在经历首飞推迟之后,星舰系统将于北京时间4月20日21:28至22:30进行下一次入轨首飞尝试。作为一型具有开创意义的重型运载火箭,星舰系统在很多方面引领了世界运载火箭的发展,比如在回收复用上已经做到了极致。
世界航天史上第一型全复用运载火箭
作为商业航天企业,太空探索技术集团公司(spacex)成立之初就以低成本发射为目标,实现的最主要途径是做到运载火箭的多次回收复用。目前,太空探索公司“猎鹰”系列火箭“猎鹰九号”和“重型猎鹰”芯一级、芯级助推器、整流罩都已经实现了回收复用,成为世界第一个实现重复使用的运载火箭系列,但是“猎鹰”芯二级还是一次性的消耗品,所以现役“猎鹰”系列火箭只能称为部分重复使用运载火箭。
为了进一步降低单位发射成本,到了星舰系统,太空探索公司进行了较为彻底的回收复用设计。星舰系统采用两级串联构型,芯一级被称为“超级重型”(super heavy),芯二级被称为“星舰”(starship),广义上的“星舰”指的是星舰系统,狭义上的“星舰”指的就是火箭芯二级。在实际飞行过程中,芯一级每次任务后都会返回发射场,使用四个不锈钢栅格舵控制姿态、落点,最终使用发射场的夹持装置(mechazilla)夹住栅格舵完成回收。与“猎鹰”芯一级不同的是,星舰系统芯一级在两次发射之间仅需较少的维护甚至不需要维护。
此前,“猎鹰”火箭之所以没有实现芯二级(末级)回收复用,主要碍于回收难度和回收成本,而“星舰”系统则突破了二级回收的技术障碍。对于星舰系统二级而言,回收的主要难度在于如何应对重返大气层的烧蚀作用,二级在表面覆盖隔热瓦。在再入大气层时,二级有隔热瓦覆盖的一面向前再入,并保持腹部朝下。与航天飞机的隔热瓦不同,星舰的隔热瓦规格较为统一。虽然星舰隔热瓦不是一次性的,但却是消耗性的,可能是星舰系统重复使用过程中唯一需要更换的部件。
把重复使用做到极致
在传统的火箭设计中,末级顶端是仪器舱,仪器舱上覆盖载荷舱,载荷舱上安装有效载荷支架,最后在载荷舱与卫星组合体外面的是整流罩。而星舰系统二级是一个不同寻常的二级,它将传统的整流罩与二级合为一体。在发射过程中,无需抛弃整流罩,仅需打开整流罩完成卫星释放工作,然后使整流罩归位,最后将整流罩与二级一并实现回收复用,简化了回收工作,降低了发射成本。
“猎鹰”系列火箭开启的是世界运载火箭重复使用的大门,引领了世界运载火箭重复使用的趋势。而星舰系统则是在“猎鹰”火箭实践的基础上向前迈进了一大步,将实现芯一级、芯二级、整流罩全要素回收复用,是世界第一型完全可重复使用的运载火箭。
按照目前的规划,星舰系统分为测试版星舰(原型机)、登月版星舰等多个版本。当前首飞使用的就是测试版星舰,已建造(或测试)超过24台;登月版星舰为“阿尔特弥斯”计划载人登陆系统(human landing system,hls)所使用,2025年将被“阿尔特弥斯3号”任务用于环月轨道至月表的往返。
作为客货两用的运载火箭,在载人之前,星舰系统可能需要经历上百次的飞行,以不断发现问题并解决问题,通过“小步快跑、快速迭代”的方式,使星舰系统成为足够可靠、足够成熟、足够安全的运载火箭,为大规模的太空开发提供值得信赖的运载工具。
作者:大白高国