美国商业航天公司“太空探索”的星舰完成了第三次飞行,成功进入预定轨道。不过第一级、飞船未能实现返回复用,试验取得部分成功。很多人都对这次直播质量感到惊讶,一方面直播全程高清,说明信息传输带宽很高;另一方面,火箭高速坠入大气层,剧烈摩擦产生等离子体的过程也被清晰记录和直播到地面。我们都知道,黑障是等离子层,可以强烈影响甚至是屏蔽无线电信号,那星舰是怎样把这些数据传输到地面的?这种技术水平如何?

(星舰第三次发射,可以看到33台发动机全部启动,场面壮观)

星舰是在太空探索公司研制新一代重型运载火箭,主要面向月球及其他行星探索用途,另外也可以用于地球轨道重载发射任务。星舰长度为121米,直径为9米,发射重量为5000吨,它是有史以来最大的运载火箭。

太空探索公司认为重型运载火箭最大的问题就是成本太高,导致发射费用高昂。因此他们研制星舰的时候,以降低成本和费用作为首要指标来抓,采取一系列措施,包括第一级采用33台发动机,避免研制昂贵的巨型发动机。材料由不锈钢制成,而不是复杂的碳纤维。第一级和飞船能够复用,进一步降低成本。

(星舰第一次发射,发动机没有全部启动)

太空探索公司为了加快研制进度,采取了渐进和迭代的方法。也就是说通过不断的试飞测试,来寻找星舰存在的问题和缺陷,然后下一次试验进行完善,哪怕知道飞船不成熟,也照样发射,甚至发射前就不抱太大希望。简单来说,就是靠粗暴的实战化烧钱,去快速测试技术与发现隐患,以金钱换时间、换进度。

星舰第一次发射在2023年4月,点火时就出现了问题,33台发动机有3台没有工作,发射台直接当场被吹碎,飞行中途又有数台发动机出现故障。2023年11月,星舰经过完善和升级之后进行了第二次试验,此次试验第一级工作正常,成功实现级间热分离,但是第二级飞行末段出现液氧泄露,导致失败。

(第二次发射试验成功实现级间分离)

在经过进一步改进和完善之后,星舰又进行了第三次发射试验。此次试验比第二次又有明显的进步。首先第一、二级均工作正常,星舰成功进入预定轨道。这对于星舰来说是一个里程碑似的成就。星舰进入轨道之后还进行了多项试验,包括推进剂在轨加注试验。

推进剂在轨加注试验是月球探索和行星探索关键技术之一,这个技术可以分别发射加油飞船与探月飞船,在地球轨道上二次加油。探月飞船就不必一次携带超级多的燃料上天,大幅降低了难度。由于飞船都是可回收的,让燃料上天的成本很低,这种做法才有价值,甚至可以发射几艘加油船,去专门保障一艘探月飞船的供油,给飞船整个加满飞去火星都不成问题。

太空加油技术还可以提高航天器在轨寿命,增强提高月球、行星乃至深空探测能力。当然在失重和极端恶劣的太空环境下,航天器太空加油难度很大,别说加注易燃易爆的危险燃料,就是航天员平常喝口水都不方便。因此,星舰三号也只是进行了星舰内部燃料的转移,不是真正的太空加油,预计在后续飞行任务可能会进行这项试验。

(星舰进行太空加油想象图)

星舰还验证了另外一个技术,那就是黑障通信技术,也是很多人最为关注的方面。当航天器返回大气层的时候,由于空气摩擦,表面温度会迅速升高,从而在航天器表面形成一层等离子体。而等离子体可以吸收电磁,这样航天器与地面就无法通信,造成黑障效应。

太空探索公司在星舰三号上面,配备了新开发的黑障通信系统。要说多先进,其实也没那么玄乎,就是借助了星舰膀大腰圆的优势,把通信天线安放在航天背面,相当于背阴处,这里等离子体比较薄弱,黑障效应相对较低。但是这带来另一个问题,就是波束方向也要背对地面,地面无法直接接收。于是太空探索公司将星链充分利用了起来,用于通信中继,像镜子一样接收反射信号,将高清直播画面转发给地面。此次发射我们能够看到星舰传递出来的清晰画面,这个黑障通信系统功不可没。

看到这里我们会发现,这个技术需要2个硬件条件,一个是航天器尺寸较大,让等离子鞘无法全部包裹,另一个是要有卫星跟踪中继信号,倒不一定必须是星链这种密度的星座。目前我国可以做到第二点,天宫也经常直播,绕地球数圈信号都非常稳定,靠的就是中继卫星。至于大型可复用航天器,最新的长征9号设计方案与星船差不多,也完全可以实现黑障直播,相信那一天也不会太远。近几十年中国装备发展,总结出来就是一句话:国外有的先进技术装备,我们也能造的出来。

(星舰三号成功验证了太空探索公司的黑障通信系统)

当然,尽管星舰三号试验取得了重大进展,但是它距离太空探索公司的期望还是有一定的距离。星船本计划2025年帮助美国再次登月,结果种种问题导致推迟到2027年,即便是这样,太空探索公司的压力也极大,出现了赶进度的现象,星舰在这么短的时候之内进行密集进行测试就是这个原因。

由于星舰很大程度决定着美国载人登月任务的进度和成败,因此星舰在未来可能还会进行快速、密集的测试,以便在2027年之前完成新世纪美国航天首次载人登月任务。

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