马斯克的星舰首飞失败，背后都经历了些什么？

本文来自微信公众号：爱范儿（ID：ifanr），作者：张成晨，原文标题：《炸了！马斯克的星舰首飞失败》，头图来自：视觉中国

炸了！

就在刚刚，SpaceX 的星舰首飞失败了！

星舰在空中发生爆炸，未能成功与超重型助推器分离，导致计划外快速拆解。

SpaceX 在 Twitter 回应，好像首飞还不够精彩，团队将继续审查数据，并努力进行下一次试飞。

现场截图

马斯克说过，首次试飞的成功率在 50%，甚至没炸毁发射台就值得庆幸。

不管结果如何，这场发射都是太空探索历史上的重要一章。

今晚的主人公星舰，是 SpaceX 研发的、具备划时代意义的火箭，甚至有“人类最强火箭”之称。

它也承载着马斯克的火星梦想。就在最近，SpaceX 官网发布了星舰飞向火星的模拟视频，展现了星舰发射、加注和到达火星前哨站的场景。

星舰执行火星任务的模拟视频

千呼万唤始出来的星舰首飞，究竟有什么特别之处？

接下来，让我们从几个重要的问题切入，快速了解星舰的过去、现在与未来。

一、为什么是星舰？

2021 年 4 月，SpaceX 打败蓝色起源，赢得了 NASA 近 30 亿美元的登月舱合同。

按照计划，SpaceX 将在 2025 年使用星舰，将阿耳忒弥斯 3 号的宇航员送上月球。

为何它会被 NASA 看中，又被马斯克寄予厚望？

目前最高的运载火箭

整个火箭系统称为星舰（Starship），总高度约 120 米，由两部分组成： 

顶部配备 6 台猛禽发动机的星舰航天器（Starship spacecraft），火箭系统的第二级，高约 50 米；

底部配备 33 台猛禽发动机的超重型助推器（Super Heavy booster），火箭系统的第一级，高约 69 米；

星舰的火箭发射和捕获塔也是世界最高的，高约 146 米。  

目前推力最强的运载火箭

星舰是 SpaceX 倾尽全力研发的下一代重型运载火箭，被称为人类历史上体积最大、推力最强运载火箭。

星舰助推器最多产生 7590 吨推力，是 NASA 土星五号火箭的 2 倍多。

配备 33 个发动机的助推器

向火星梦更进一步的火箭

星舰的使命是将宇航员、货物等有效载荷送入地球轨道、月球、火星以及更远的地方，对 NASA 重返月球的计划也至关重要。

未来，星舰将能够搭载 100 人进行长时间的星际飞行，还将用于卫星传输、开发月球基地和地球上的点对点传输。

星舰在低地球轨道以外的飞行，需要在轨加注技术，但这一技术还有待研发。

可完全重复使用的火箭

星舰是第一个被设计为可完全重复使用的火箭，从而用来降低成本，实现航天飞行商业化。

马斯克认为，这是实现火星移民和其他太空探索所需的关键技术突破。

如果火箭不可复用，那么航空旅行将无法负担，“每次飞行后扔掉价值数百万美元的火箭，就像扔掉一架波音 747 一样”。

如果火箭完全可重复使用，那么每次发射的成本将主要是燃料，星舰的发射成本可能会降至 1000 万美元以下。对于重达 100 公吨的有效载荷来说，每公斤成本不到 100 美元。

模拟视频里，发射台使用特殊机械臂“筷子”捕获助推器

二、星舰首飞时间线

4 月 20 日，也就是今晚，是完全组装的星舰首次试飞的日子。

或许冥冥之中自有安排，420 这个数字和马斯克还有些渊源。2018 年，马斯克提出以每股420 美元的价格将特斯拉私有化，结果惹了很多麻烦。

在科幻小说《银河系漫游指南》中，42 则被视作“生命、宇宙以及任何事情的终极答案”。

首次试飞预计持续 90 分钟

今晚的发射窗口时长 62 分钟，北京时间 21:28 打开、22:30 关闭，期间任何时间都可能尝试发射。预期试飞时间表如下：

其中比较关键的节点是：

• 助推器和航天器在发射后 3 分钟左右分离。

• 助推器在第 8 分钟左右，在受控状态下垂直落入墨西哥湾。

• 航天器则在环绕地球的大部分地区后，重新进入地球大气层，在发射后 1 个半小时，于夏威夷附近硬着陆坠入海中。 

首飞的失败，将时间表再次清零。

4 月 17 日曾取消首飞

因为压力阀冻结，原定在 4 月 17 日的星舰首飞取消，转为“湿彩排”（Wet Dress Rehearsal），流程几乎与正式发射一样，只是最后不点火。

马斯克在当天晚上说，自己学到了很多，先卸下推进剂，过几天再尝试。

在 4 月 16 日晚上的 Twitter Spaces 讨论中，马斯克已经一再预警，对这次发射降低期望值，首飞推迟的可能性很高。

如果我们在出现问题之前离发射台足够远，那么我会认为这是成功的，只是不要炸毁发射台。

‍三、过去为首飞所做的准备

4 月 14 日，美国联邦航空管理局（FAA）向 SpaceX 颁发了星舰发射许可证，许可证有效期为五年。

对于 SpaceX 来说，这是程序上的最后一步，他们为这盏绿灯已经等了一年多。

在最关键的装备上，SpaceX 自然也筹备良久。

大力出奇迹的助推器

SpaceX 对星舰系统第一级的助推器进行了多次测试，包括越来越复杂的静态点火。

今年 2 月的静态点火测试，是首飞前的一个关键节点。

助推器的 33 个发动机有 31 个点火成功，创下火箭发动机同时点火次数最多的历史，因为节流 50%，实际产生 3600 吨推力。

这次试验也说明发动机依然不够可靠。马斯克对此保持乐观，表示推力足够入轨。

靠爆炸开路的原型机

除了助推器，SpaceX 对星舰系统第二级的航天器，也经过了多次亚轨道飞行测试，验证它们能否重新点火、翻转、垂直着陆。

在这个过程里，屡战屡败、屡败屡战，事故、错误和爆炸是常态。

2019 年，SpaceX 对星舰航天器原型进行“跳跃测试”，即将航天器升空一段距离后再在附近降落，飞行高度往往不到 150 米。

2019 年 4 月到 8 月间，它们不断进步，从能够升空，到在 150 米悬停并顺利降落。

跳跃测试

2020 年 12 月到 2021 年 5 月，星舰原型机的一系列亚轨道高空试飞 5 射 4 炸：

• 2020 年 12 月，星舰 SN8 达到约 12.5 公里的目标高度，但落地速度过快导致炸毁。

• 2021 年 2 月，星舰 SN9 没能完成最后的翻身动作，倾斜着砸向地面，又一次炸毁。

• 2021 年 3 月，星舰 SN10 终于实现垂直着陆，但舰体内的结构被撞坏，几分钟后爆炸。

• 2021 年 3 月，星舰 SN11 在大雾里强行起飞，因为一台发动机故障而当空解体。

• 2021 年 5 月，星舰 SN15 神龙摆尾后平稳落地，虽然燃起了小股火焰，但很快就被扑灭。这次，星舰原型机成功实现软着陆。

SN8

这次首飞的“计划外快速拆解”，也在过去一次次地发生。

在一次次爆炸声里，SpaceX 坚持着“从失败中总结经验并快速迭代”的思路。不过，SN8 等星舰原型机主要是用不锈钢制造的，说炸就炸也没那么肉疼了。

爆炸是艺术也是科学，它能够带来有用的一线数据，利于快速改进问题。从事后诸葛亮的角度看，各个版本之间的技术跨度也确实很大。

四、首飞开启的是一个可能的未来

首飞的主要目的

就像上面所提到的多次爆炸，SpaceX 已经使用星舰原型机进行了各种高空试飞，不过仍然停留在地球大气层内。

但这次的首飞，是第一次尝试将星舰送入太空，即地球大气层以外的宇宙空间。

首飞的主要目的是提供测试数据，帮助工程师改进未来的发射，并解决飞行过程中出现的任何问题。

首飞无法做的事情

首飞只是一次初步的尝试，有很多设想无法实践：

• 首飞没有任何有效载荷；

• 星舰在低地球轨道以外的飞行，需要在轨加注技术，但这还只是一项规划；

• 星舰的设计虽然是可完全重复使用的，但这不是首飞的任务，首飞不打算在发射场回收助推器，也不让航天器垂直着陆，而是让它们落入海中。

火星旅程中途需要在轨加注

首飞是否算入轨

首飞是否算入轨也略有争议。

按照原定计划，这次航天器达到了轨道发射要求的速度和高度，但没有绕地飞行一圈以上，只是飞越了大半个地球，构不成真正的轨道飞行，某种意义上可称为轨道级发射。

也有人称之为跨大气层轨道（Transatmospheric Orbit）发射，因为它所进入的轨道属于亚轨道和轨道之间的临界区域。

首飞成功的意义

如果首飞成功，那么就是将人类带到火星等遥远目的地的一个重要里程碑。

不过，只有星舰实现可靠、快速、廉价的可重复使用，才有可能满足载人任务等需求，但这显然还需要多年时间。

SpaceX 的里程碑

SpaceX 在星舰首飞之前，已经在航天史上留下了不少里程碑：

• 猎鹰 1 号：2008 年设计、制造并发射了世界首个由私人投资的轨道级液体燃料火箭猎鹰1号。

• 猎鹰 9 号：2010 年 6 月 4 日，SpaceX 发射了更大、更强大的火箭猎鹰 9 号。

• 龙飞船：2010 年 12 月 8 日，SpaceX 成功发射并回收了 Dragon 空间货运飞船，这是当时世界唯一可重复使用的货运飞船。

• 空间站补给：2012 年 5 月 22 日，SpaceX 成为第一家成功向国际空间站（ISS）运送补给的私营公司。

• 可回收火箭：2015 年 12 月 22 日，SpaceX 首次实现了猎鹰 9 号火箭的垂直着陆，从而为可重复使用的火箭技术迈出了重要的一步。

• 猎鹰重型火箭：2018 年 2 月 6 日，SpaceX 成功发射了当时最强大的火箭——猎鹰重型火箭。

• 载人龙飞船：2020 年 5 月 30 日，SpaceX 成功执行 Demo-2 任务，将 NASA 宇航员送上国际空间站，这是人类史上首次实现商业载人航天发射。

• 星链：自 2019 年开始，SpaceX 开始部署星链 Starlink 卫星网络，并在 2020 年 1 月成为世界上最大的商业卫星运营商。

在首次发射猎鹰重型火箭之前，马斯克预计成功的几率也只有五五开，他在当时说：

来自世界各地的人们，将观看一场伟大的火箭发射，或者他们见过的最好的烟花表演。

上一次，他成功了。这一次的失败，也是意料中的事。

在此之前，马斯克反复强调了这次发射的实验性质，首次试飞的成功率在 50%，不保证顺利，但一定不会无聊。

Success maybe， excitement guaranteed.

这仿佛就是太空探索的一句注脚。人类经常徒劳无功，但仍然热切地在群星之间探索。

毕竟，太空探索本就是一场兼具瑰丽与冷酷的冒险，就像 NASA 在《为什么要探索宇宙》里所说的那样：

我忧心忡忡地看待未来，但仍满怀美好的希望。

本文来自微信公众号：爱范儿（ID：ifanr），作者：张成晨