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本文来自微信公众号：果壳（ID：Guokr42） ， 作者： Lsquirrel ， 题图来自：SpaceX
还记得去年12月9日 ， SpaceX在直播里又双叒叕炸飞船了吗？
星舰SN8号原型机在落地时“计划外快速拆解” | SpaceX
当时 ， 火星飞船原型SN8号星舰进行了首次高空飞行试验 ， 落地时速度过快导致“计划外快速拆解” 。
直播画面最后定格在炸碎了一地的残骸上 ， 下面打出一行字幕——SN9 UP NEXT！
炸碎了一地的SN8号星舰 | SpaceX
北京时间今天凌晨2点25分 ， 上次被cue到的SN9号星舰在美国得克萨斯Boca Chica的试验场点火起飞 ， 再次挑战高空飞行测试 。
结果 ， 在完成升空、关机、放躺和飘落等一系列动作之后 ， 星舰SN9没能完成落地前最后的翻身动作 ， 倾斜着砸向地面 ， 又一次演示了计划外快速拆解 。
简单说 ， 星舰SN9也炸了 。
星舰原型机SN9号落地瞬间 | LabPadre
星舰及其配套的超重火箭 ， 被SpaceX的埃隆?马斯克寄予厚望 。 前不久 ， 他还透露了自己的宏大计划：未来10年内 ， 他希望建造1000艘星舰 ， 要在2050年前送100万人移居火星 。
未来的火星基地想像图 | SpaceX
再回来看看星舰SN9号飞船 ， 可能不少人会大吃一惊：就这？也太简陋了吧！要不是刚飞炸了一回 ， 谁相信它能上天？更别说飞向火星了……
星舰SN9号原型机细节 | Adrian Aguilar
其实 ， 星舰的这副古怪模样 ， 是SpaceX工程师精心设计的结果 。
银光闪闪大瓶胆
无论是功亏一篑的SN8 ， 还是再次功亏一篑的SN9 ， 最抢眼的都是那银光闪闪的外壳 ， 星舰也因此被很多人戏称为大号暖瓶胆 ， 完全颠覆了我们对火箭和飞船的传统印象 。
之所以如此银光闪闪 ， 是因为星舰是用不锈钢材料造的 。 对 ， 就是你家厨房里锅碗瓢盆常用的那种不锈钢 。
事实上 ， 星舰的前身 ， 即星际运输飞船（ITS） ， 在2016年马斯克刚刚提出概念的时候 ， 用料还是挺高大上的 ， 打算用碳纤维复合材料来造燃料储箱 。 后来 ， 设计方案几经更改 ， 到2018年 ， 马斯克决定彻底更换制造材料 ， 改用廉价的不锈钢来造飞船 。
曾经 ， SpaceX也想过用高大上的碳纤维来造星舰 | SpaceX
据马斯克说 ， 这是仔细斟酌后的选择 。 对比碳纤维和不锈钢这两种材料：
- 碳纤维虽然又轻又坚固 ， 但实在太贵 ， 每千克成本高达200美元 ， 而301不锈钢只要3美元；
- 在液氧和甲烷推进剂所处的超低温下 ， 不锈钢强度会提高50%以上 ， 强度重量比媲美碳纤维 ， 同样能做到轻质坚固；
- 碳纤维复合材料耐热能力弱 ， 而不锈钢熔点高、耐热能力强 ， 减轻了热防护系统的设计和制造难度；
- 碳纤维加工难度高 ， 加工速度慢 ， 而不锈钢易于加工制造 。 试想 ， 如果星舰在火星上出了问题 ， 去哪里找碳纤维的加工工具和人才呢？
不过话说回来 ， 不锈钢造火箭在美国也早有先例 ， 早期的雷神导弹和大名鼎鼎的半人马上面级 ， 用的都是不锈钢 ， 跟星舰一样银光闪闪 。分页标题#e#
1966年发射勘测者2号月球着陆器的半人马上面级 ， 就是不锈钢的 | NASA
火箭还长大翅膀？
星舰另一个吸人眼球的特点是 ， 它长着两对大“翅膀” ， 还能呼扇 ， 跟其他火箭固定不动的短小尾翼截然不同 。
历代星舰及火箭的设计演变 | KIMITALVITIE
星舰的“翅膀”同样经过了多轮迭代发展 。
星舰的前身ITS外形极为科幻 ， 没有“翅膀”（上图左一） ， 改款后的BFR（大猎鹰火箭）先是有了一对大“翅膀”（左二） ， 后来又变成了一对鸭翼加三个尾翼的独特设计（左三） 。 马斯克称 ， 这样的改动受到了《丁丁历险记》中火箭设计的影响 。
星舰前身的一款设计跟丁丁历险记里的火箭有点像 | 《丁丁历险记》
当然 ， 马斯克的个人倾向最后还是要向实际的工程取舍让步 。 最终 ， 星舰改成了现在这样一对鸭翼和一对尾翼的设计 ， 以实现再入大气层尤其是垂直降落时的气动控制 。
这两对“翅膀”不是用来产生升力的 ， 无法像航天飞机那样低速平飞 。 它们的作用主要是产生阻力 ， 控制星舰的姿态和航迹 。 这不仅和普通飞机或者航天飞机大相径庭 ， 和外形相近的导弹也截然不同 。
星舰飞船（左）与航天飞机（右）和载人龙飞船（中）的对比 | Dale Rutherford
这种新型“翅膀” ， 设计简单 ， 做工可以用粗糙来形容 ， 但它的气动特征相当出色 。
从这两次高空试飞来看 ， 前后两对“翅膀”配合使用 ， 无论星舰在高空放躺自由下落 ， 还是落地前水平拉起改为垂直下降 ， 都能有效控制箭体姿态 ， 飞控表现堪称完美 。
降落堪比高台跳水
话又说回来 ， 为什么星舰试飞要搞得如此花里胡哨 ， 又是放躺又是翻身呢？
因为按照设计 ， 星舰要从地球轨道甚至更远的轨道再入大气层返回 ， 必须考虑超高速再入大气层的姿态控制和航迹控制等问题 ， 飞控比猎鹰九号火箭第一级复杂得多 。
猎鹰九号火箭第一级 ， 以及同款的重型猎鹰火箭助推级 ， 是目前唯一实现了轨道发射回收复用的火箭 。 2018年重型猎鹰首飞时 ， 两枚助推火箭肩并肩垂直落回着陆场的画面 ， 相信不少人还记忆犹新 。
重型猎鹰两枚助推着陆回收经典画面 | SpaceX
但星舰飞船不可能那样直上直下 ， 因为将来它从外太空返回地球时 ， 速度将是猎鹰9号的3～4倍 ， 只靠剩余的燃料是不足以给自己减速的 。
唯一可行的办法 ， 就是机腹朝前“拍”入大气层 ， 这样可以用来“兜风”的面积最大 ， 能够产生足够的空气阻力 ， 把自身速度降到可以安全着陆的范围 。
星舰飞船从外太空返回地面的非官方演示视频 | NickHenning3D
这也是两次高空试飞中 ， 星舰在下降时会在空中躺平的原因 。
这种独特的下落姿态被称为bellyflop ， 在英语口语中是指胸腹着水的跳水动作 ， 形象地描述了这个动作的笨拙 。 很多人干脆把这个动作称为“肚皮向下的可控坠落” 。
星舰SN8号原型机的“肚皮下向可控坠落”| SpaceX
但是不是真的“可控”呢？在SN8号原型机试飞之前 ， 马斯克和SpaceX公司的技术团队也没有太大把握 。
实际试飞的表现可以说相当出色：星舰的两对“翅膀”响应迅捷 ， 姿态控制相当灵敏 ， 结合喷气反推RCS系统 ， 让星舰很好地保持了接近水平的下落姿态 。
注意“翅膀”的动作 ， 这是“肚皮下向可控坠落”的关键之一 | SpaceX
不过 ， 星舰不可能一直肚皮向下 ， 否则就拍地上了 。
最后落地时 ， 它还要像猎鹰9号一样 ， 利用火箭反推点火消除垂直和水平方向上的速度 ， 配合伸出的着陆腿实现定点垂直软着陆 。 这就要求它在即将着陆前 ， 还必须完成一次flip机动 ， 从肚皮向下改为尾部向下 ， 堪称“神龙摆尾” 。
这样的特技动作 ， 必须靠星舰那两对特殊的“翅膀” ， 再配合猛禽发动机的推力矢量控制 ， 才能完成 。
SN8号的“神龙摆尾” ， 水平改垂直 ， 完成度很高了 | SpaceX
靠近地面时做这么大幅度的姿态调整 ， 恐怕也只有马斯克敢想 ， 而且真的敢干！
上个月SN8号星舰原型机试飞时 ， 这样的“神龙摆尾”其实已经完成了 ， 只是最后火箭反推不够给力 ， 落地“硬”了一点 ， 炸了 。
SN9号星舰“神龙摆尾” ， 可惜栽了…… | SpaceX
而今天凌晨 ， SN9号星舰更是直接栽在了这招“神龙摆尾”之上 ， 最后没能把姿势摆正 。
虽然它的两对“翅膀”在呼扇了 ， 但本该开启两台的猛禽火箭发动机只点着了一台 。 推力不够 ， 小“翅膀”再努力 ， 也回天无力呀！分页标题#e#
换个角度再“炸”一次 ， 注意SN9的“翅膀” | NASAspaceflight
两次高空试飞 ， 无论是水平可控坠落的稳定性 ， 还是水平改垂直动作的迅速和精确（此处单指SN8） ， 都证明星舰飞船的古怪设计是有效的 ， 验证了这种疯狂的着陆方式应该是可行的 。
只是 ， 最后落地要是能不炸 ， 就完美了 。
不过 ， 这也正是飞行“测试”的目的所在——不炸个几次 ， 又怎么能发现哪里会出问题呢？
目睹了SN9试飞全程的SN10（右）表示瑟瑟发抖 | Trevor Mahlmann
就像上次SN8炸机时cue到SN9一样 ， 这次SN9炸机时 ， SN10号星舰干脆已经立在了测试台上 ， 完完整整地目睹了全过程 。
接下来 ， SN10 ， 该你上了！
【伊隆·马斯克|马斯克的火星飞船试飞，结果又炸了，问题出在哪儿？】本文来自微信公众号：果壳（ID：Guokr42） ， 作者： Lsquirrel
来源：(HaiYang)
【】网址：/a/2021/0203/kd675922.html
标题：伊隆·马斯克|马斯克的火星飞船试飞，结果又炸了，问题出在哪儿？
