为何星舰再次试飞未能成功?美国航天作家剖析成就因素

【编者按】SpaceX星舰二次试飞后,出现了一些严厉的“判决”:埃隆·马斯克和他的SpaceX又失败了。一级超重助推器确实爆炸了,二级星舰飞船也失联了。但星舰真的失败了吗?

11月21日,美国资深航天新闻编辑、《Liftoff(升空)》一书的作者、气象学家埃里克·伯杰(Eric Berger)发表《抱歉,怀疑者:星舰试飞实际上非常成功》一文称,星舰二次试飞与美国国家航空航天局(NASA)首飞的太空发射系统(SLS) 火箭一样成功。

伯杰认为,用“失败”和“爆炸”这样的字眼来形容星舰二次试飞是“准确”的,但这种偷懒的做法完全没有抓住重点。拿二次试飞中的热分离来说,这是世界级的工程技术,并且是SpaceX在疯狂压缩的时间段内完成的。

“航空航天业内有两种人:检查员和实干家。检查员参加会议,撰写报告和分析。他们扮演着重要的角色,但有时也是进步的祸根。”文章写道,自阿波罗计划的辉煌时期以来,NASA已逐渐成为一个充斥着检查员而非实干家的机构,总体精神就是 “不允许失败”。SpaceX的神奇之处在于,这里充满了实干家,而检查员相对较少,即使SpaceX已经成立了20多年。

相比长年累月的分析、开会,以及更多的分析,SpaceX通过试飞找出缺陷,快速改进与迭代,以更快的速度、更便宜的价格造出更好的火箭。它在几个月时间里造出了二次试飞的星舰,价格大约是NASA太空发射系统的1/100到1/10,另外还有6枚火箭等待进入太空。马斯克11月20日表示,星舰第三次飞行的硬件3-4周内准备好飞行。

而这一切的前提是能够承受失败,如果能在被视为失败的流言中幸存下来,就会更快、更便宜,比其他选择更好。

以下是这篇文章的全文:

当地时间2023年11月18日,美国得克萨斯州,美国太空探索技术公司的“星舰”火箭二次试飞发射升空。 本文图片均来自IC

星舰发射是一件很有说服力的事。升空后,你很快就会发现谁懂火箭生意,谁是毫无头绪的旁观者。

周六早上,我还没离开南帕德雷岛的发射观察区,新闻标题就开始充斥着我的推送页面。《华尔街日报》的标题是“SpaceX星舰第二次试飞再次以爆炸告终。”彭博社的语气则更加阴沉,“SpaceX星舰和超重助推器发射并失败。”也许,编辑们在与他们的记者协商后更改了这些网络标题,而后报道本身也更好地反映了现实。尽管如此,大部分媒体对这次发射的报道都给出了严厉判决:埃隆·马斯克和SpaceX的又一次失败。

我认为是的。星舰的第一级超重助推器确实爆炸了。第二级星舰飞船也发生了故障,导致其飞行终止系统——飞行器携带炸药以防飞行器偏离航道——引爆。但在这样一次实验性的、挑战极限的试飞中,这也是意料之中的。

用“失败”和“爆炸”这样的字眼,就有点像在一篇关于2001年世界职业棒球大赛的新闻报道中加上“德里克·杰特(Derek Jeter )被三振出局”这样的标题,而在那场比赛中,他后来打出了离场本垒打。这样写是准确的,但这种偷懒的做法完全没有抓住重点。

星舰发射现场。

快速重建地面系统

以下是SpaceX周六(北京时间11月18日,下同)上午在得克萨斯州最南端的一个狭窄半岛上二次发射星舰实际完成的任务。

星舰4月首飞时,严重破坏了发射台和周围基础设施。在SpaceX创始人埃隆·马斯克的指示下,SpaceX曾试图确定,在没有先进的声音抑制系统来减轻发射台损坏的情况下,能否顺利发射这枚大火箭。事实证明,这是不可能的。首次发射星舰时,发射场被炸得粉碎,混凝土块飞到了几英里外。

马斯克和SpaceX吸取了教训,重新设计并重建了发射台,安装了先进的水基声音抑制系统。到8月,也就是短短4个月后,他们不仅建成了这一套复杂系统,还对其进行了测试。所有这些改变使得发射台更加坚固耐用,在周六的火箭升空过程中基本毫发无损。

之后,我和菲利普·伦奇(Phillip Rench)交流,他是一名工程师,曾在 SpaceX工作过五年,并一度负责管理SpaceX位于得克萨斯州博卡奇卡海滩附近的星际基地(Starbase)设施。在周六星舰发射时,他对地面支持系统的重建速度和地面系统的顺利运作印象深刻。

“我想到了一件事,可能大多数人都没有注意到,博卡奇卡的夏末秋初非常炎热潮湿。”他说,“刚刚重建了轨道发射台、喷水系统,团队在一年中最炎热、最糟糕的时候完成这项工作。我记得八九月在发射台工作时,几乎每天都有轻微的中暑反应。在过去的七个月里,这些技术人员、焊工和工程师们在现场完成了这一任务,我向他们表示敬意。”

星舰飞往太空。

火箭的快速改造

SpaceX的工程师们还迅速重新设计了第一级超重助推器,以解决猛禽发动机在首次飞行中多次出现故障的问题。在周六发射时,33台猛禽发动机全程点燃,在飞往太空的途中没有出现故障。

此外,工程师们还收集了火箭 “热分离环”这个全新部件的数据,它位于一级超重助推器的顶部和二级星舰飞船的下方,目的是促进热分离。热分离是飞行过程中一种难度很高的操作,发生在级间分离过程中,在一级超重助推器完成燃烧之前,二级星舰飞船发动机要提前点火。地面跟踪摄像机捕捉到了这一动作,令人叹为观止。

要知道,首次星舰发射距今还不到七个月。在那之后的时间里,SpaceX在马斯克的指导下,为了提高星舰的能力,实施了这一激进的工程变革。这并非小事一桩。二级星舰飞船仍然连接在一级助推器上,二级发动机在点火后,在巨大的超重助推器顶部喷射,向上推进。这太疯狂了,但很奏效。

虽然我们还不知道具体细节,但二级星舰飞船成功完成了热分离,脱离了超重助推器。如果你没有对此感到印象深刻,那你应该留意这点。这是世界级的工程技术,在疯狂压缩的时间段内完成。

民众观看星舰发射。

当然也出了一些差错

对SpaceX来说,也许最关键的是,在这次飞行中,超重助推器似乎进行了一次名义上的飞行。在和二级星舰飞船分离后,一级超重助推器完成了它的繁重工作。如果这是一次普通的一次性发射,火箭就会坠入海里。

当然,这不是一次普通的发射。SpaceX打算让星舰完全可重复使用,这就意味着要同时回收助推器和上面级。根据SpaceX的说法,超重助推器启动了 “助推返回”燃烧,目的是让火箭减速。这需要点燃33台发动机中的一部分,类似于猎鹰9号火箭在大气层顶端的情况。然而在这之后,事情就变了。

也许是一级助推器的上半部分被热分离损坏得太严重,可以理解的是,二级星舰飞船的发动机点火灼伤了下面的火箭。也有可能是超重推进器内部的燃料箱压力出现了问题,因为推进剂已经所剩无几,要把剩余的燃料和氧化剂转移到发动机上具有挑战性。

无论如何,超重助推器爆炸得非常壮观。那么,这是一次失败吗?并不。SpaceX刚刚发射了世界上有史以来最大的火箭,这是一个主要由私人资金建造的飞行巨物。如果是世界上几乎任何其他火箭,它都会被判定为完全成功,因为第一级火箭是要处理掉的。但由于SpaceX采取了下一步行动,进行了回收实验,完成主要任务后一级火箭的损失被一些观察者视为失败。我很抱歉这么说,但这实在是太愚蠢了。

民众观看星舰发射。

但与NASA火箭相比,算是失败了

一年前,NASA首次进行太空发射系统(SLS)火箭试飞。经过十年研发和数百亿美元的投入,这枚大火箭首次亮相时,除了发射场受到一些损坏外,其他方面都完美无瑕。这是一次巨大的成功,但NASA确实别无选择。它在发射前七年就开始制造火箭部件,航天局的总体精神就是 “不允许失败”。

SpaceX在几个月时间里制造出了周六发射的星舰飞船和超重助推器,价格大约是NASA太空发射系统的1/100到1/10。由于可以快速低成本地制造星舰,SpaceX还有6枚处于不同工作阶段的火箭,等待进入太空。由于采用了这种迭代设计方法——通过飞行找出缺陷,并迅速将这些改动融入新硬件——SpaceX可以承受失败。这就是关键所在。通过飞行测试,SpaceX可以迅速确定火箭哪些部分需要修改。而另一种选择则是长年累月的分析、会议,以及更多的分析。迭代设计速度更快,成本更低——前提是你能承受失败。

在某些方面,星舰二次试飞与NASA的SLS火箭一样成功。2022年11月执行阿尔忒弥斯一号任务时,SLS试飞使用了核心级、侧装助推器和临时低温推进级,核心级表现出色,将猎户座飞船送入轨道,执行了名义任务。

虽然核心级是新硬件,但上面级临时低温推进级是德尔塔(Delta )火箭上面级一个(非常非常轻微的)修改版本,已经飞行了1/4个世纪。换句话说,SLS火箭的核心级和超重助推器现在都完成了一次成功发射。如果SpaceX在超重助推器上安装了临时低温推进级和猎户座飞船硬件,就可以在周六到达月球。

这就是迭代设计的力量——如果你能在被视为失败的流言中幸存下来,它就会更快、更便宜,而且通常比其他选择更好。

星舰飞往太空。

SpaceX还有大量工作要做

我敢肯定,大多数非太空人并不真正了解星舰的理想。没关系,因为这确实没有先例可循。是的,半个世纪前,NASA通过阿波罗计划登上了月球,那确实很棒。但当时的资金投入接近美国联邦预算的5%,员工人数约为40万人。如今,这些资源完全不在讨论范围之内。

此外,让宇航员登上月球的每一件阿波罗硬件都再也没有被使用过。土星五号大型火箭的部件坠入海洋或被抛入深空。阿波罗飞船坠入大海,最终被博物馆收藏。

SpaceX希望通过星舰建造一个比阿波罗任务的火箭更大、更强的完全可重复利用的发射系统。SpaceX希望在月球上着陆数百吨货物,而不是像阿波罗那样的15 吨。从物理学和资金角度来看,SpaceX要做的事极具挑战,而这项工作才刚刚开始。

除了简单将星舰送入太空,它还必须成为轨道飞行器,助推器和飞船都必须能够可靠地着陆。然后,SpaceX必须学会如何快速翻新火箭(这似乎是可能的,因为SpaceX目前已经着陆了230枚猎鹰9号火箭)。SpaceX还必须展示并掌握在轨道上转移和储存推进剂的挑战,以便星舰能够在月球和火星任务中补充燃料。星舰还必须证明,它能在远离地球地面系统的太空真空环境中,在月球表面可靠地点燃猛禽发动机。

但第一步往往是最难的一步。对SpaceX来说,让星舰飞行以收集数据是关键一步。现在,SpaceX已经展示了从得克萨斯州南部安全发射星舰的能力,监管程序应该会放宽,从而允许更高的飞行率,获得更多的数据,并开始解决前面提到的所有挑战。高飞行效率能解决很多问题,而随着周六的试飞,SpaceX即将做到这一点。

民众观看星舰发射。

我们应该为埃隆·马斯克的公司欢呼吗?

毫无疑问,本周末很多媒体的沮丧是出于对马斯克的反感。这家伙是个骗子,对吧?他的公司是个骗局,对吗?我只能问问SpaceX,但马斯克绝对不是骗子。当然,他也有缺点。他的一些政治主张和公开言论让很多人深感不安。但这个家伙创立了SpaceX,也是推动公司前进的重要力量。他有愚蠢的想法,也有绝妙的想法。但最重要的是,他把事情做好了。

在航空航天业内基本上有两种人:检查员和实干家。检查员参加会议,撰写报告,进行分析。当然,他们扮演着重要的角色。太空飞行是复杂、艰难和有风险的,为了谨慎,工作中需要多一双眼睛。但检查员也是进步的祸根。

自阿波罗计划的辉煌时期以来,NASA已逐渐成为一个充斥着检查员而非实干家的机构。这是官僚化进程的一部分,如今,NASA管理着一大批传统和新兴的太空承包商,这并不是一个糟糕的地方。然而,对于一家太空公司来说,这是一个糟糕的地方。SpaceX的神奇之处在于,这里充满了实干家,检查员相对较少,即使SpaceX已经成立了20多年。

这种文化由马斯克创造和维持。他是一个敢于挑战、反对官僚主义的领导者。他希望快速行动,打破常规。而他也确实做到了。这些公开的失败以及他最近的言行无疑损害了他的声誉,在某种程度上也损害了SpaceX的声誉。

但如果仅仅因为这个原因,就诋毁本周末在得克萨斯州展示的火箭科学,那就错了。明智的做法是将其视为实现惊人成就道路上的关键一步,它有可能开启我们迄今为止只能梦想的太空飞行的未来。聪明的做法是为那些正在实干的人喝彩。