人类最强火箭完成三大新突破，SpaceX：更多星舰已做好准备
3月14日，SpaceX拿到了自己最好的生日礼物——星舰的第三次轨道测试发射成功。22年前的这一天，马斯克在美国加州的仓库里开始了他的航天创业之路；22年间，历经无数挫折，如今成功把世界上最大的一支火箭送入轨道。
在这次历史性的试飞中，星舰一举完成了三大突破：飞船进入既定近地轨道、荷载舱门开关测试（未来部署星链卫星）、内部燃料转移测试（未来太空加油）。这些新增的考试科目，都是星舰飞船未来能成为星际旅行工具的关键步骤。SpaceX一直秉承“以飞代试”理念，每一次试射都要融入更多的测试项目，以迅速完善星舰的设计和试验数据。
唯一遗憾的就是，无论是星舰飞船，还是超重型助推器，都没能按原计划降落。
图：星舰发射升空丨来源：space.com
在此次任务结束时，马斯克在社交平台X上发文说：星舰将会让人类成为多行星物种。
进展夹杂挫折，22岁的SpaceX还在试错和迭代中前行。就像他们在官网写的：更多星舰已经为飞行做好了准备。
一次充满信心的发射
经过数十次的爆炸和无数的改进，此次星舰发射已经被寄予厚望。马斯克自己也在发射前表示，火箭要比第一、第二次试飞时更好，此次试飞能够达到地球轨道的概率有70%～80%。
根据SpaceX的说法，每次发射都被视为一项实地测试，每一趟飞行任务都伴随着详尽的数据收集和后续分析，那些曾经看似不可能完成的任务，通过不断的试错和优化过程，正逐步变为现实。
第一次星舰发射，现在看来是一次视死如归的实验。
2023年4月20日，完全体的星舰执行首次轨道级测试飞行任务，但升空后不久就遇到了问题，几台发动机在发射后几分钟失控，SpaceX下达了自毁指令，随后星舰在墨西哥湾上空解体爆炸。
这次发射甚至还造成了地面设施的严重损毁，发射台被炸出了一个巨大的坑洞，碎片散落到了距离发射场约5英里的小镇上，这一事件随即引起了监管部门的审查。后来调查结果显示，星舰搭载的猛禽发动机集群对发射台施加了巨大的热量和压力，最终导致了混凝土结构的破裂。
为此，SpaceX对发射台进行了升级，增加了一个水浸系统，最终才能扛住33台猛禽发动机同时启动时的超高温。此外，星舰的一二级分离方式也在第一次发射后得到升级，SpaceX引入了一种新的“热分级”技术，在分级之前点燃上面级的6台猛禽发动机。到了去年11月的第二次发射前，马斯克表示，SpaceX星舰实施了超过1000项升级和改进，并进行了63次美国联邦航空管理局（FAA）规定的修正，以提高飞行安全和性能。
尽管如此，这仍没带来发射成功的结果。火箭虽然成功点火升空，33台发动机均按照预定程序成功启动，但是一级火箭完成了其预定的工作阶段后，二级火箭出现了技术故障，导致与地面控制中心的通信中断，以空中爆炸告终。不过，星舰的第二次发射，依然实现了关键的技术里程碑：经过一系列技术优化，这次发射并未对发射台造成损害；此外，星舰与助推火箭成功执行了“热分离”操作。
图：热分离效果图丨来源：SpaceX
在第二次整舰发射结束后，FAA介入，联合SpaceX对飞行全过程进行了调查。“星舰2号的飞行几乎达到了预定轨道，”马斯克在年初的一次内部讨论中提到。情况十分有趣，他认为如果那次任务搭载了有效载荷，星舰很可能已经成功入轨，最终失败的原因在于星舰进行了液氧排放操作，这一操作最终引发了火灾和随后的爆炸。而如果飞船搭载了有效载荷，通常不会有这个步骤。
图：第二次发射前星舰在发射场待命丨来源：SpaceX
虽然第三次试射也没有有效载荷，但星舰需要精准地进入预定轨道。而外界对这一临门一脚的目标，显得信心十足。事实也正是如此，第三次飞行的星舰顺利完成了上述任务，只是在最后再入地球大气层过程中失去信号，未能进行最后的受控落海环节。
来源：SpaceX
另外，SpaceX在星舰3号上面级叠加了多重使命，包括进行内部燃料转移、载荷舱门开关、发动机真空点火以及再入大气层测试。其中，燃料转移测试中，有约10吨的液氧从一个储罐转移到另一个，这在历史上尚属首次，规模之大前所未有。最终目的是实现星舰的“加油机”在轨道上进行补给，采用类似于飞机空中加油的方式，最终能够飞往更远的深空。虽然这次测试不会涉及两艘星舰在太空中的直接会合，但此次任务涉及到的阶段性测试仍是这一关键技术的重要一环。
SpaceX还有4艘星舰已经完成或接近完成建造阶段。此次飞行测试结束后，后续的星舰有望进行更加密集的发射任务。
图：多艘星舰已经准备就绪丨来源：SpaceX
最大、最便宜的火箭
在一次次改进当中，星舰“成长”为史上最大的火箭。
星舰由底部的超重型助推器（Super Heavy）和上部的飞船组成，整体高达121米，直径约9米，重量达到500万公斤，是目前全球最大的火箭。
从BBC给出的对比图里可以看到，几枚火箭都是在航天史上排得上名号的大家伙。从左到右包括了能够载着一船人往返太空的航天飞机；SpaceX自家的重型猎鹰火箭；如今参与到了美国新一轮登月计划中的SLS超重型火箭；以及目前为止唯一执行过载人登月任务的土星五号火箭。
星舰不只是个头稳压它们一头，在各项性能、成本方面都有跨世代的追求，一副要书写新的航天历史的姿态。
回想起去年NASA备受瞩目的重返月球计划，尽管NASA的空间发射系统（SLS）被誉为“地表最强火箭”，但与星舰相比，SLS在尺寸和性能上都显得稍逊一筹。
为了把长期使用的成本压到最低，星舰的设计采用了不锈钢材料，成本低廉、易于加工和修复。可调节的向量发动机，使得引擎可以多次点火和重复使用，从而减少了发射过程中的损耗。马斯克曾宣称，星舰的飞行成本远低于大多数火箭，单次发射成本未来将降低到200万美元，每公斤有效载荷的发射成本可能降至10美元。
在诸多降本增效的措施中，最重要的就是火箭的可重复使用，火箭完成发射任务后，可返回地球并实现垂直降落，准备下一次发射任务。如今这一技术路线已经成为全球航天企业的努力方向。面向未来，星舰还能执行多种任务，包括将航天员和货物运送到地球轨道、月球、火星等目的地，使其成为未来太空探索的多功能火箭。
一路走来，星舰所面临的挑战正是其价值所在。一旦SpaceX实现了快速且完全可重复使用的太空飞行，将极大地降低太空探索的成本，完成有深远影响的变革。
先上月球，再去火星
对于星舰的成功发射、后续投入实际使用，另一层期待是，星舰有望在新一轮的登月计划中执行载人登月任务。NASA已经向SpaceX提供了数十亿美元的合同，用于开发载人登月系统的星舰版本。作为合同的一部分，SpaceX需要先进行一次无人驾驶的月球试飞。
对NASA而言，星舰作为着陆器的成功至关重要，若不能及时投入使用，整个登月计划都将受到影响。在此之前，马斯克必须向NASA证明星舰的性能和可靠性。有分析认为，在执行登月任务前，星舰至少还需成功飞行30至40次。
图：NASA授予SpaceX合同，开发载人登月飞船，此为效果图丨来源：SpaceX
星舰成功实现登月后，马斯克将把目光投向其终极目标——火星。
几乎从SpaceX成立以来，马斯克一直强调让人类成为多行星物种的重要性。而星舰任务的终极目标之一是在火星上建立人类殖民地。
根据马斯克的计划，到2050年将有100万人登上火星，这意味着星舰需要每天进行大约3次飞行，每年总共需要执行1000次飞行任务，这就要求SpaceX以前所未有的规模生产火箭，因此生产过程中的简便性变得至关重要，把随处可见的不锈钢拿来作为制作材料便是其中的体现。
为了实现规模化的火星往返目标，马斯克计划在太空舱前部的有效载荷区域安装大约40个客舱，每个舱内可容纳2~3人，以实现他之前承诺的每次将100人送上太空的愿景。载荷舱还将设有公共区域、存储空间、厨房和避难所，躲避太阳风暴释放的有害带电粒子。
星舰就是这样一个代表着“太空探索的巅峰”，旨在打造一个能够前往月球、火星等目的地的全功能、可重复使用的发射与着陆系统。它诞生在这个时代，看起来却超越了这个时代。
写在最后
22年来，在马斯克和SpaceX的征途中，从来不缺大胆的尝试和不断的挫折，以及随之而来的失败和爆炸，这些经历为他们积累经验，从而铸就了一连串的成功成就。
2008年，SpaceX处在濒临破产的边缘，经历了连续的失败后，终于成功发射了猎鹰1号火箭，并获得了NASA的商业补给服务合同，这笔资金无异于雪中送炭。尽管SpaceX在探索过程中屡遭挫折，但他们的目标始终坚定——降低太空探索的成本。
马斯克提出的火星殖民计划，被许多人视为不切实际的幻想——计划从2029年起通过星际飞船将人类送往火星，并在2050年之前将100万人迁移至火星，在那里建立城市，实现真正的定居和成为“火星人”。然而，SpaceX的实际进展正逐步让这一幻想变得不那么飘渺。
目前，SpaceX正在加快星舰的试射速度。第一、二次发射间隔为7个多月，如今仅过去4个月，就第三次发射。第四次试射的时间和成就都值得期待。要知道，SpaceX的“猎鹰1号”可是在经历三连败、公司几近破产后，到第4次发射才回收成功，也从此掀开了人类航天史的新篇章。
或许在不远的将来，普通人真的能够像马斯克所说的那样，拥有前往火星的“船票”。
本文受科普中国·星空计划项目扶持
出品：中国科协科普部
监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司
本文来自微信公众号：返朴 （ID：fanpu2019），作者：李贤焕
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