在經歷首飛推遲之後,星艦系統將於北京時間4月20日21:28至22:30進行下一次入軌首飛嘗試。作為一型具有開創意義的重型運載火箭,星艦系統在很多方面引領了世界運載火箭的發展,比如在回收復用上已經做到了極致。
世界航天史上第一型全復用運載火箭
作為商業航天企業,太空探索技術集團公司(spacex)成立之初就以低成本發射為目標,實現的最主要途徑是做到運載火箭的多次回收復用。目前,太空探索公司「獵鷹」系列火箭「獵鷹九號」和「重型獵鷹」芯一級、芯級助推器、整流罩都已經實現了回收復用,成為世界第一個實現重複使用的運載火箭系列,但是「獵鷹」芯二級還是一次性的消耗品,所以現役「獵鷹」系列火箭只能稱為部分重複使用運載火箭。
為了進一步降低單位發射成本,到了星艦系統,太空探索公司進行了較為徹底的回收復用設計。星艦系統採用兩級串聯構型,芯一級被稱為「超級重型」(super heavy),芯二級被稱為「星艦」(starship),廣義上的「星艦」指的是星艦系統,狹義上的「星艦」指的就是火箭芯二級。在實際飛行過程中,芯一級每次任務後都會返回發射場,使用四個不鏽鋼柵格舵控制姿態、落點,最終使用發射場的夾持裝置(mechazilla)夾住柵格舵完成回收。與「獵鷹」芯一級不同的是,星艦系統芯一級在兩次發射之間僅需較少的維護甚至不需要維護。
此前,「獵鷹」火箭之所以沒有實現芯二級(末級)回收復用,主要礙於回收難度和回收成本,而「星艦」系統則突破了二級回收的技術障礙。對於星艦系統二級而言,回收的主要難度在於如何應對重返大氣層的燒蝕作用,二級在表面覆蓋隔熱瓦。在再入大氣層時,二級有隔熱瓦覆蓋的一面向前再入,並保持腹部朝下。與太空梭的隔熱瓦不同,星艦的隔熱瓦規格較為統一。雖然星艦隔熱瓦不是一次性的,但卻是消耗性的,可能是星艦系統重複使用過程中唯一需要更換的部件。
把重複使用做到極致
在傳統的火箭設計中,末級頂端是儀器艙,儀器艙上覆蓋載荷艙,載荷艙上安裝有效載荷支架,最後在載荷艙與衛星組合體外面的是整流罩。而星艦系統二級是一個不同尋常的二級,它將傳統的整流罩與二級合為一體。在發射過程中,無需拋棄整流罩,僅需打開整流罩完成衛星釋放工作,然後使整流罩歸位,最後將整流罩與二級一併實現回收復用,簡化了回收工作,降低了發射成本。
「獵鷹」系列火箭開啟的是世界運載火箭重複使用的大門,引領了世界運載火箭重複使用的趨勢。而星艦系統則是在「獵鷹」火箭實踐的基礎上向前邁進了一大步,將實現芯一級、芯二級、整流罩全要素回收復用,是世界第一型完全可重複使用的運載火箭。
按照目前的規劃,星艦系統分為測試版星艦(原型機)、登月版星艦等多個版本。當前首飛使用的就是測試版星艦,已建造(或測試)超過24台;登月版星艦為「阿爾特彌斯」計劃載人登陸系統(human landing system,hls)所使用,2025年將被「阿爾特彌斯3號」任務用於環月軌道至月表的往返。
作為客貨兩用的運載火箭,在載人之前,星艦系統可能需要經歷上百次的飛行,以不斷發現問題並解決問題,通過「小步快跑、快速迭代」的方式,使星艦系統成為足夠可靠、足夠成熟、足夠安全的運載火箭,為大規模的太空開發提供值得信賴的運載工具。
作者:大白高國