗告終。最著名的，應該要數1986年1月28日，美國宇航局挑戰者號航天飛機，在起飛73秒后爆炸，導致所有七名宇航員死亡。事故原因是用于密封右側固體助推器的O形環失效，當時美國正值冬天，低溫導致橡膠變硬，密封效果大打折扣。航天飛機起飛后，高溫燃燒氣體泄露并燒穿旁邊的燃料外儲箱，進而導致右側固體助推器末端部件脫離。事故導致航天飛機計劃中斷了32個月。
美國宇航局挑戰者號航天飛機和7名宇航員
同樣是七名宇航員遇難，2003年2月1日，美國宇航局哥倫比亞號在重返大氣層時解體，機上宇航員無一生還。返航途中，任務控制中心就注意到了異常。航天飛機左側機翼的溫度傳感器數據消失了。緊接著航天飛機左側胎壓數據也消失了，地面中心在聽到最后半句通信“收到，嗯。但是。。。”后，聯系中斷，93秒后，飛船從視野中消失。經過事故調查，航天飛機在發射階段，存放燃料的外儲箱上的絕熱材料碎片脫落，擊中哥倫比亞號左翼前端，損壞了隔熱系統，導致返航時出現事故。
美國宇航局哥倫比亞號
加上1967年1月27日，美國宇航局阿波羅1號，在地面測試期間，火箭發生了致命性的火災，導致三名宇航員喪生。這三起事故成為美國航天歷史上最大的三起失敗。
2022年，世界航天發射達到創紀錄的186次，其中178次成功，1次部分成功，7次失敗，成功率95.7%。美國最多，發射了87次，成功84次，失敗3次。中國緊隨其后，發射了64次，成功62次，失敗2次。俄羅斯第三，發射了22次全部成功。
而說到馬斯克的火箭發射，失敗次數也不少。最早開發的獵鷹1號便是一路炸炸炸，經歷了3次發射失敗。第一次發射多次延遲發射日期，最終發射后，在2006年3月25日發射后25秒火箭就爆炸了。第二次實驗于在2007年3月21日發射成功，然而5分5秒時失去聯絡，最終未能達到運行軌道。第三次實驗于2008年8月3日發射，火箭按照預定計劃分離后，剩余燃料使第一節撞向第二節，發射失敗。直到2008年9月28日，獵鷹1號第四次終于成功，成為世界上第一個成功入軌的私人開發的液態燃料運載火箭。
然而到了2015年12月，獵鷹9號一級助推器成功著陸回收，并在次年成功實現在海上回收，實現了一級火箭的重復利用。自2010年6月以來，獵鷹9號系列一共發射了223次，其中221次成功。
獵鷹9號在海上回收
美國宇航局局長比爾尼爾森（Bill Nelson）發推文說，“歷史上的每一項偉大成就都需要一定程度的計算風險，因為風險越大，回報越大。星艦雖然爆炸了，但是它沒有失敗，它已經讓科幻之光照進了現實。
傳說愛迪生在經歷了一萬多次實驗失敗后，被人問及感受，愛迪生說：我沒有失敗，我只是找到了一萬種行不通的方法。讓我們祝福SpaceX，愿它幫助我們實現每個人星辰大海的夢。
參考文獻
[1] SpaceX官網數據
https://www.spacex.com/vehicles/starship/
[2] 齊環環，SpaceX“超重-星艦”運輸系統研制進展. 國際太空，2022，6，36-39.
[3] Elon Musk和SpaceX的twitter
[4] 樊偉，王林，龍雪丹，楊開，2022年國外重復使用運載器發展綜述. Aerospace China 2023，2，25-30.
[5] Commentary: SpaceX Starship first flight test ended in an explosion, but it was a successful
https://www.channelnewsasia.com/commentary/spacex-elon-musk-starship-explode-rocket-success--3434321