北京時間11月19日6時，美國SpaceX公司進行了“星艦”第六次試驗性發射，也是第一代“星艦”（V1版）最後一次試飛。出於安全考慮，本次“星艦”第一級未使用“筷子”回收，而是受控墜海。經過調整的“星艦”第二級完成發動機太空點火試驗後，通過了再入大氣層的考驗，精準降落在印度洋預定海域。明年，預計第二代“星艦”（V2版）將投入更加密集的試飛，克服更高難度的挑戰，努力達到實用化標準。
承上啟下 試驗關鍵
本次試射的“星艦”第一級編號為B13，第二級編號為S31，試飛流程與上次相似：第一級飛回發射臺，由系統判斷是否由“筷子”回收；第二級進行跨大氣層亞軌道飛行，終結於印度洋預定海域。不過，為了更好地對第二級再入大氣層、調姿、反推、濺落等進行光學觀測，SpaceX公司特意調整了“星艦”發射時間，確保第二級在這個過程中處於白天。
“星艦”第六飛初期一切正常
本次試飛中，“星艦”第一級並未由發射塔上長20米的“筷子”捕獲機構回收，這是遵循安全策略的結果：系統不斷檢查發射臺和火箭狀態，如果確認狀態良好，第一級就會接到指令，飛往發射臺並懸停，“筷子”閉合並精確地鉤住箭體掛點；否則，為了防止回收失敗甚至炸燬發射臺，第一級會受控調整姿態落海，或者墜毀在發射臺附近的空地上。
此外，針對上次“星艦”第一級暴露的部分薄弱結構，這次進行了區域性補強。原本“星艦”第一級還規劃回收後加速洩放殘餘推進劑，以便儘快重新吊裝回發射臺，提高週轉效率，這項改進只能等待將來回收驗證。
在試驗專案方面，這次“星艦”不僅是“承上”，更是“啟下”，實施了在第三次試飛中臨時取消的發動機太空點火試驗，為將來第二代“星艦”嘗試入軌打下了基礎。隨著第二級1臺發動機太空點火試驗成功，證明“星艦”具備入軌後可靠離軌的能力，消除了外界此前擔憂。
事實上，運載火箭末級或上面級在軌點火，面臨推進劑管理難題，由此導致發射失敗的例子屢見不鮮。這是因為發動機在太空中關機後，火箭末級或上面級滑行期間，推進劑處於失重飄蕩狀態，殘餘推進劑隨機分佈在貯箱中，如何抑制低溫推進劑沸騰和蒸發損耗，如何確保推進劑可靠地沉底，以防發動機異常吸入情況，如何進行完善的管路吹除和預冷作業，均是發動機太空點火所面臨的關鍵挑戰。
因此，“星艦”第六次試飛成功實施發動機太空點火，有助於後續安全地入軌部署載荷。而且，基於“星艦”第二級研製的載人登月艙計劃多次在軌加註推進劑後奔月，實施有動力落月和月面起飛，離不開可靠的發動機太空點火工作。
防熱修改 挑戰極限
有趣的是，“星艦”迭代完善並不全是針對弱點的“補強”和“做加法”，基於此前第二級3次再入大氣層所積累的經驗，這次開始“做減法”。比如，“星艦”第二級迎風面邊緣的熱環境不像模擬研究估測得那麼惡劣，因此兩側5排隔熱瓦被拆除，僅靠不鏽鋼貯箱壁“硬扛”高溫。未來，這些位置可能會設定第二級的回收捕獲掛點。
“星艦”第二級通過了再入大氣層的考驗
要知道，不鏽鋼的高溫效能並不穩定。以304不鏽鋼為例，溫度超過700攝氏度後，抗拉強度和屈服強度會迅速下降。如果沒有隔熱瓦保護，不鏽鋼貯箱很可能發生結構解體。在“星艦”第五次試飛中，第一級在區域性使用鋁製隔熱瓦代替普通隔熱瓦。鋁的熔點約為660攝氏度，恰好接近引發不鏽鋼強度大幅降低的溫度，難怪SpaceX公司這次敢於拆除隔熱瓦。
“星艦”第二級雖然採用了約18000塊六角形隔熱瓦，表面溫度最高達到1400攝氏度左右，而且熱量分佈不均，但維護成本仍然遠遠低於太空梭。因為太空梭採用多種異形隔熱瓦，敷設和更換很不方便，而“星艦”第二級除翼面轉角、頭錐等少數部位外，採用了尺寸統一的六角形隔熱瓦，每片設有3個固定點，減輕了生產和維護壓力。第二代“星艦”還採用機械臂敷設部分隔熱瓦，進一步降低工作量。
在此前試飛中，“星艦”第二級的隔熱瓦雖然總體上耐受住再入大氣層的考驗，但難免出現脫落、破碎，尤其是翼面轉軸處需要改進。在第六次試飛前，SpaceX公司對這枚第二級的熱防護系統進行了全面返工，換用新一代隔熱瓦、備用燒蝕層，並對翼面轉軸處的防熱和密封進行了額外補強。從實際情況來看，這些改進措施基本上是有效的，但能否實現預想中的免維護再次發射，還要等到第二代“星艦”換用新型翼面並實現回收後全面評估。
除了拆除部分隔熱瓦外，“星艦”第二級還有其他挑戰極限、充分“挖掘”效能潛力的表現。比如，最後第二級刻意以更高迎角飛行，主要目標是檢驗翼面的姿態控制極限效能，獲得再入和著陸階段的更大飛行包線。
激進升級 難度不減
經過這次承上啟下的第一代“星艦”最終試飛，第一級回收方案驗證了更多情況。而第二級防熱系統“做減法”，表明SpaceX公司正在逐步摸索基於不鏽鋼貯箱的最佳熱防護方案。綜合6次試飛的各項進展，“星艦”研發已取得了階段性成果。不過，“星艦”想要完成SpaceX公司的宏偉願景，仍需持續迭代升級。
“星艦”第二級精準濺落印度洋預定海域
下一次試射將是第二代“星艦”首飛，其第二級正在開展一系列測試，多處設計改動陸續曝光，預計需要較長的時間進行發射前準備。
首先，第二級的前翼面進行了調整，體積更小，位置更靠前且明顯向背風面移動，以便再入大氣層過程中“躲”在箭體背風面，降低熱流峰值，防止出現“星艦”第四次試飛中熱量積聚、燒穿翼面的情況。
其次，第二級整體稍有拉長，換來了更大的推進劑貯箱，但載荷空間會縮小。不過，考慮到“星艦”短期內不會發射超大單體載荷，科研人員更緊迫的任務是合理分配級間比，有效提升運力水平。
再者，第二級換用了新一代隔熱瓦和熱防護系統，而且隔熱瓦分佈方案根據再入大氣層經驗反饋進行了最佳化。
而第二代“星艦”第一級最大的變化應該是將發動機從33臺增加到35臺，預計內圈發動機排列會更加“擁擠”。另外，級間段也會有大變化，熱分離結構將完成與第一級整合化設計製造，不再是第一代“星艦”的可拆式結構。
不過，第二代“星艦”第一級尚未曝光實物，不排除仍在進行細節調整。至於計劃大量應用新一代發動機、起飛質量或許會突破萬噸的第三代“星艦”（V3版），服役尚需時日。
明年，“星艦”有可能正式邁向實用化，但仍需克服諸多挑戰。
其一，第二代“星艦”需要透過試飛來驗證上述改進措施是否妥當，更要儘快測試兩枚第二級在軌對接、大規模轉移推進劑。“星艦”想要完成載人登月乃至載人登火任務，必須大量頻繁發射，及時為第二級補充推進劑，可以說是必須突破的技術難關。
其二，為了全面提升發射頻率，“星艦”需要更多的發射臺支援交替發射，縮短髮射週轉流程。目前，第二座“星艦”發射臺即將竣工，但SpaceX公司似乎仍在修改設計，目前運轉良好的水冷鋼板降溫降噪設施會被更接近傳統的水冷導流槽替代。
其三，拋開更吸引大眾關注的深空任務不談，“星艦”最重要的核心任務是儘快投送有效載荷入軌，特別是部署效能更強的完整版第二代星鏈衛星，應對逐漸逼近的早期星鏈衛星“退役潮”，之後第二級調頭進行離軌點火，再入大氣層，實現高效回收複用。
面對“星艦”實用化之前的繁重工作，SpaceX公司高管近期表態非常自信，宣稱明年“星艦”計劃飛行25次，耗時6個月就有望回收第二級，甚至未來4年可能發射“星艦”400次。屆時，“星艦”能否打破更多航天紀錄，是否會在前進中迎來競爭者，外界不妨拭目以待。
來源：中國航天報
