【原创文章】“星跳者”:腾飞的“高压锅” 渐进的火星梦

【原载中国航天报,作者为本网站编辑】当地时间8月27日,在SpaceX公司位于德克萨斯州的试验场上,一个形似高压锅的不锈钢大罐子腾空而起,在持续约一分钟的飞行过后,稳稳地落在距离起飞点几十米之外的着陆场上。

这个其貌不扬的,带“腿”的“高压锅”罐子名叫“星跳者”,是SpaceX公司可完全重复使用的重型运载火箭BFR的悬停试验平台,主要用于验证被称为“星舰”的火箭二级相关技术。

“星跳者”安装有一台全流量分级燃烧循环的猛禽发动机,采用9米直径不锈钢共底贮箱,配有3个着陆支腿,还装有从“猎鹰9”上拆下来的两套姿控发动机,可以说是一个“短粗胖”版本的可回收单级火箭。

“星跳者”自2018年末首次曝光后,经过4个月的露天制造后基本成型,又经过了反复的推进剂加注泄放试验和静态点火试验,终于在今年4月3日进行了首次20米悬停试验。由于最初“星跳者”被大家误认为是SpaceX公司在当地修建的水塔,所以当时SpaceX公司创始人马斯克曾自嘲:“看,水塔也能起飞”。

当然,“星跳者”不是为了验证“水塔能飞”这件事,而是验证BFR的各项关键技术,降低BFR研发的风险和技术难度。

说起“星跳者”要验证的技术,首先是9米直径的不锈钢共底贮箱。BFR从2016年首次公开到2018年底,一直都宣称采用碳纤维复合材料贮箱。但公司在2018年末突然宣布,改用近些年并不常见的不锈钢贮箱,并立即报废了曾经用重金购买的复合材料工装。不同于“半人马”上面级的不锈钢气压设计,BFR采用轴压设计,不加注时仍保持结构完整。同时,贮箱还要反复加注泄放过冷甲烷和液氧,这都是之前业内鲜有应用的设计。

此外,由于星舰还要再入大气层,SpaceX公司和美国宇航局的艾姆斯研究中心合作,在星舰表面热流峰值处采用了X-37B翼面前缘曾使用的陶瓷基非烧蚀隔热瓦TUFROC作为防热材料。

为了验证这种隔热瓦的贴敷性能,SpaceX公司还在“星跳者”贮箱外表面和着陆支腿内侧安装了测试用的隔热瓦。大家可不要小看对这“贴瓷片”的验证,由于贴敷技术不成熟,航天飞机在研发初期就曾被隔热瓦大面积脱落的问题长期困扰。

可以说,SpaceX公司在竭尽所能地利用“星跳者”这个看似粗糙简陋的平台,为BFR打下尽可能坚实的基础,其作用类似于猎鹰9火箭的悬停验证机“蚱蜢”。

众所周知,“蚱蜢”曾在两年内进行了8次试飞,试飞高度从1.8米到744米,期间验证了梅林发动机的摆动、变推力和栅格舵姿态控制等关键技术,为后续猎鹰9火箭的成功回收立下了“汗马功劳”。

这次“星跳者”看似笨拙的150米高跳跃测试其实也是BFR研发的重要节点,后续两艘更贴近BFR火箭二级的原型机——星舰Mk1和星舰Mk2将拿起接力棒,开始更高难度的亚轨道试飞。亚轨道试飞完成后,公司还将制造被称之为“超重型助推器”的BFR火箭一级,并与星舰结合为一枚完整的两级运载火箭,经过一系列渐进迭代改进后进行真正的入轨发射。

其中,星舰Mk1正在“星跳者”的同一场地制造,而Mk2则在佛罗里达州的另一个场地制造,公司故意让两支团队同时开工,制造方式略有不同,进度上互相比拼,但都采用了不锈钢露天制造。

目前,这两台星舰进展顺利,但后续仍需安装控制翼面、着陆支架和仪器舱,每台星舰原型需安装3台猛禽发动机,这些发动机正在试车台进行各项测试。

由于种种原因,传统运载火箭在正式入轨发射前都是没有过试飞的。设计人员在漫长的研发进程中,一直都在想方设法用尽可能多的地面试验来模拟实际飞行工况,试图让上天的问题全部暴露在地面并得到解决。但地面终究是地面,谁也无法保证所有问题都能在地面复现。

随着垂直回收技术的实用化和成熟化,BFR的设计过程迥异于传统重型火箭,它进一步引入了软件开发的快速迭代思想,快速地验证-改进-再验证-再改进循环进行,利用不断提升高度的实机悬停和亚轨道试飞不断暴露各种问题,验证各种技术,逐渐逼近最终的实用化运载火箭。如此一来,问题的暴露显著提前,不再需要“毕其功于一役”地将风险集中于首飞。

总之,“星跳者”的成功只是“万里长征第一步”,未来入轨之路依旧道阻且长,而BFR渐进迭代的设计思路到底能否奏效,SpaceX公司的火星蓝图究竟会是“梦想成真”还是“黄粱一梦”?还是让我们拭目以待吧。

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