星艦快速可重復飛行的解藥，竟是一種新材料？快訊
星艦所有的試飛都是亞軌道飛行，格斯滕邁爾隨后指向星艦隔熱罩頂部附近的白斑區(qū)域解釋道，可重復使用的隔熱罩是星艦項目的。
9月11日消息，距離SpaceX上一次星艦試飛已經(jīng)過去兩周時間，工程師們診斷出了隔熱罩存在的問題，確定了改進方案，并為下一次太空飛行制定了初步計劃。
SpaceX負責建造與飛行可靠性的高管比爾·格斯滕邁爾（Bill Gerstenmaier）于本周一在克利夫蘭舉行的美國航天學會格倫空間技術研討會上公布了這些信息。
星艦于8月26日從SpaceX位于美墨邊境以北的得克薩斯州星艦基地發(fā)射升空。這是SpaceX超重型助推器與星艦上面級的第10次全尺寸聯(lián)合試飛，二者共同組成了世界上最大的火箭。
8月26日的試飛有兩大核心目標。首先，SpaceX需要解決此前三度困擾星艦完成試飛任務的推進和燃料系統(tǒng)問題。其次，工程師們亟需獲取星艦隔熱罩的關鍵數(shù)據(jù)。當飛船再入大氣層時，這個由數(shù)千塊隔熱瓦構(gòu)成的陣列負責覆蓋著飛船腹部。
格斯滕邁爾表示，“整體進展極其順利?！?/p>
升空后一個多小時，星艦自主引導至澳大利亞西北部的印度洋，實施了受控濺落。飛船最終落點距離目標點不到10英尺（3米），附近布設的充氣浮標完整記錄了其最后的下降過程。
從浮標及附近懸停的無人機拍攝的影像可見，星艦最初是以腹部朝下的姿態(tài)墜落，然后在濺落前瞬間點燃六臺猛禽發(fā)動機中的三臺，實現(xiàn)船體翻轉(zhuǎn)并直立入水。但飛船仍留有“戰(zhàn)斗痕跡”：尾部及襟翼有肉眼可見的損傷，最引人注目的是飛船側(cè)面的大片銹橙色斑痕。
SpaceX創(chuàng)始人埃隆·馬斯克（Elon Musk）表示，變色是因為測試用金屬隔熱瓦的氧化反應。安裝這些金屬瓦是為了對比它們與船體上大量陶瓷瓦的耐用性和隔熱性。馬斯克說，與以往不同的是，這次飛行中幾乎所有隔熱瓦都全程保持完好。
深度解析技術細節(jié)
格斯滕邁爾周一對此次星艦試飛的細節(jié)進行了深入闡釋：“我們當時實際上是在測試非陶瓷隔熱瓦的可用性，所以在飛船側(cè)面裝了三塊金屬瓦，評估它們能否提供足夠的隔熱性，畢竟它們比陶瓷隔熱瓦更易制造且更耐用。但事實證明此路不通。”
“那些金屬隔熱瓦……效果不太好，”格斯滕邁爾坦言。它們“在富氧環(huán)境下發(fā)生了劇烈氧化。所以那些有點像航天飛機外儲箱的漂亮橙色痕跡，或許是在向航天飛機項目致敬，但它們確實是飛船頂部那三小塊金屬瓦造成的?！?/p>
格斯滕邁爾擅長以通俗易懂的方式解析復雜的技術概念。他于1977年開始以航天工程師的身份參與NASA航天飛機項目，逐步晉升至載人航天計劃負責人，并于2020年加入SpaceX。
金屬瓦實驗正是SpaceX星艦研發(fā)方式的縮影：公司工程師們迅速修改設計，并將新方案融入每一次試飛中。金屬隔熱瓦并非新技術，NASA早在20世紀70年代就進行過實驗室測試，但從未將其實際應用于飛行。
“通過實際飛行我們收獲頗豐，而且底層防護足夠可靠，所以沒有引發(fā)任何問題，”格斯滕邁爾說?！按蠖鄶?shù)隔熱瓦之間的縫隙較大，熱量就是從那里滲透到底層的?！?/p>
掌握隔熱技術對星艦項目的未來至關重要。隔熱罩必須堅固耐用，星艦才能實現(xiàn)快速重復使用。馬斯克的目標是在24小時內(nèi)讓同一艘星艦再次發(fā)射升空。
NASA可重復使用的航天飛機使用了約24000塊精密陶瓷隔熱瓦來抵御再入大氣層時的高溫，但這些材料脆弱易損，每次任務后都需要人工檢修。SpaceX的載人龍飛船底層結(jié)構(gòu)可重復使用，但隔熱罩材料本身是一次性的。
對于星艦而言，SpaceX需要能經(jīng)受住嚴酷太空飛行考驗的隔熱罩，它需要能抵御發(fā)射時的劇烈振動、太空中的極端溫度變化、再入時的灼熱高溫，以及每次任務結(jié)束時發(fā)射塔捕獲臂的巨大沖擊。馬斯克曾稱，可重復使用的隔熱罩是星艦項目的“最大單一工程挑戰(zhàn)”。
格斯滕邁爾隨后指向星艦隔熱罩頂部附近的白斑區(qū)域解釋道：這是熱量從隔熱瓦縫隙滲入并侵蝕底層一種源自SpaceX龍飛船隔熱罩的隔熱層所致。技術人員還故意拆除了星艦鼻錐附近的一些隔熱瓦，以測試船體反應。
“這實際上是一種用在龍飛船上的白色材料，會發(fā)生燒蝕并產(chǎn)生白色殘留物，”格斯滕邁爾說。“這表明熱量滲入隔熱瓦間隙并侵入底層，引發(fā)了底層燒蝕材料的燒蝕。因此我們認識到必須把隔熱瓦的縫隙封上?！?/p>
星艦主體結(jié)構(gòu)采用特種不銹鋼合金。航天飛機和龍飛船等大多數(shù)其他能再入大氣層的航天器都使用鋁材。不銹鋼的熔點更高，使得星艦在隔熱罩受損時比航天飛機有更強的容錯能力。
工程師們在星艦船體下部觀察到了更多白斑，均為熱量滲透燒蝕底層材料所致。
第11次飛行的預告
雖然情況不容樂觀，但SpaceX的高管們認為已經(jīng)找到解決方案。在船體頂部那片白斑區(qū)域中，工程師們注意到了幾塊深色區(qū)域。這是SpaceX地面團隊在隔熱瓦周圍及底層覆蓋的新型實驗材料。
“我們稱之為‘脆卷’（crunch wrap）密封材料，”格斯滕邁爾介紹道?！八拖癜b紙一樣包裹每塊隔熱瓦，然后……這些瓦片由機械固定到位，通過機器人卡扣安裝。當我們把瓦片壓進去時，這種密封材料就會包裹每塊瓦片的邊緣，然后我們再對表面進行修整。”
使用這種“脆卷”材料可以在不使用填縫劑的情況下密封隔熱瓦間隙。航天飛機上常用的填縫劑增加了系統(tǒng)的復雜性，有時還會在飛行中脫落。
“這大概就是我們在下一次飛行，即第11次試飛中將采用的方案，”格斯滕邁爾說。“我們會在所有區(qū)域用上’脆卷’，檢驗能否提升密封效果和隔熱性能。這些都是創(chuàng)新之舉：開展測試實驗、探究測試邊界、驗證空氣動力學特性，所有這些都至關重要。”
星艦第11次試飛將采用一條與此前任務相似的亞軌道彈道，可能在今年10月份進行，為SpaceX明年首飛升級版星艦做準備。上周日，SpaceX已經(jīng)在得州為下次發(fā)射任務完成了超重型助推器的靜態(tài)點火測試。
“下次試飛我們將不會在一次任務中驗證這么多新技術，”他說?！岸菚鼘Ｗ⒂跒槊髂甑娘w行配置做準備?！?/p>
軌道飛行計劃
“明年，我們將推出V3版的飛船和助推器，”格斯滕邁爾在回答提問時說?！八鼘⑴鋫湫滦兔颓莅l(fā)動機，性能優(yōu)于以往的型號。所以我們會先對V3版星艦開展亞軌道試飛，成功后再實施軌道飛行。”
這意味著星艦項目最早也要到第13次試飛才會開展軌道飛行，與馬斯克最近的表態(tài)一致。他表示，SpaceX可能會在第13到15次試飛期間嘗試在星艦基地捕獲并回收星艦，具體取決于接下來幾次試飛的結(jié)果。
要順利實現(xiàn)回收，星艦上面級必須加速到軌道速度，環(huán)繞地球飛行一整圈后返回得克薩斯州。
迄今為止，星艦所有的試飛都是亞軌道飛行，意味著星艦上面級在環(huán)繞地球之前就已返回。SpaceX需要在開展軌道飛行前確保能精準控制返回的時間和地點。像星艦這般龐大的飛行器如果再入時不受控，會導致大塊碎片墜落地面。
軌道飛行將開啟星艦發(fā)展的下一階段。完整回收星艦有助于工程師深入了解飛船隔熱罩的性能。將星艦送入軌道，使得SpaceX能夠開始發(fā)射更強大的新一代星鏈寬帶衛(wèi)星。最重要的是，對于未來探月和火星而言，軌道飛行將為兩艘飛船在太空實施對接、并為首次在軌大規(guī)模加注推進劑的演示鋪平道路。
“我們打算明年嘗試實現(xiàn)這一目標，”格斯滕邁爾說?！?026年的重點是實現(xiàn)大規(guī)模推進劑轉(zhuǎn)移技術。要離開地球軌道，這項技術不可或缺?！?/p>
格斯滕邁爾還簡要介紹了最近一次試飛中關于超重型助推器的實驗成果。
這次試飛中，助推器在將星艦送往太空后，濺落在得克薩斯州海岸線附近的墨西哥灣。SpaceX利用這次飛行測試了助推器返回地球時的承壓極限，將其引導至完成海上濺落，而非返回發(fā)射塔被機械臂捕獲。
“我們當時通過調(diào)整攻角來驗證助推器自身的飛行控制能力，從而確定未來返回發(fā)射塔的把握，”格斯滕邁爾說。
SpaceX工程師發(fā)現(xiàn)，助推器下降時的實際表現(xiàn)與計算機模型或風洞測試的預測結(jié)果不符。在地面實驗中，當助推器減速至亞音速時會出現(xiàn)不穩(wěn)定的抖振。
他表示，基于那些結(jié)果，“我們本應無法完成助推器返回時的機動動作，但飛行中的實際姿態(tài)證實，助推器的穩(wěn)定性比計算流體動力學或風洞測試所顯示的要高?！?/p>
他問道：“現(xiàn)在向研究界提出的一個關鍵問題是，為何存在這些差異？我們此前有所預感，但未能完全確定，最終還是出色實現(xiàn)了這一目標?！?/p>
格斯滕邁爾建議大學和政府實驗室深入研究一下這個問題。像SpaceX這樣的公司創(chuàng)新速度很快，一旦找到可行方案就會轉(zhuǎn)向其他事情。
“我得到的是’最小可行方案’，”格斯滕邁爾總結(jié)道?！拔也⒉煌耆斫馄涔ぷ髟?，但它確實有效，所以我們就用它，實現(xiàn)商業(yè)化，讓它持續(xù)發(fā)揮作用。而研究領域的諸位有機會幫助我們理解背后的工作原理……或許還能發(fā)現(xiàn)更好的解決方案?！保ǔ匠剑?br>
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