流紋岩:六月試車再異常,美國登月又要推遲了?

【文/觀察者網專欄作者 流紋岩】

6月26日,美國諾斯洛普·格魯曼公司進行了「助推器換代和壽命延長」(booster obsolescence and life extension,bole)助推器的「演示發動機-1」(demonstration motor-1)地面試驗。這是人類有史以來第二大的固體火箭點火實驗,計劃點火140秒,地點位於美國猶他州普羅蒙特里生產和測試基地試驗場。

諾斯洛普·格魯曼公司為bole助推器設置了763個測點以檢測發動機性能,並安裝了二氧化碳熄火系統,以保證關機後助推器的安全,避免余藥引燃試驗台等現象。但即使做了大量準備,bole還是在接近關機的時候出現了異常。

根據試車情況分析,bole助推器點火後101秒,位於天頂面的喉部下側首先燒穿,噴出了火焰。隨後當地面報出「點火110秒」的幾乎同一時刻,bole的噴管破裂並飛出,而發動機繼續點火直至其內部的固體推進劑燃盡。

bole尾噴管崩落的瞬間

bole是用於替代目前「太空發射系統」的5.5段式「五段重複使用固體火箭」(rsrmv),後者又繼承自太空梭「重複使用固體火箭」(rsrm),採用相對古老的鋼製殼體和tp-h1148型聚丁二烯丙烯腈固體推進劑。

目前,「太空發射系統」仍然在使用太空梭時代的固體火箭助推器,但並不計劃回收這些殼體,剩餘的殼體將支持至該火箭執行第八次飛行任務。bole將從第九次任務中加入「太空發射系統」,以形成block 2型火箭。

為了實現目標,bole使用了先進的t1100碳纖維殼體和端羥基聚丁二烯固體推進劑,可產生超過1800噸的地面推力,並增加3.9%的比沖和11%的總沖,這能夠將「太空發射系統」的奔月軌道運載能力提高至46噸以上。

廠房中的bole助推器分段

雖然bole計劃使用t1100高性能碳纖維殼體,但「演示發動機-1」的殼體使用性能稍差的im7/t300碳纖維,後續會更換為t1100,而bole助推器的前後端頭仍然採用鋼結構,因為nasa希望能夠保證一定的餘量。bole通過優化葯形以減小火箭的最大動壓,優化氣動條件等,還重新設計了分離機構並修改了助推分離方向等。

此外,bole還使用電液伺服取代了rsrmv的液壓伺服,以減少質量和複雜度。更大的推力將bole的噴管直徑從rsrmv的3.9米提高至4.4米,諾斯洛普·格魯曼公司為此開發了由棕色玻璃酚醛複合材料製成的噴管。

此次試驗是bole兩次地面試驗之一,諾斯洛普·格魯曼公司專門將固體推進劑的溫度降低至15攝氏度,以評估在環境條件下的響應,後續試驗還將評估bole在冷熱環境下的性能。

bole的分離方向將更類似「大力神-4」

諾斯羅普·格魯曼公司推進系統副總裁吉姆·卡爾貝勒表示:「今天的測試突破了大型固體火箭發動機設計的極限,以滿足嚴格的性能要求。雖然發動機在嚴苛的燃燒環境下表現良好,但我們在兩分多鐘的燃燒即將結束時觀察到了異常。作為一種全新設計,也是迄今為止建造的最大分段式固體火箭助推器,此次測試為我們提供了寶貴的數據,以便我們在未來的設計中不斷迭代改進。」

2024年上半年推出的第一段bole助推器

然而,這並不是該類固體火箭發動機的首次異常。

2019年5月29日,諾斯洛普·格魯曼公司研製以競標「國家安全太空發射」的omega運載火箭中型構型一級火箭castor-600固體火箭發動機進行了地面試驗,在接近發動機關機時也出現了噴管破裂剝落的現象。原因來自於地面試驗和實際飛行環境的不同,固體火箭發動機接近關機的時候推力會迅速下降,噴管內壓力也會隨之降低。隨著castor-600發動機接近關機,噴管壓力迅速降低至小於一個大氣壓,導致外部的大氣壓力向內壓碎了噴管。

在實際飛行過程中,由於關機時火箭已經位於數十公里的高空,外部稀薄的氣壓並不足以壓爆噴管,因此也並不能算是特別大的問題,但諾格還是根據情況進行了改進。2020年的二級castor-300發動機試車中,噴管沒有再發生問題,證明了改進方案的合理性。

omega一級castor-600地面點火實驗

2019年omega火箭一級castor-600試驗後噴管破裂

2020年omega火箭二級castor-300試驗獲得成功

2021年,nasa將bole的合同授予了諾斯洛普·格魯曼公司,由於和omega-i/h的通用核心級(cbs)均採用複合材料殼體,其技術都來自於1980年代nasa開發的「纖維纏繞殼體」(fwc),而為omega火箭研發的新型柔性密封系統、高噴管效率型面、複合材料噴管、電液伺服驅動機構等技術也可以直接用於bole,降低了bole開發的風險。


不過2022年omega火箭被諾格放棄,但bole並未受到太大影響,仍然基於omega開發的技術繼續推進,因此bole似乎也可以視為一種更大號的omega cbs。

在地面試驗場的fwc

omega的電液伺服採用模塊化設計,bole的擁有更大的液壓缸

但bole此次實驗中出現了噴管燒穿-漏火-破裂,而不同於幾年前castor-600因為地面環境原因導致的直接破裂。

而諾斯洛普·格魯曼近期也有一次固體火箭發動機噴管異常,發生在2024年10月聯合發射聯盟「火神-半人馬座」火箭的第二次鑒定飛行(cert-2)中。

「火神-半人馬座」火箭使用諾斯洛普·格魯曼公司研製的gem-63xlt型固體火箭助推器,但在cert-2任務剛起飛後37秒,一側的gem-63xlt噴管就整個破裂並脫落了。雖然得益於一級火箭延長工作8秒補償了問題,但cert-2的這次異常延緩了該火箭拿到太空軍發射認證的節奏。

問題來自於gem-63xlt固體火箭發動機絕緣層的製造缺陷,導致固體火箭後端頭脫落。聯合發射聯盟和諾斯洛普·格魯曼打撈上來了有問題的助推器,查明了是製造缺陷並在2025年2月的點火實驗中糾正了問題。

目前有一些消息指出,bole尾段的損壞相當嚴重,如果「太空發射系統」火箭在發射獵戶座飛船的動力段出現這樣問題的話,會直接觸發飛行終止系統。

cert-2任務中崩落的gem-63xlt噴管

不過這次問題雖然不小,但並不會影響美國「重返月球」的計劃,主要還是因為「太空發射系統」的產量太低了。波音只能維持每2年交付1枚「太空發射系統」的速度,因此執行「阿爾忒彌斯-4」任務的首枚block 1b型火箭就要到2028年以後了,等打完8枚block 1/1b後都要2040年了。目前,第二次「太空發射系統」發射「阿爾忒彌斯-2」的載人繞月任務,瞄準2026年2月且進度符合預期。

另外還需要指出的一點是,儘管特朗普的管理和預算辦公室(omb)主任、環保陰謀論者拉塞爾·沃特搞了一個徹底取消「太空發射系統」和「門戶」月球軌道空間站的預算案,但「太空發射系統」這一所謂百萬漕工的項目如果下馬,相當於阿拉巴馬等幾個選區上億元的直接政治自殺,因此目前來看這玩意也不太可能會下馬。

重返月球的計劃中不急著用bole,但在安全生產月的另一個事故,可能就更要命一點了。

稍早一些之前的美國當地時間中部夏令時6月18日23:01:55,在太空探索技術公司位於博卡奇卡的「星城」研發基地梅西試驗場,準備進行6台發動機靜態點火的「星船」36號飛船(後稱sn-36)突然發生特大爆炸,摧毀了已經完成加註的36號飛船,並且在發射場引燃了大火。

後續我們還可以看到,另外1次以上的爆炸,可以認為此次試驗不僅摧毀了36號飛船,還破壞了部分梅西「星船」試驗場的地面設施,甚至算是整個「星船-超重」超重型運載火箭研發史上最大規模的一次地面事故。

由於「星船」飛船將作為支持「阿爾忒彌斯-3」任務的hls載人月球著陸器的基礎和關鍵部分,「星船」飛船的任何耽誤都可能會影響到重返月球的進度表,更不用說該飛船已經遭遇了超過半年的延遲。

「星船」sn-36飛船在梅西試驗場爆炸

爆炸發生時,sn-36已經完成了靜態點火用推進劑的加註,可能準備開始對增壓氣瓶進行加壓。根據nsf發布的一些視頻,sn-36首先是載荷艙頂部發生了崩落,有大量氣體噴出,隨後載荷艙底部的再生冷卻隔熱裝置處發生解體,隨後sn-36甲烷貯箱在1秒內就爆炸了,爆炸時還能看見底部的液氧貯箱還保持完整。

甲烷貯箱爆炸13秒後,液氧貯箱也隨之爆炸,巨大的爆炸徹底摧毀了整艘飛船,可以看到一個長條的碳纖維壓力容器被炸到空中。液氧貯箱爆炸後約30秒,左側出現了一個稍小的火球,可能是地面設施被點燃了。大火燃燒了超過一個小時才被撲滅。

此次爆炸應該是位於sn-36頭部的氣瓶故障導致的,那地方有很多常溫氣瓶。馬斯克後續稱是一部常溫工況下的氮氣高壓氣瓶失效,並且將其稱為一個「小問題」。

爆炸後的梅西試驗場

雖然看起來是一個質量問題,不過根據後續曝光的一些畫面來說,有可能是採用的新技術出現了問題。

後續發現的碎片中,出現了多個luxfer的g-stor™go碳纖維纏繞氣瓶,看起來內膽似乎是聚醯胺。相比傳統採用鋁合金或者鈦合金作為內膽的iii型複合材料氣瓶來說,採用複合材料內膽的iv型氣瓶能夠將質量減少至一半以下。

對於目前處於質量超標狀態的「星船-超重」超重型運載火箭來說,減重是亟須的,但不鏽鋼罐子又不太好減,因此太空探索技術公司選擇將這種氣瓶直接投入飛行,並且以他們的習慣很可能給的餘量比一般應用要低。高情商一點來說也算是足夠自信,但是不是這種所謂的「膽大妄為」導致了sn-36的破壞,只能說有一定可能,但現在還不能下定論。

被拍到的一個複合材料氣瓶,其規整的裂口似乎表明可能它就是罪魁禍首

此次爆炸的sn-36飛船,是第四艘v2狀態的「星船」飛船。相比v1狀態,v2加大了飛船可裝填的推進劑量,新增可以用於部署「星鏈」v3衛星的載荷艙,還重新設計了用於著陸點火的頭部貯箱(被稱為header tank)。相比於幾乎沒有可用運力的v1版,v2版可能擁有50噸運力,用於部署星鏈衛星。此外,v2版「星船」還將用於驗證回收等相關技術,是邁向用於登月和在軌加註的「星船」v3飛船的重要試驗和過渡。


但是,v2狀態的「星船」飛船的開發非常不順利,已經耽擱了超過半年。其首艘飛船sn-33作為ift-7的一部分,於2025年1月發射升空,但在飛行至7分39秒後開始出現故障,並於8分26秒後徹底丟失了數據。

殘骸最終在加勒比群島、波多黎各和英屬維爾京群島上空墜落,但殘骸墜落點超出了安全範圍限制,且導致這些地區航空運行中斷超過一小時,因此導致了停飛檢查。此次異常的原因是sn-33飛行中產生的振動強度遠超預期,導致甲烷泄露量超過防火設備吹除的能力,進而引發sn-33發動機艙火災。

ift-8試驗中的sn-34飛船飛行至8分04秒時,一台海平面型「猛禽2」發動機爆炸,並且迅速炸掉了周圍的兩台海平面型和1台真空型「猛禽2」發動機,這直接導致sn-34飛船開始翻滾,最終飛船被飛行終止系統摧毀。

sn-34雖然和sn-33在類似時間出現問題,但sn-33的共振問題已經在sn-34上得以解決,sn-34的問題來自於其「猛禽2」發動機接頭泄露導致推進劑混合併引發爆炸。相關問題已經通過修改接頭預應力、新增氮氣吹掃和優化推進劑管理得以解決。

疑似太空探索技術公司內部泄露的「星船」sn-34異常畫面,但也有說是ai圖

不過,兩次徹底的失敗帶來了一些擔憂,太空探索技術公司內部有消息指出,「星船」v2的設計存在根本性問題,需要報廢當時已經完工的sn-35飛船,並且重建sn-36的尾端部分。而馬斯克堅決不允許報廢sn-35,因此工程師們提出了一些替代方法,包括通過調整「猛禽」發動機轉速以減少共振等方式。此外,一些工程師表示當前的梅西試驗場無法進行「星船」的全程試車,而擁有9台發動機的v3版「星船」就更加無法進行全程試驗了。

最終,sn-35飛船作為ift-9的部分發射升空。這次上升段沒有發生爆炸,但似乎在上升段器件尾艙有輕微泄露,並且真空猛禽發動機可能還有一點燒蝕。進入滑行段後,sn-35的尾段開始大量噴涌氣體,並且很快就失去了姿態控制,最終翻滾著沖入了印度洋上空的大氣,化作了一團流星。

sn-35的失控是推進劑泄露導致的,但關於如何泄露還沒有一個定論,一部分消息指出一種可能的原因是ift-9通過堵住了部分熱分離環介面,以將「超重」推進器定向轉向,這可能在分離的時候增加了sn-35尾部的壓力,並且導致管路泄露。

sn-35疑似出現的輕微泄露

「星船-超重」超重型運載火箭的開發已經被四次異常的「星船」v2影響,並推遲了接近1年。雖然太空探索技術公司考慮了「星船」飛船在梅西試驗場爆炸導致的影響,並且早就制定了在2個月內搶修並恢復運行的預案。

6月28日晚間,用於吊運「星船」飛船的支架已經降到軌道發射台-a的底部,這表明太空探索技術公司正在嘗試用主發射台搭建一個臨時試驗台,以進行「星船」飛船的靜態點火試驗。

其它的一些問題,比如是使用目前還剩的2艘v2型「星船」飛船完成ift-10和ift-11試驗,進行多圈滑行和塔接試驗,還是直接轉向裝備了「猛禽3」的v3型「星船」sn-39?目前倒是還沒有一個定論。

當地時間6月27日夜間,olm-a的支架降低至接近地面

隨著之前馬斯克跑去華盛頓建政,「星城」工地的管理似乎也出現了問題。前段時間在reddit上有工程師透露,「星城」的員工出現了偷竊隔熱瓦拿去賣錢和在「星船」飛船里所謂「戲謔性」的上廁所行為。而這種4次完全不同問題的異常,也完全不像是這一坐擁世界最強運載火箭技術公司的正常水平。

因此,筆者認為,美國登月的短板很可能已經從「太空發射系統」變成了「星船-超重」。鑒於現在已經是2025年中旬了,而「阿爾忒彌斯-3」登月安排在2027年,在此之前需要驗證在軌滑行、著陸、在軌加註、快速復用和大規模周轉、以及著陸演練。如果後續一切順利的話,問題還不那麼大,但如果再出點什麼幺蛾子的話就不好說了。而近兩個月內馬斯克的失勢是否會帶來額外的非技術變數,也是值得注意的。

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