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SpaceX 星艦火箭第二次發射升空,這一次飛行與預期目標相差多遠?有哪些需要註意的問題?

2023-11-18新聞

本次發射的一級飛行段堪稱完美,33 台引擎全部成功點亮且無一台熄火,不能不說是一個非常偉大的成就。多發並聯方案的可行性得到驗證,N1 可以瞑目了。

科羅廖夫同誌,你看見了嗎?

可以看到所有引擎都撐住了一級飛行段

T+ 02:49,熱分離非常成功,一級按計劃完成了 MECO( Most Engine Cut Off),二級的三台真空猛禽和海平面猛禽按計劃的時序成功點亮並迅速遠離一級。

二級點火的那一下真的太漂亮了——答主

Boostback 階段,一級在 T+ 03:21 (兩級分離的 30 秒後)進行了「計劃外的快速拆解」(Rapid Unscheduled Disassembly)。與大多數人認為的是二級「燒炸了」一級不同,我個人認為這次 RUD 的罪魁禍首是 飛控設計

首先我們要明白本次爆炸的起源。

這是爆炸前的一瞬。可以看出超重助推器的中前部出現了一大團環狀氣體,形狀非常對稱,冒出白氣的位置正是 FTS 炸藥的安裝位置。據此,我推測一級是被 FTS 炸藥炸毀的。

那麽為什麽 SpaceX 要觸發 FTS 炸毀一級呢?我們觀察超重助推器尾部。可以看出,尾部出現了比較明顯的羽流。從正常上升時的直播影像可以看出,在這個高度發動機正常燃燒是不應該產生羽流的(只能看見發動機發出的光芒)。

T+ 02:33,熱分離前 20 秒,羽流已經看不見了

所以,這時超重助推器的發動機一定出問題了。個人初步推測這些羽流是發動機非正常工作時噴出的霧化的燃料,這些燃料沒有經過燃燒(或燃燒不充分),不產生推力。

我們再研究 Hot Staging 和 Flip Over 過程中的發動機工況:

T+ 02:47,MECO,引擎工況正常

這時關閉的引擎也噴出了霧狀羽流,進一步證實了上面的猜測。

T+ 02:51,Hot Staging & Flip Over,大部份引擎工況正常

這時候熄滅的一台內圈引擎應該不至於影響 Flip Over 這一動作。

T+ 02:55,Flip Over,一台向量猛禽熄滅

情況不妙,一台帶向量的猛禽熄滅了,但是還有兩台向量猛禽可以調控姿態。

這一階段接二連三的引擎熄火其實已經可以說明一部份問題了。

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撐,其它猛禽均已熄火

停!我們發現了什麽?為什麽在熱分離時引擎正常工作,經過 Flip Over 這麽甩一下之後反而不行了?繼續觀察圖片,我們會發現所有位於超重上方的引擎全部寄了,但是下方的還可以勉強工作。

這或許帶領我們走向一個結論: Flip Over 將所有燃料甩到了罐底靠下一側,導致上方的猛禽吸不到足夠的燃料導致未能正常燃燒!

對於正常火箭(如 Falcon 9),這麽甩一下可以將所有燃料甩到罐底,所有引擎都能吸到燃料,不成問題。 但是星艦太大了,燃料不能均勻鋪滿整個罐底,自然有一些引擎吸不到燃料。SpaceX 之前也沒有開發這麽粗的火箭的經歷,出這種問題也合情合理。

本靈魂畫手畫了一張圖,大致能表示我推測的這一階段燃料罐中的情況。藍色陰影是被甩到罐底的燃料,紅色部份的猛禽還能吸到燃料正常工作,綠色部份就只能熄火了。

讀者也可以甩一個剩小半瓶水的礦泉水瓶,看一看是不是有一個時刻水瓶裏剩下的水是這樣一個景象。

然後,

T+ 03:18,所有引擎熄火(代表著 FTS 自毀程式已經開始),結束了

因為失去動力的超重助推器已經成為了一個安全威脅,FTS 啟用,超重助推器爆炸解體。

本次 Flip Over 過程中,超重助推器在 15 秒內轉了大約 180°,每秒 12°。這個旋轉速度對於這樣一個體量的大罐子還是太快了。水錘效應也會是一個問題。

所以我推測: 在星艦遙三(誤)中,SpaceX 可能會減緩熱分離後超重助推器的旋轉速度,爭取讓燃料在旋轉過程中能均勻鋪滿罐底。

接著看。二級飛行段相當正常,直到 T+ 7:07。

二級噴出一股白霧。高度已經這麽高了(149 km),已經進入太空環境了,有這樣的白霧出現,一定是有東西漏了。

Everyday Astronaut 也發現,自此開始,液氧的消耗速度大大加快了。

T+ 07:31

這張圖和上一張圖之間只隔了 17 秒,但是液氧的量已經從比甲烷略微多一點變成基本持平了。而猛禽的混合比在飛行過程中是大致不變的, 所以基本可以肯定是氧箱出現了泄露情況。

也可能是氧箱和甲烷箱一塊漏(逃)

這時候的速度是 5581m/s,速度有點低(不過這也受一二級分離速度低的影響,星艦的設計思路就是如此)。

T+ 08:00,液氧已經比甲烷少了,速度 6584m/s
T+ 08:05,二級關機(進入 FTS 自毀程式),速度 6700m/s
T+ 08:08,遙測數據遺失,跟蹤遺失,FTS 系統炸藥被觸發,二級炸毀

自此,Super Heavy-Starship IFT-2 落下帷幕。

技術總結。

  • 發射台和水冷鋼板方案沒問題!
  • 一級飛行段沒問題!
  • 熱分離沒問題!
  • 超重的 Flip Over 可能有點問題(轉速太快),下次應該要改。
  • 二級飛行段大部份沒問題!
  • 星艦氧箱存在泄露情況,下次應該要改。
  • 遙測數據最後遺失,可能要加強遙測系統(不過是不是因為全箭掉電引起的遙測遺失還不清楚)。
  • 從起飛時拍攝的影像來看,隔熱瓦掉了一堆,下次應該要改。
  • 隔熱瓦掉了一堆

    另外就是,在二級 FTS 啟用之後,貌似二級沒有完全炸毀……

    佛羅裏達居民用手機拍攝下的星艦 S25 頭錐殘骸,此時 FTS 已經爆炸,但頭錐顯然沒被炸毀,殘骸還保持著較大的體積。

    下次可能( 哦不對,是肯定 要加大 FTS 裝藥量。

    綜上所述,雖然本次 IFT-2 仍有這樣那樣的不足和遺憾,但是仍然可以被看成人類航天史上的一座偉大的裏程碑。 希望本次發射能讓 SpaceX 獲得寶貴的數據並獲得經驗以改進整個火箭系統,也希望全世界的航天機構被這一壯舉所激勵,向著我們共同的美好未來進發。

    沈舟側畔,千帆競發。
    循此苦旅,可達星辰。
    黯淡藍點,未來可期。