北京时间11月14日清晨6时47分,星舰从得克萨斯州星港基地升空,开始第15次综合飞行试验;这趟飞行有一个此前从未有人做过的目标——用发射塔上的一对机械臂"筷子",先后接住火箭的两级:先接起飞约6分半钟后返回的超级重型助推器,再接约22个半小时后从轨道返回的星舰上面级。计划的第一半在开场几分钟内就落空了:原计划首次尝试助推器和飞船均返回发射场,但助推器在墨西哥湾海域受控溅落,未能按计划返回发射场,SpaceX直播解说称它在飞回发射塔途中因一台发动机未能重燃而触发自动中止。有媒体发布的画面显示,助推器在海上溅落时起火燃烧,SpaceX表示团队会深入调查中止原因。知乎界面新闻哔哩哔哩
飞船S42这一段的飞行基本顺利:它在轨还要飞行约21个小时、绕地球约14圈,等地面轨迹转到与发射场对齐后再做决定,按实际起飞时间推算,最后一个放行检查点在北京时间11月15日凌晨3时30分前后,回收尝试约在5时20分。
助推器被塔架接住,这件事SpaceX已经干成过3次;接住飞船,此前没有人做到过。这正是"两级都要接回来"的分量所在:它不是把一级回收的难度乘以二,两级同步捕获,把难度从单级悬停抓取提升到了多个系统强耦合、时序严格同步的全新层级。微博今日头条
先失手的第一夹:熟手活其实也没那么稳
这次起飞的火箭组合高约124米,助推器上的33台第三代猛禽发动机同时点火,产生超过8000吨的推力。助推器与飞船分离时高度约70公里、速度约1.5到2公里/秒,随后沿可控弹道折返,分批点燃发动机减速、在塔边近乎悬停,等待机械臂合拢锁定——这本是整份流程里最成熟的动作。问题出在返航点火的发动机上,一台没能重燃,塔架回收就此取消。知乎今日头条
而且这项"已经掌握"的能力,自今年5月第三代构型首飞以来一再无法重现:SpaceX此前在塔架上接住的3枚助推器都是第一代产品,换上新一代发动机和箭体后还没能复现——第12次飞行的B19返航点火出现问题、在着陆点火阶段损失,第13次飞行的B20着陆点火时没有点燃全部发动机、撞上墨西哥湾海面后爆炸,第14次飞行的B21在上升和返航途中各损失一台发动机,只完成了海上软着陆。把助推器的难处摊开看也就这么多:它不入轨,分离后高度和速度都有限,本质上是一次能量可控的近程往返。二级面对的是完全不同的三道关。
第二级是另一种东西:三道关卡
第一道关是速度和热量。助推器返回只是"滑回来",飞船却要先把自己加速到绕地球飞行的轨道速度,计划进入距地球表面约275公里的轨道飞行,再入大气层时速度是20倍音速以上,这些动能几乎全要在大气层里耗掉,扛过去靠的是隔热盾。为此,这艘S42沿用了第14次飞行后的隔热盾改进:在受热最严重的区域加装了隔热瓦固定结构,并在大面积区域改用曲面隔热瓦,减少瓦片缝隙处的受热。部署的26颗星链V3里还专门有3颗携带相机,在轨从外部拍摄飞船自己的隔热盾,这些影像是放行返回的依据之一。哔哩哔哩知乎
第二道关是在轨20多个小时的可靠性。接助推器是6分钟的事,飞船要在太空中连续工作20多个小时:放完卫星、绕地球约14圈,等轨道面转到发射场上空,再依次完成离轨点火和着陆点火。第14次飞行里,一台真空猛禽发动机提前关机,还出现了氦气泄漏,原定近10小时的任务被迫缩短到3小时左右。冗余发动机在上升段弥补个别故障已被证明,但在要求精确落点的着陆段是否同样可靠,还没有在飞行中检验过。
第三道关是几乎没有余量的落点。海上溅落允许一定落点偏差,塔架回收几乎没有:若一路放行,飞船将在起飞后约21小时36分进行约10秒的离轨点火,半小时后再入大气层,以机腹朝下的姿态滑翔减速,飞到得州里奥格兰德河谷上空降到亚音速,再翻转竖直、点火悬停,落进机械臂之间——按官方说明,机械臂会快速合拢,夹住飞船前襟翼下方的两个承力挂点,而不是发动机。知乎
这一针眼还牵扯安全:飞船将经历首次在陆地上空再入,途经墨西哥北部和得州南部的居民区,美国联邦航空管理局(FAA)专门为此修改了发射许可,要求公众伤亡风险低于百万分之一,许可直到距起飞只剩几小时才正式签发。SpaceX的对策是层层设卡:起飞后约1小时28分、7小时16分和20小时42分设有三个返回检查点,前两个发现异常就提前离轨、落入夏威夷附近或智利外海的预定海域,最后一个才决定飞越陆地返回塔架,还是再绕一圈后到北太平洋溅落。
为什么现在所有火箭都只接第一级
猎鹰9号第一级回来过很多次,第二级照样报废;航天飞机每飞一次,就扔掉一个巨大的外挂燃料箱;蓝色起源的新格伦和蓝箭航天的朱雀三号,目前实现的也只是第一级回收。我国今年7月10日,长征十号乙运载火箭一二级分离约6分钟后,一子级垂直返回、在海上回收平台成功回收,这是我国首次成功实施运载火箭一子级可控回收,同时也是全球首次运载火箭网系回收——接住的仍然只是第一级。若这次两级都接住,按SpaceX的说法,这将是航天史上轨道级火箭第一次被完整回收。微博知乎
接不接第二级,是这笔生意成不成的分水岭。星舰上面级是一艘带着6台猛禽发动机、整套隔热盾和载荷舱的完整航天器,前14次飞行里没有一艘上面级再次起飞过,每飞一次都要消耗一艘全新的飞船。有分析机构估算,一次性使用的星舰每次发射约需1亿美元,而马斯克给完全复用版本定下的目标是1000万美元以内——飞船还是一次性的话,发射频率就取决于工厂造船的速度,单次成本也降不下来。知乎
用塔接火箭还有一个直接收益:火箭不用背着沉重的着陆腿上天,省下的重量可以多装货,接住的位置就在发射台边上,理论上检查一遍、加满燃料就能再飞。而接回来的两级能不能快速复飞才是难点所在:落回塔架的飞船能保留完整的再入后状态,部分发动机可以送回地面试车台复测;此前海上溅落的S41在海上漂了75天才被运回星港基地检查,S40也在海面停留了一个多月。技术上行得通的航天飞机,正因为每次飞行后都要耗费大量人工翻修,单次发射成本按2024年美元计算约为15亿美元。"筷子"真正较劲的不是接住那一下,而是把复用的周期和成本压下来。
15日凌晨的结果,不改判断
飞控团队会在最后一个检查点逐项核查发动机、供电与通信、飞行计算机与导航传感器、贮箱压力以及姿态控制,再决定S42是飞回发射塔还是去太平洋溅落。无论落进机械臂还是落进海里,B22的改道已经决定:第15次飞行至多完成"完整回收"的一半,第三代助推器的首次塔架回收要留给下一次。飞船能不能被接住、接住之后多久能再飞——这两个问题答完,"两级都要接回来到底难在哪"才算有了完整的注脚,它们也是星舰接下来几个月最主要的看点。