“星舰”为何会爆炸？SpaceX能否帮助人类移民火星？
各位同学大家好！我是李永乐老师。
(资料图)
4月20日，美国太空探索技术公司（SpaceX）的“星舰”火箭（Starship）首次试飞，在发射升空不到四分钟后，发生爆炸。
星舰的发射和爆炸
实际上，早在前几天，4月17日星舰就计划发射，然而，发射前由于出现压力阀故障，导致发射推迟到4月20日，却并没有改变发射失败的的命运。
有小朋友可能会问，什么是星舰？它为什么会发生爆炸呢？今天我们就来讲讲这个问题。
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什么是星舰
2002年，马斯克卖掉了他创立的第三方支付公司Paypal，怀揣着“登陆火星”的梦想，马斯克用这笔钱成立了美国太空探索技术公司SpaceX。
马斯克（右）
马斯克认为：人类要征服宇宙，必须降低发射火箭的成本。现在的火箭之所以贵，是因为火箭都是一次性的。要是能重复利用火箭，成本就能低很多。四年后，SpaceX首次成功发射第一枚部分可回收火箭“猎鹰1号”，每次发射只需要670万美元，相比于同规格的火箭动辄几千万美元的费用，猎鹰1号显然便宜得多。
猎鹰一号
随后，SpaceX又开发了猎鹰9号重载火箭，直到马斯克将最新的超重型运载火箭命名为“星舰”。
猎鹰9号重载火箭
星舰
星舰由两部分结构组成：下半部分为69米长超重型运载火箭，上半部分是50米长星舰飞船。总高度近120米，是一个接近40层楼高的庞然大物。它的直径有9米，每个横截面都有60多平米的空间。它能把150吨的货物运送到近地轨道，或者把100吨的货物送到地球同步轨道、月球、甚至火星上。
星舰的结构和大小
这是什么概念呢？中国现役“长征五号”，“胖五”，总长56.97米，近地轨道上的运载量为25吨。美国国家航空航天局的阿波罗登月计划用到的运载火箭——土星5号，曾是历史上最大的火箭，高度为110.6米，近地轨道运载能力为118吨。换句话说，星舰系统是运载能力最强的现役火箭之一。
超重型运载火箭，是星舰发射系统的第一级，高度69米。火箭由33台名为“猛禽”的发动机提供动力，每台直径1.3米，高度3.1米，推力230吨力，总推力7590吨力。首次试飞释放了90%推力，也已经达到6831吨，相当于阿波罗计划时送人上月球的土星五号的两倍。
星舰火箭的“猛禽”发动机
星舰飞船，作为火箭的二级，高度50米，主要负责运输人员或货物，是完成各种太空任务的关键。飞船里面有休息室、餐厅、健身房等等设施，这让长途的星际旅行不会过于难受。
星舰飞船的内部设施
而且，星舰系统最重要的特点就是——便宜。据马斯克估算，如果星舰系统研发成功，每次星际发射的成本可能会降至200万美元以下，按照最低载重量100吨计算，每公斤成本20美元，约合100多元人民币，比现在从中国到美国的国际快递还便宜。最终版“星舰”的设计，每次可将100人送上太空，相当于每人2万美元，太空旅行不再是梦想。
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星舰为什么这么便宜？
星舰是如何控制成本的呢？
首先在于星舰可回收系统。传统的运载火箭在完成任务后就会被脱落丢弃，导致每次发射都需要新的火箭，制造火箭所用的材料、人工成本都非常高。
“猎鹰9”火箭可以重复利用，但是每次着陆回收后，需要运回火箭整修厂，翻新、更换、检测众多零部件，其中最关键环节之一就是整修着陆腿，整修工作需要大量时间。而且，4条着陆腿重量占到了整个火箭的10%。
“猎鹰9”火箭的回收整修
而星舰系统最重要的改进在于，火箭不光可以被回收，而且去掉了着陆退，回收之后只需要加注燃料就可以再发射，实现了公交车式的即停即走。
这是怎么做到的？首先要归功于地面发射塔架，也是火箭的回收塔架。它拥有3条机械臂，一条是快速断开臂，用于发射前快速摆开脐带连接等加注设备，另外两条像“筷子”一样，可以夹住火箭。
第一级火箭配备了先进的制导系统和伞降装置，当一二级火箭分离，火箭垂直降落到一定高度后，发动机以一个角度，将其推回发射塔，在空中达到悬停状态。随后，机械臂展开，将火箭夹住。随后，发动机关机熄火，机械臂将火箭准确地移动到到发射架上，加注燃料后实现第二次发射。这样做不仅可以大大降低发射成本，还提高了航天器的生产和发射效率。
发射捕获塔结构
星舰节约成本的另一个绝招是采用不锈钢材料。传统火箭的材料普遍选择铝合金、碳纤维等轻质材料，这样可以节约火箭的重量，但是相应的成本就比较贵。而星舰火箭采用相对廉价的不锈钢作为舰体材料。不锈钢也是分等级的，2018年，马斯克宣布新型火箭将采用301型不锈钢，这是一种铁铬镍合金，适合制作弹簧等较高强度的元件。随后2020年，他又宣布部分结构采用304L型不锈钢，这是一种铁铬镍合金，含铬量更高，防腐性更好。
而且无论是在高温还是在低温下，都有很好的韧性和弹性，最重要的特点是：不锈钢的成本非常低廉。相比于每公斤130美元的碳纤维和每公斤40美元的铝锂合金，不锈钢的成本只有每公斤4美元，比我家门口的菠萝还便宜，这大大降低了星舰的制造和维护费用。
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星舰是怎么爆炸的？
马斯克的最终目标是实现人类移民火星，为了这个目标，他必须设计一种低成本往返火星的飞行器。但是，星舰只是这个计划中的一步，它发射的计划并不是太空之旅，而是飞越大半个地球。按照设计，飞船主体会被火箭推进到离地约240千米的轨道高度，短暂飞行后再入大气层，并降落在夏威夷附近海面，预计飞行全程90分钟。这种做法一般称为“跨大气层轨道发射”。
星舰的飞行计划
首先是验证最大动压点。在火箭发射后，会受到空气的压力，压强大小等于二分之一空气密度再乘以速度的平方。火箭升空后，空气密度逐渐减少，速度逐渐增加，在发射起飞55秒后，星舰承受整个航程中最重的大气压力，航空航天工程学上就称之为最大动压点（Max Q）。不锈钢舰体面临的最大考验也在此时，如果说本次发射的任务之一，就是验证不锈钢材料的机械强度和可行性，这一点可以说，验证通过了。
另外一个关键时刻就是飞行的2分49秒，此时离地面64公里，33台猛禽发动机熄火。再过几秒钟，助推器将与星舰分离，落到海面等待回收。飞行9分钟后，星舰发动机关闭，开始绕地球滑行。发射后第77分钟，星舰呈水平旋转，重新进入大气层。完成测试，垂直降落。这些目标，就没有实现了。
那么，星舰为什么会爆炸呢？事实上，在今年2月9日的“静态点火”测试中，33台发动机中2台并未点火成功。不过当时，马斯克认为，即使只有31个发动机点火成功，也可以完成加速、一二级火箭分离过程，完成航天器的预定发射目标。
星舰的“静态点火”测试
事实上，33台猛禽发动机并联，好处在于，提供了巨大的推力，能提高火箭载重量，这对于执行载人火星任务、发射大型科学设备和建设太空基地等至关重要。其次，多台发动机并联有助于提高火箭的可靠性，即使个别发动机出现故障，其他正常工作的发动机仍可保证火箭的正常运行，减少了因发动机故障导致的任务失败风险。同时，多台发动机并联也使得火箭在发射过程中具有更好的操控性，提高了火箭的发射精度。
然而，33台发动机并联也带来了一定的挑战。这使得火箭的整体结构变得复杂，能否同时点燃变成了概率事件，此外，燃烧产生的热量和压力对火箭的结构设计和热防护系统也提出了更高的挑战。
发射前8秒，计算机开始点燃星舰下方的33个发动机，其中的3台发动机并没有被点燃。到高度达到39公里时，从发射现场的视频可以看到，另外几个发动机也停止燃烧。随后，星舰开始在空中翻滚，甚至高度又降回到33公里，随后发生爆炸。遗憾的是，爆炸前，火箭没有完成一二级分离。在随后的报道中，SpaceX称，地面控制系统启动了“火箭飞行终止系统”，这本质上是一种自毁爆炸机制，以防止火箭坠落对地面人员或建筑物造成危险。
星舰没有被点燃的发动机
不过，四分钟的飞行中，不锈钢舰体没有发生明显变形，甚至在空中多次高速翻转后也没有解体，至少证明了其不锈钢结构强度是过关的，能抗住空气摩擦生热；能在空中飞行至燃料接近耗尽自毁，也证明了其飞控是过关的，推力足够。这条路径是可行，下一步就是，如何提高并联发动机点火的成功率，以及一二级火箭分离还存在什么问题。
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人类的探索从不畏惧失败
在火箭发射的历史上，很多发射都以失败告终。最著名的，应该要数1986年1月28日，美国宇航局挑战者号航天飞机，在起飞73秒后爆炸，导致所有七名宇航员死亡。事故原因是用于密封右侧固体助推器的O形环失效，当时美国正值冬天，低温导致橡胶变硬，密封效果大打折扣。航天飞机起飞后，高温燃烧气体泄露并烧穿旁边的燃料外储箱，进而导致右侧固体助推器末端部件脱离。事故导致航天飞机计划中断了32个月。
美国宇航局挑战者号航天飞机和7名宇航员
同样是七名宇航员遇难，2003年2月1日，美国宇航局哥伦比亚号在重返大气层时解体，机上宇航员无一生还。返航途中，任务控制中心就注意到了异常。航天飞机左侧机翼的温度传感器数据消失了。紧接着航天飞机左侧胎压数据也消失了，地面中心在听到最后半句通信“收到，嗯。但是。。。”后，联系中断，93秒后，飞船从视野中消失。经过事故调查，航天飞机在发射阶段，存放燃料的外储箱上的绝热材料碎片脱落，击中哥伦比亚号左翼前端，损坏了隔热系统，导致返航时出现事故。
美国宇航局哥伦比亚号
加上1967年1月27日，美国宇航局阿波罗1号，在地面测试期间，火箭发生了致命性的火灾，导致三名宇航员丧生。这三起事故成为美国航天历史上最大的三起失败。
2022年，世界航天发射达到创纪录的186次，其中178次成功，1次部分成功，7次失败，成功率95.7%。美国最多，发射了87次，成功84次，失败3次。中国紧随其后，发射了64次，成功62次，失败2次。俄罗斯第三，发射了22次全部成功。
而说到马斯克的火箭发射，失败次数也不少。最早开发的猎鹰1号便是一路炸炸炸，经历了3次发射失败。第一次发射多次延迟发射日期，最终发射后，在2006年3月25日发射后25秒火箭就爆炸了。第二次实验于在2007年3月21日发射成功，然而5分5秒时失去联络，最终未能达到运行轨道。第三次实验于2008年8月3日发射，火箭按照预定计划分离后，剩余燃料使第一节撞向第二节，发射失败。直到2008年9月28日，猎鹰1号第四次终于成功，成为世界上第一个成功入轨的私人开发的液态燃料运载火箭。
然而到了2015年12月，猎鹰9号一级助推器成功着陆回收，并在次年成功实现在海上回收，实现了一级火箭的重复利用。自2010年6月以来，猎鹰9号系列一共发射了223次，其中221次成功。
猎鹰9号在海上回收
美国宇航局局长比尔尼尔森（Bill Nelson）发推文说，“历史上的每一项伟大成就都需要一定程度的计算风险，因为风险越大，回报越大。星舰虽然爆炸了，但是它没有失败，它已经让科幻之光照进了现实。
传说爱迪生在经历了一万多次实验失败后，被人问及感受，爱迪生说：我没有失败，我只是找到了一万种行不通的方法。让我们祝福SpaceX，愿它帮助我们实现每个人星辰大海的梦。
参考文献
[1] SpaceX官网数据
https://www.spacex.com/vehicles/starship/
[2] 齐环环，SpaceX“超重-星舰”运输系统研制进展. 国际太空，2022，6，36-39.
[3] Elon Musk和SpaceX的twitter
[4] 樊伟，王林，龙雪丹，杨开，2022年国外重复使用运载器发展综述. Aerospace China 2023，2，25-30.
[5] Commentary: SpaceX Starship first flight test ended in an explosion, but it was a successful failure
https://www.channelnewsasia.com/commentary/spacex-elon-musk-starship-explode-rocket-success-failure-3434321
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