SpaceX星艦第二次發(fā)射將采用熱分離，或重蹈蘇聯(lián)火箭悲??？
以下轉(zhuǎn)載自 @JF科技 的知乎文章《2023-06-25：馬斯克星艦二發(fā)將采用熱分離，或重蹈蘇聯(lián)火箭悲劇》（https://zhuanlan.zhihu.com/p/639526701）。?
哈哈，標(biāo)題黨一次。^_^
引言
昨天（2023-06-25），馬斯克在一次在線采訪中透露，星艦二次發(fā)射會和失敗的首發(fā)有一個很大的工程設(shè)計上的變化，就是采用一、二級熱分離（hot staging)，而不是首發(fā)中的冷分離[1]。
今天就來詳細(xì)科普一下火箭箭體分離的故事。
所有入軌火箭都采用兩級或多級設(shè)計。所以，箭體分離就成了必不可少的發(fā)射中的一部分。下面討論中火箭假設(shè)是兩級設(shè)計，所有論點對三級火箭一樣適用。
冷分離
一般火箭一、二級分離的過程是：
一級發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)，確認(rèn)完全關(guān)閉后，
一、二級之間固定連接的裝置打開，確認(rèn)后，
一、二級互相推開，確認(rèn)有一定距離后，
二級點火開機(jī)。
為什么這么麻煩，要小心再小心，確認(rèn)再確認(rèn)？因為，兩級分離時候，如果沒有完全分離，藕斷絲連（如 2015 年俄羅斯軍用 Kanopus-ST 衛(wèi)星發(fā)射失敗[2]），或分離了但產(chǎn)生碰撞（2008 年 SpaceX 的獵鷹 1 號火箭第三次試射失敗[3]），發(fā)射肯定會失敗。下面對每一步詳細(xì)展開。
第一步：一級發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)
上面第一點無需多說，就是得小心確認(rèn)是真的完全關(guān)機(jī)了，要不然一級還有推力，而二級在點火之前沒有推力，這樣在分離后，一級會追上并撞上二級，就完蛋了，如上面提到的獵鷹 1 號發(fā)射失敗[3]。
第二步：分離
分離裝置，有好多種[4]：有用固定爆炸螺栓，把固定兩級的螺栓雜碎，使得兩級分離；有使用條狀低能炸藥的，把原本是一體的的火箭從當(dāng)中炸開，當(dāng)然在預(yù)定的地方是有劃痕和爆炸導(dǎo)向槽的，不會炸得亂七八糟；跟多的是使用卡鉗，各種型號式樣的卡鉗都試過、采用過，如下圖中的 V 形卡鉗。
這里的關(guān)鍵點是可靠性：在不分離的時候一定不能分離，在分離的時候，一定要成功、干凈、快速的分離！像前面說的俄羅斯的發(fā)射事故[2]，就是因為一個卡鉗沒打開，一二級拴在了一起，發(fā)射失敗。同時，爆炸螺栓或定向炸藥一定要小心，因為它們都是用電信號觸發(fā)引爆的，如果不注意屏蔽，有可能會在地面或飛行中因為外界電磁信號而觸發(fā)引爆，那也就芭比 Q 了。還有一點，如果采用爆破式分離，一定要有爆炸碎片包裹保護(hù)措施，否則高能碎片會破壞到其他設(shè)備。
第三步：一、二級推開
推開裝置，也試過、采用過好多種[4]。有采用二級輔助小發(fā)動機(jī)（ullage motor）的，有采用一級反推（thrust reversal）的，有采用彈簧的（^_^），還有采用空氣或液壓活塞推動裝置的。下面介紹其中的幾種。
二級輔助小發(fā)動機(jī)（ullage motor）。這種設(shè)計很流行的，原因如下。在一級關(guān)機(jī)后，整個火箭是處于無動力向上拋物線的自由落體狀態(tài)，簡稱：失重 ^_^。在這種情況下，二級火箭里的燃料都是處于失重狀態(tài)，這時候點火，勢必造成發(fā)動機(jī)渦輪抽取燃料不穩(wěn)定。如果在分離之后，二級點火之前，啟動二級輔助小發(fā)動機(jī)，給二級一個很小但足夠的推力，這樣，不但一二級會拉開距離，而且推力加速度會使二級燃料擺脫失重狀態(tài)，有利于點火。一舉兩得。看下圖中的土星 5 號的輔助小發(fā)動機(jī)。
另一種是 SpaceX 獵鷹 9 所采用的空氣冷推裝置。在獵鷹 9 號一級火箭的頂端，有個用三腳架支撐著的空氣活塞推離裝置，下圖：
它是如何工作的呢？說著也挺嚇人的。在一、二級合體的時候，二級發(fā)動機(jī)的噴口是在一級箭體里面的。而這空氣活塞就是插在二級發(fā)動機(jī)噴口最里面狹窄的喉嚨（throat）處，見下圖：
在分離推開的時候，這根活塞推桿用箭載高壓氦氣驅(qū)動，伸展出來，推著二級發(fā)動機(jī)的噴喉，把整個二級火箭推開。
還有一種是火箭實驗室（Rocket Lab）的電子號火箭（Electron）的彈簧冷推裝置，更簡單，見下圖：
可以看到，在一級箭體四周有 6 根棍子，下面裝有壓縮好的彈簧。在推開時，繼電裝置松開彈簧，彈出這 6 根棍子，把二級推開。好簡單，好可愛的。
第四步：二級點火
到了這一步，危險已經(jīng)過去了。沒啥好多說的。
熱分離
一二級熱分離和上述的冷分離不同于第一，第三，和第四步。在熱分離設(shè)計中，第一步的一級關(guān)機(jī)不是必要的，盡管還是要降低推力，避免分離后，一級因為重量突然減輕（二級飛走了嘛）而大大加速，追上二級發(fā)生碰撞。而第三、第四步則合二為一：二級直接點火，暴力把二級從一級上面推開。
因為二級點火的時候，其發(fā)動機(jī)噴口還在箭體里面，所以一定要有火焰發(fā)泄設(shè)計，同時還要有一級頂部保護(hù)措施，如果一級是要用來回收和復(fù)飛的話，見下圖：
根據(jù)上圖可以想象分離的過程：
一級發(fā)動機(jī)減推，
二級點火，等到其推力足夠時，
一、二級卡鉗打開，二級飛走，同時一級繼續(xù)減推，準(zhǔn)備回收飛行。
現(xiàn)實世界里，熱分離技術(shù)是前蘇聯(lián)火箭的最愛，比較符合他們的暴力美學(xué)。但他們最著名的采用熱分離的登月火箭 N1 四發(fā)四炸，所以才有了這個吸眼球的標(biāo)題。^_^
冷、熱分離比較
冷分離的優(yōu)缺點：
壞處 1：過程長，至少在 5 - 6 秒種之內(nèi)，火箭處于無動力狀態(tài)，損失動能巨大；換種說法，冷分離會減低有效入軌載荷重量。
壞處 2：更多的推離機(jī)構(gòu)（第三步）：如輔助發(fā)動機(jī)，或液壓/氣壓活塞推桿，彈簧等等。只要一個裝置不工作，兩級就無法來開距離，此時點火，直接芭比Q。
壞處 3：還是第三步，因為要把一、二級推開，推離機(jī)構(gòu)和箭體的重量息息相關(guān)。如果箭體巨大，將不得不采用更重更大力的推離機(jī)構(gòu)。
好處：一步一步清晰，控制容易，經(jīng)驗豐富，因為絕大多數(shù)火箭都用這種設(shè)計。
熱分離的優(yōu)缺點：
好處 1：機(jī)構(gòu)簡單，去除了第三步的推離裝置。
好處 2：一級不關(guān)機(jī)，二級點火無縫銜接上，動能損失少，不會有那個 5 - 6 秒鐘自由落體的過程。換句話說，有效入軌載荷質(zhì)量提升。
好處 3：對箭體重量不敏感，因為本來發(fā)動機(jī)就要足夠強(qiáng)大來推動二級的，所以，再大的火箭箭體都沒問題。
壞處 1：一不小心，把一級點著了，一起炸了。即使不把一級炸了，也有可能損壞一級，造成無法回收或無法重用。而且火焰有可能反彈到二級發(fā)動機(jī)或箭體上造成傷害或發(fā)射失敗。
壞處 2：時序控制要很精確。第二步里卡鉗一打開，一級發(fā)動機(jī)要推動的重量立刻大大減少（因為此時二級已經(jīng)和一級沒有物理連接了），所以一級加速度大增，有可能會撞上正在飛離的二級。
壞處 3：導(dǎo)焰柵格，一級頂部保護(hù)等等，會加大重量。
大家的選擇
為啥現(xiàn)在幾乎所有人都不用熱分離（除了老型號火箭，導(dǎo)彈）？
因為大家其實對分離和推離裝置的穩(wěn)定性都沒問題，而且沒有哪個火箭像星艦這般如此巨大，所以對于這么暴力的直接在一、二級之間的箭體內(nèi)部點火，都覺得沒這個必要。即使是俄羅斯，現(xiàn)在新型火箭也都采用冷分離設(shè)計。
星艦的選擇
但馬斯克為啥現(xiàn)在要選擇熱分離？以下是我的猜測：
通過首發(fā)，大家知道了星艦是如何一、二級分離的，這是一種很詭異、很獨特的冷分離方法，和前面說的傳統(tǒng)冷分離不同，世界上沒有人用過：
在準(zhǔn)備分離之前，通過一級發(fā)動機(jī)變向，造成整個火箭開始旋轉(zhuǎn)（yaw 方向上）。
等火箭有足夠的角速度的時候，一級關(guān)機(jī)，同時一、二級卡鉗打開。
這時候，二級會被離心力"甩"出去。
為啥要這么“華麗”？
大家知道滿載燃料的二級有 1200 噸重?。?！比長征 5 號整個火箭通通加起來還重（長 5 一共滿載燃料才不到 850 噸）50%。而且別忘了，推離裝置是要把一二級推開，一級這時候也還是挺重的，因為還有剩余燃料需要去做返回飛行。這么重，啥推離裝置能夠穩(wěn)定、快速地使之分離？即使可行，也會加上好多（在馬斯克看來）無用的重量。
所以來個華麗的旋轉(zhuǎn)，讓離心力幫一下忙。^_^
但首發(fā)大家也看見了，這個華麗的創(chuàng)新沒成功，不管什么原因吧，老馬決定，換方法！采用熱分離！
用二級開機(jī)，直接暴力分離。這樣以后再重的二級都沒問題。同時，熱分離還能保持箭速，不損失動能。據(jù)馬老師說，會帶來 10% 的有效載荷的提升（這個說法，我實在是不太相信的哈，有提升，但沒有那么多）。還有，少了那個驚心動魄的旋轉(zhuǎn)。
另一個大好處是：星艦最終是要用來載人的，它被人一直指責(zé)的一大問題是沒有發(fā)射逃逸裝置，而熱分離解決了這個問題。原先的冷分離，如果一級出事，載人的二級是無法逃逸的。而現(xiàn)在的熱分離，使得二級在任何時候都可以暴力掙脫，帶著宇航員逃生。
壞處是增加了重量，和分離時爆炸或受損的危險。
但他們衡量過了后，覺得還是應(yīng)該試試，畢竟從長遠(yuǎn)來說，這對于星艦這樣的史無前例的巨型猛獸，熱分離看著像是一條正道。創(chuàng)新不易，還是走著瞧吧！
參考
SpaceX 在未來第二次試射中，將試驗一、二級熱分離。?https://spacenews.com/spacex-changing-starship-stage-separation-ahead-of-next-launch/
2015 年俄羅斯軍用 Kanopus-ST 衛(wèi)星發(fā)射失敗。事故原因是 4 個一、二級固定卡鉗中有一個沒能打開，一、二級無法分離，造成發(fā)射失敗。?https://www.space.com/31307-russian-military-satellite-kanopus-launch-failure.html
2008 年 SpaceX 的獵鷹 1 號火箭第三次試射失敗。原因是在一、二級分離的時候，一級發(fā)動機(jī)并沒有完全關(guān)機(jī)，使得一級箭體在分離后，又追上二級，發(fā)生了碰撞。?https://www.space.com/5707-spacex-traces-rocket-failure-timing-error.html
NASA《火箭分級分離裝置》論文。?https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19710019510/downloads/19710019510.pdf
