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SpaceX 星舰火箭第二次发射升空,这一次飞行与预期目标相差多远?有哪些需要注意的问题?

2023-11-18新闻

本次发射的一级飞行段堪称完美,33 台引擎全部成功点亮且无一台熄火,不能不说是一个非常伟大的成就。多发并联方案的可行性得到验证,N1 可以瞑目了。

科罗廖夫同志,你看见了吗?

可以看到所有引擎都撑住了一级飞行段

T+ 02:49,热分离非常成功,一级按计划完成了 MECO( Most Engine Cut Off),二级的三台真空猛禽和海平面猛禽按计划的时序成功点亮并迅速远离一级。

二级点火的那一下真的太漂亮了——答主

Boostback 阶段,一级在 T+ 03:21 (两级分离的 30 秒后)进行了「计划外的快速拆解」(Rapid Unscheduled Disassembly)。与大多数人认为的是二级「烧炸了」一级不同,我个人认为这次 RUD 的罪魁祸首是 飞控设计

首先我们要明白本次爆炸的起源。

这是爆炸前的一瞬。可以看出超重助推器的中前部出现了一大团环状气体,形状非常对称,冒出白气的位置正是 FTS 炸药的安装位置。据此,我推测一级是被 FTS 炸药炸毁的。

那么为什么 SpaceX 要触发 FTS 炸毁一级呢?我们观察超重助推器尾部。可以看出,尾部出现了比较明显的羽流。从正常上升时的直播图像可以看出,在这个高度发动机正常燃烧是不应该产生羽流的(只能看见发动机发出的光芒)。

T+ 02:33,热分离前 20 秒,羽流已经看不见了

所以,这时超重助推器的发动机一定出问题了。个人初步推测这些羽流是发动机非正常工作时喷出的雾化的燃料,这些燃料没有经过燃烧(或燃烧不充分),不产生推力。

我们再研究 Hot Staging 和 Flip Over 过程中的发动机工况:

T+ 02:47,MECO,引擎工况正常

这时关闭的引擎也喷出了雾状羽流,进一步证实了上面的猜测。

T+ 02:51,Hot Staging & Flip Over,大部分引擎工况正常

这时候熄灭的一台内圈引擎应该不至于影响 Flip Over 这一动作。

T+ 02:55,Flip Over,一台矢量猛禽熄灭

情况不妙,一台带矢量的猛禽熄灭了,但是还有两台矢量猛禽可以调控姿态。

这一阶段接二连三的引擎熄火其实已经可以说明一部分问题了。

T+ 02:58,Flip Over,一共四台引擎未正常工作
T+ 03:13,Flip Over,一共五台引擎未正常工作
T+ 03:15,Flip Over,只剩下下方的六台引擎在苦苦支撑,其它猛禽均已熄火

停!我们发现了什么?为什么在热分离时引擎正常工作,经过 Flip Over 这么甩一下之后反而不行了?继续观察图片,我们会发现所有位于超重上方的引擎全部寄了,但是下方的还可以勉强工作。

这或许带领我们走向一个结论: Flip Over 将所有燃料甩到了罐底靠下一侧,导致上方的猛禽吸不到足够的燃料导致未能正常燃烧!

对于正常火箭(如 Falcon 9),这么甩一下可以将所有燃料甩到罐底,所有引擎都能吸到燃料,不成问题。 但是星舰太大了,燃料不能均匀铺满整个罐底,自然有一些引擎吸不到燃料。SpaceX 之前也没有开发这么粗的火箭的经历,出这种问题也合情合理。

本灵魂画手画了一张图,大致能表示我推测的这一阶段燃料罐中的情况。蓝色阴影是被甩到罐底的燃料,红色部分的猛禽还能吸到燃料正常工作,绿色部分就只能熄火了。

读者也可以甩一个剩小半瓶水的矿泉水瓶,看一看是不是有一个时刻水瓶里剩下的水是这样一个景象。

然后,

T+ 03:18,所有引擎熄火(代表着 FTS 自毁程序已经开始),结束了

因为失去动力的超重助推器已经成为了一个安全威胁,FTS 激活,超重助推器爆炸解体。

本次 Flip Over 过程中,超重助推器在 15 秒内转了大约 180°,每秒 12°。这个旋转速度对于这样一个体量的大罐子还是太快了。水锤效应也会是一个问题。

所以我推测: 在星舰遥三(误)中,SpaceX 可能会减缓热分离后超重助推器的旋转速度,争取让燃料在旋转过程中能均匀铺满罐底。

接着看。二级飞行段相当正常,直到 T+ 7:07。

二级喷出一股白雾。高度已经这么高了(149 km),已经进入太空环境了,有这样的白雾出现,一定是有东西漏了。

Everyday Astronaut 也发现,自此开始,液氧的消耗速度大大加快了。

T+ 07:31

这张图和上一张图之间只隔了 17 秒,但是液氧的量已经从比甲烷略微多一点变成基本持平了。而猛禽的混合比在飞行过程中是大致不变的, 所以基本可以肯定是氧箱出现了泄露情况。

也可能是氧箱和甲烷箱一块漏(逃)

这时候的速度是 5581m/s,速度有点低(不过这也受一二级分离速度低的影响,星舰的设计思路就是如此)。

T+ 08:00,液氧已经比甲烷少了,速度 6584m/s
T+ 08:05,二级关机(进入 FTS 自毁程序),速度 6700m/s
T+ 08:08,遥测数据丢失,跟踪丢失,FTS 系统炸药被触发,二级炸毁

自此,Super Heavy-Starship IFT-2 落下帷幕。

技术总结。

  • 发射台和水冷钢板方案没问题!
  • 一级飞行段没问题!
  • 热分离没问题!
  • 超重的 Flip Over 可能有点问题(转速太快),下次应该要改。
  • 二级飞行段大部分没问题!
  • 星舰氧箱存在泄露情况,下次应该要改。
  • 遥测数据最后丢失,可能要加强遥测系统(不过是不是因为全箭掉电引起的遥测丢失还不清楚)。
  • 从起飞时拍摄的图像来看,隔热瓦掉了一堆,下次应该要改。
  • 隔热瓦掉了一堆

    另外就是,在二级 FTS 激活之后,貌似二级没有完全炸毁……

    佛罗里达居民用手机拍摄下的星舰 S25 头锥残骸,此时 FTS 已经爆炸,但头锥显然没被炸毁,残骸还保持着较大的体积。

    下次可能( 哦不对,是肯定 要加大 FTS 装药量。

    综上所述,虽然本次 IFT-2 仍有这样那样的不足和遗憾,但是仍然可以被看成人类航天史上的一座伟大的里程碑。 希望本次发射能让 SpaceX 获得宝贵的数据并获得经验以改进整个火箭系统,也希望全世界的航天机构被这一壮举所激励,向着我们共同的美好未来进发。

    沉舟侧畔,千帆竞发。
    循此苦旅,可达星辰。
    黯淡蓝点,未来可期。