作者：科學(xué)聲音吳京平

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SpaceX公司的團隊用不銹鋼來制造火箭。這在以前也曾經(jīng)有過，比如美國早期的宇宙神火箭的燃料罐也是用很薄的不銹鋼制造的，就像易拉罐那么薄。內(nèi)部充入高壓氦氣，才能保持直立。但是如果卸載燃料的時候不小心漏了氣，或者是搞錯了順序，那就不行了?；鸺苤苯影c軟在發(fā)射架上。

圖：大型油罐

不過呢，馬斯克用的不銹鋼是很厚的，而且內(nèi)外好幾層，也不擔(dān)心會垮掉。這么長的火箭當(dāng)然無法一次成型，而是做成一個個圓圈，然后焊接起來。所以大家有機會看看星艦火箭，就會發(fā)現(xiàn)，這東西還真像個煤氣罐或者是大油罐之類的。馬斯克當(dāng)初也是參考了油庫大罐子的建造流程。畢竟用不銹鋼來搭建耐壓容器，人家經(jīng)驗豐富。

后面的測試火箭，馬斯克讓手下的兩個團隊進(jìn)行競爭。德州博卡奇卡基地建造MK1、MK3，佛州可可基地建造MK2、MK4。當(dāng)時都是這么編號的，后來全改了。所以，SpaceX他們家的東西實在是有點亂。

SpaceX他們家采用的研發(fā)流程類似于軟件開發(fā)，是不斷迭代。而且的多路并行的，這樣開發(fā)速度會非?？欤袉栴}就會及時發(fā)現(xiàn)。如果你一次做一個完整版，天知道那一部分會出問題，火箭太復(fù)雜了。任何模擬測試都代替不了實際發(fā)射。

遙想當(dāng)年，NASA也曾經(jīng)展示出極高的效率，那就是在執(zhí)行阿波羅登月計劃的時候，只有10年時間，美國人要從一張白板，到登上月球。中間有多少步驟要走啊。所以，他們也是并行操作的，1號在發(fā)射，2號在測試，3號在組裝，4號在制造，5號在設(shè)計研制……半年發(fā)射一枚土星5號這樣的超大型火箭。這樣才造就了短短8年美國就能把人送上月球的奇跡?？墒乾F(xiàn)在就不行了，遠(yuǎn)沒有當(dāng)時的干勁兒，也沒有當(dāng)年那么豪橫的財政撥款。

圖：理想很重要，人心散了，隊伍就不好帶了

好在，SpaceX公司多少還保持著當(dāng)年NASA的銳氣。隊伍為什么不好帶？因為人心散了嘛。沒有一個崇高的目標(biāo)召喚，誰愿意拼命干??？為什么要去火星？馬斯克給出的理由都很牽強，去火星不需要理由。為什么去登山？因為山就在那里，火星就在那里。

mk1和mk2兩個火箭是全尺寸原型機。都有9米粗，50米高。也就是說，大致相當(dāng)于7個長征2號火箭捆成一大捆。全身銀光閃閃，都是不銹鋼焊接而成。不過在2019年的一次測試之中，MK1炸了。要知道，液氧和液態(tài)甲烷都是低溫燃料，起碼在-180度以下。但是燃料罐的內(nèi)部壓力也很大。所以，要做低溫耐壓測試。液氧罐承受不住，焊縫破裂，直接爆了。內(nèi)部氣壓太高，MK1火箭被內(nèi)部噴出的高壓氣體吹起來幾米高，橫著扔出去幾十米遠(yuǎn)，算是徹底報廢。摔扁了嘛，也只能報廢了。

不過嘛，這種爆炸對SpaceX來講，就是個家常便飯。他們叫停了MK1和MK2，直接廢棄了這倆個原型機。開始準(zhǔn)備后續(xù)的MK3和MK4。他們是不太可能停下來歸零的，那樣時間太長了。馬斯克的團隊換了新的設(shè)計方案，據(jù)說比以前還輕了20%，而且MK這個前綴也不用了，改成了SN，也就是序列號的意思，MK3改成了SN1。

等這個SN1建造完畢，2020年2月底移到測試臺上進(jìn)行測試，又出事兒了。又是罐子破裂，內(nèi)部高壓氣體噴出來，整個火箭飛起來幾十米，摔下來還引發(fā)了二次爆炸，這下比前一次還要慘。馬斯克說是火箭的屁股設(shè)計有問題，下次改進(jìn)。

既然是屁股設(shè)計有問題，SN2的目標(biāo)就是測試新設(shè)計看看是不是解決了問題。SN2在經(jīng)歷了加壓測試以后，結(jié)束了使命?？磥砥ü傻膯栴}找到了，而且解決了。

圖：火箭已經(jīng)癱了

再接下來，就是SN3和SN4了。SN3是測試人員犯了一個低級錯誤，甲烷的儲罐是在液氧儲罐的上方，他們加壓測試，先灌進(jìn)了大量甲烷，下邊的液氧罐子是空的，結(jié)果液氧罐承受不住上邊那一大缸液態(tài)甲烷的重量，被壓扁了。SN3直接報廢了。但是這一次不是爆炸，發(fā)動機完好無損，可以直接用到SN4上。

SN4是在去年的4月底上測試臺的，也就是2020年的4月份。SN4共通過了五次的靜態(tài)點火測試和兩次低溫加壓測試。靜態(tài)點火就是把火箭捆在發(fā)射臺上，然后開啟發(fā)動機，真的點火進(jìn)行真實的檢測。當(dāng)然，開車時間是很短，不會造成損壞。

靜態(tài)點火也是馬斯克的老傳統(tǒng)了，到5月底，SN4進(jìn)行第5次靜態(tài)點火的時候，出現(xiàn)甲烷泄漏，又炸了。這次不想以前，都是氣體壓力大，爆了，其實溫度不算高。這次是點火以后炸的，測試臺都被炸壞了。

因為星艦是一種前所未見的火箭，它用的材料，它的體型，用的燃料都是新的，而且要完成的任務(wù)也是全新的，所以難免會出問題。炸是不可避免的。

后續(xù)的SN5和SN6到底比較順利，完成了一些的測試，而且順利起飛，降落在了150米之外的著陸場上。這說明猛禽發(fā)動機是可靠的，推力很足。而且姿態(tài)操控也沒問題。這也是星艦的實驗品第一次實現(xiàn)正常飛行，盡管距離很短。

當(dāng)然這兩枚實驗品都不是完整的飛船，因為不需要飛的很高，飛的很快，所以頭部沒有安裝頭錐，就是個平頭的。有點像會飛的暖水瓶的樣子。因為只飛150米，用不著多少燃料，也就不用裝太多的發(fā)動機，只裝了1臺猛禽。

SN7并不是用來飛行測試的，而是用來對燃料罐做壓力測試的，看看3毫米厚的不銹鋼能頂住多大的壓力。也就是說，不折騰炸了誓不罷休。這一次的爆炸是有計劃，有預(yù)謀的。

圖：SN7和SN7.1

所以嘛，SN7和后續(xù)的7.1、7.2都只是個大燃料罐，并不是完整的火箭。7和7.1都被巨大的壓力給憋炸了。但是7.2頂住了壓力，完成了測試。

接下來到SN8，這基本上就是一個比較完整的版本了。你可以看到，巨大的不銹鋼煤氣罐的頂部安裝了橢圓形的頭錐。頭部和尾部安裝了兩個小翅膀。起碼從外觀上看，星艦火箭已經(jīng)不缺什么了，當(dāng)然內(nèi)部還是缺少必要的裝備，因為這枚火箭是要載人，要拉貨，貨艙客艙的，SN8都沒裝，這還早著呢。

這一次，SN8要測試高空高速飛行，而且要測試一下星艦火箭獨特的“鯉魚打挺”動作。屁股上裝了3臺猛禽發(fā)動機，排列成品字形，這也就意味著，如果要反推著陸的話，沒有任何一臺發(fā)動機是在火箭的軸線上，都是偏的。也就是說，只開一臺發(fā)動機，不在中心軸線上，要歪著噴，才能保持平衡，就看SpaceX對火箭的操控夠不夠強了。

當(dāng)然，這一次最難的，是火箭的降落方式。這可不是像獵鷹9號那樣是垂直倒飛回來。而是垂直起飛，飛到12.5公里的高空，然后火箭打橫，平著落下來，然后到接近地面在來一個鯉魚打挺的動作，把火箭豎過來，最后垂直落地。

大家也許會納悶，為什么馬斯克要這么干呢？為什么不能老老實實的垂直著陸了，中間折騰什么幺蛾子？其實這是SpaceX的一大創(chuàng)新。要解決的就是和航天飛機類似的問題，那就是高速從外太空返回地面。

獵鷹9號1級之所以可以回收，那是因為獵鷹9號的1級其實速度并不快。大概也只有一秒鐘幾公里而已，并沒有超過第一宇宙速度。但是2級怎么辦？2級一般已經(jīng)超過第一宇宙速度了。馬斯克的星艦其實就是火箭的第2級，而且是一個完整的整體，并不像載人飛船那樣，二級火箭最后會和飛船分離。從這一點上來講，很像是航天飛機。如果是從月球或者是火星歸來，速度會更快，會達(dá)到第2宇宙速度，更加不好辦。

航天飛機采用的方式就是滑翔。大家想過沒有，為什么運載火箭都是鈍頭的？為什么不是尖頭的呢？尖頭不是阻力小嗎？對，沒錯，阻力是小，但是如果火箭的速度太快，空氣會貼著火箭表面摩擦，產(chǎn)生極高的熱量。假如是鈍頭的，空氣會被推開。溫度最高的區(qū)域是不會緊貼著火箭外殼的。

所以，航天飛機返回的時候，頭部會形成一道激波，身子只要躲在激波后邊溫度就不至于太高。硬普通的陶瓷瓦就能對付。但是機翼前緣和鼻子尖就必須采用碳碳復(fù)合材料才能對付。不過，這個角度很不好控制，不能大，也不能小。航天飛機就是這么挺著肚子迎著風(fēng)拍向稠密的大氣層，等到速度減下來了，進(jìn)入稠密大氣了，就可以當(dāng)做是普通的三角翼飛機那樣操控。不過航天飛機機身粗胖，操控性能并不好，機翼也不能太大，滑翔性能也不好，只是湊合著能飛回來而已。

航天飛機的長度是37米，可是星艦是50米，長了一大截。航天飛機機身的粗細(xì)大概是5~6米的樣子，星艦是9米，比航天飛機大多了。航天飛機的機翼還算能提供足夠的升力，星艦的4片機翼面積簡直是不值一提。似乎這4片機翼也產(chǎn)生不了多少升力，截面也跟流線型關(guān)系不大。實際上，這4片機翼，只是產(chǎn)生阻力的減速板而已。

如果是星艦火箭從外太空以超過第一宇宙速度的高速進(jìn)入大氣層，那該如何減速呢？馬斯克的團隊設(shè)想了一個另類的方式，這種方式完全是開創(chuàng)性的。那就是讓火箭徹底橫過來，側(cè)面迎著氣流拍下去。這樣的話迎風(fēng)面積最大，減速效果最好。不過迎風(fēng)面溫度會非常高，所以馬斯克考慮要鋪設(shè)隔熱瓦，因為星艦是不銹鋼的，隔熱瓦可以稍微薄一點。正面溫度高，鋪上隔熱瓦，背面不是迎風(fēng)面，就靠不銹鋼死扛了。

當(dāng)然，SpaceX也有一些陰招，比如讓燃料在不銹鋼夾層里流動，帶走熱量，或者是在金屬表面開非常微小的孔，讓燃料滲透出去，蒸發(fā)掉，帶走熱量。但是這招最后取消了，估計是因為小孔太容易堵塞了。他們一直在改進(jìn)，方案變動也很激烈。

所以這一次SN8的測試，就是飛到12.5公里高空，然后讓火箭橫著垂直下落，最大限度的利用迎風(fēng)面積?？壳昂髢善瑴p速板張開的角度來控制阻力大小，保證頭尾的平衡。

圖：頭尾減速板是用來調(diào)整阻力的，這不是機翼

你別說，前半截還是蠻順利的。起飛，然后上升到12.5公里的高空，3臺發(fā)動機熄火，飛船開始垂直下落。靠減速板張開的角度，控制頭尾的阻力大小。屁股阻力大，頭部阻力小，頭部下落比較快。很快，火箭就徹底橫過來了，變成水平狀態(tài)，開始自由下落。這時候只要控制好頭尾的姿態(tài)就沒問題。等到了接近地面，發(fā)動機二次點火，開了兩臺就夠了。這時候火箭從水平姿態(tài)，一個漂亮的鯉魚打挺就豎起來了，而且姿態(tài)控制也不錯，就這么垂直落向地面。但是，下落速度明顯太快了，屁股后邊還冒出了綠色的火苗子，顯然是不正常的。最后SN8垂直撞到地面上爆炸了。

對于馬斯克來講，這次實驗部分大部分的目標(biāo)都達(dá)到了。SN8垂直起飛沒問題，橫躺著下落沒問題，姿態(tài)控制不錯。猛禽發(fā)動機二次點火沒問題，鯉魚打挺重新豎過來也沒問題。就差最后一哆嗦了，怎么就出問題了呢？

這次反映出來的問題是在燃料供應(yīng)上。最后火光發(fā)綠顯然是燃料供應(yīng)不上造成的。這是星艦特有的一個問題，也跟星艦降落的時候，那個鯉魚打挺的動作有關(guān)系。

要知道，火箭返回地球的時候，燃料已經(jīng)所剩無幾了，那么大的罐子，其實是空空蕩蕩的。你怎么保證燃料沉底呢？不沉底的話，就無法被燃料管吸進(jìn)發(fā)動機啊。如果是原來的垂直降落的方式，那還好辦，現(xiàn)在是橫著拍下來，鬼知道燃料晃到哪里去了，接下來再來個鯉魚打挺，更是晃得一塌糊涂了。

那么，如何在這么劇烈的姿態(tài)調(diào)整下，保證吸到燃料呢？SpaceX的辦法是在火箭的頭部裝了一個很小的燃料罐。里面裝滿了燃料，既然是滿的，怎么晃也晃不起來。最后的降落過程，就靠著這個小燃料罐里的燃料了，要用高壓氦氣把燃料擠進(jìn)發(fā)動機?？赡苁呛鈮毫Σ蛔悖瑢?dǎo)致了燃料供應(yīng)不足。

有人可能會奇怪，為什么要把小燃料罐裝在頭頂上呢？為什么不就近設(shè)置在發(fā)動機的附近？我們下次再說。關(guān)注“科學(xué)聲音”吧。