星际征途:揭秘埃隆·马斯克的SpaceX星舰与火星殖民梦

星际征途:揭秘埃隆·马斯克的SpaceX星舰与火星殖民梦

基本介绍

SpaceX的星舰(Starship),SpaceX成立于2002年,由埃隆·马斯克(Elon Musk)领导的太空探索技术公司(SpaceX)开发,是一个全面重用的太空发射系统。星舰旨在完成多个任务,包括载人登月、火星探索,以及提供快速国际长途运输。星舰由两个主要部分组成:超级重型助推器(Super Heavy)和星舰本体(Starship)。

星舰(Starship)的开发和制造工作在Starbase进行,这是世界上首批为轨道任务设计的商业航天发射场之一。Starbase位于德克萨斯州卡梅隆县,靠近墨西哥湾,是SpaceX在美国运营的四个活跃发射场之一。它是首个为星舰优化的发射场,星舰可以将卫星、有效载荷、船员和货物运送到多种轨道、地球、月球或火星的着陆点。

自2020年以来,SpaceX在Starbase进行了多次星舰的亚轨道测试飞行。这些测试成功演示了一种前所未有的控制飞行方式,在此过程中,飞行器像跳伞运动员一样,通过独立移动两个前翼和两个后翼进行腹部首先的控制空气动力学下降,然后点火引擎并翻转至垂直配置以着陆。

这种飞行方式消除了对翼和尾翼的需求,保护飞行器免受轨道进入时的极端热量影响,并最小化了着陆所需的推进剂。它还使得飞往太阳系内其他没有跑道的目的地的任务成为可能。

所有亚轨道飞行的飞行数据显示,与预测相比,翼翼的运动需求更小,这使得轨道版星舰的翼翼可以比亚轨道飞行器上使用的更小、更轻。

猛禽(Raptor)引擎的重点和翻转操作需要经过几次迭代,在此过程中,团队在翻转操作期间的推进剂管理、与地面和空气动力流的羽流相互作用,以及应急逻辑方面取得了关键进展。尽管失去了一台猛禽引擎和燃料副箱的压力控制,星舰的最终成功着陆仍然实现。

总体而言,亚轨道测试活动在证明星舰上级可以通过进入的亚声速阶段飞行时至关重要,在这一阶段,飞行器的控制性和精确目标定位最具挑战性。在亚轨道测试活动中取得成功后,上级可重用性的下一个重大挑战是在进入的高热高超声速阶段生存下来。结合太空加油,这将实现一个完全可重用的运输系统,设计用于执行长期的、跨行星飞行的载人和货物任务,并帮助人类返回月球、前往火星和更远的地方。

世界上最高的火箭发射和捕捉塔

2021年,SpaceX在Starbase开始建造发射和捕捉塔。塔的高度约为480英尺——世界上最高的发射塔——它设计用于支持发射、飞行器整合和超重型火箭助推器的捕捉。捕捉助推器减少了发射载具的质量,将硬件复杂性转移到地面,并实现了火箭的快速再使用。

塔的两个巨型机器臂将星舰提升并堆叠在超重型上,以便在飞行前进行最终整合。发射后,两级在飞行中分离,超重型将返回发射场,重新点火引擎以减缓速度,然后塔的臂将捕捉火箭助推器,在下一次飞行前将其重新堆叠在轨道发射架上。

构建一个更令人兴奋的未来

与星舰的持续开发和测试同步,Starbase正在建设星舰工厂,目标是每周生产和发射多枚星舰。Starbase直接雇佣了1800多名员工,使其成为该地区最大的雇主,并且SpaceX产生的经济活动支持了卡梅隆县和更大的里奥格兰德谷地区的数千个更多工作岗位。

星舰项目的起源

  • 早期概念:星舰项目(最初称为Mars Colonial Transporter,后更名为Interplanetary Transport System,再后来定名为Starship)最初,该项目被设计为支持人类前往火星和其他太空目的地的可持续太空旅行和居住计划。项目的核心目标是开发一个完全可重复使用的太空运输系统,以显著降低太空旅行的成本和复杂性,从而使火星殖民和其他深空探索任务成为可能。
  • 发展演变:随着技术和设计的不断发展,星舰的概念也逐步扩大,目标变得更加宏伟,包括在月球、火星以及可能的其他太阳系目的地之间进行人员和货物的运输。

星舰概述

  • 设计:SpaceX 的 Starship 航天器和超重型火箭(统称为 Starship)代表了一种完全可重复使用的运输系统,旨在将船员和货物运送到地球轨道、月球、火星及更远的地方。Starship 是世界上迄今为止开发的最强大的运载火箭,能够运载多达 150 公吨的完全可重复使用的运载火箭和 250 公吨的消耗品。
  • 规格数据:高度121 m / 397 英尺、直径9 m / 29.5 英尺、有效负载能力100 – 150 吨(完全可重复使用)

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星舰

  • 设计:星舰是完全可重复使用的航天器,也是星舰系统的第二级。该飞行器有多种不同的配置,提供集成的有效载荷部分,能够将机组人员和货物运送到地球轨道、月球、火星等地。星舰还能够在地球上进行点对点运输,能够在一小时或更短的时间内到达世界任何地方。
  • 规格数据:高度50 m / 165 英尺、直径9 m / 29.5 英尺、推进剂容量1,200 吨/2.6 毫升、推力1,500 吨/3.3 兆磅、有效负载能力100 – 150 吨

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超重(Super Heavy)

  • 设计:超级重型是星舰发射系统的第一级或助推器。超重火箭由 33 个使用过冷液态甲烷 (CH 4 ) 和液氧 (LOX) 的猛禽发动机提供动力,完全可重复使用,并将重新进入地球大气层并降落在发射场。
  • 规格数据:高度71 m / 232 英尺、直径9 m / 29.5 英尺、推进剂容量3,400 吨/7.5 毫升、推力7,590 吨/16.7 毫升

猛禽发动机

  • 设计:Raptor 发动机是一种可重复使用的甲烷-氧气分级燃烧发动机,为 Starship 系统提供动力,推力是 Falcon 9 Merlin 发动机的两倍。星际飞船将由六台发动机提供动力,其中三台猛禽发动机和三台猛禽真空(RVac)发动机,这些发动机是专为在太空真空中使用而设计的。Super Heavy 将由 33 台猛禽发动机提供动力,其中 13 台位于中心,其余 20 台位于助推器后端周边。
  • 规格数据:直径1.3 m / 4.2 英尺、高度3.1 m / 10.2 英尺、推力230 吨/507 磅

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下面附上星舰发射到升空的全过程视频,感兴趣的可以看看。

 

星基地

Starship 的开发和制造在 Starbase 进行,Starbase 是世界上第一个专为轨道任务设计的商业航天港之一。

 

在轨加注

SpaceX的在轨加注技术是为了实现星舰(Starship)执行长期、跨行星任务的关键能力之一。这项技术允许在地球轨道上或深空中,将燃料从一艘航天器转移到另一艘航天器中,从而使星舰能够在执行前往月球、火星或更远目的地的任务中重新加满燃料。这一能力是实现星舰作为一个全可重复使用的太空运输系统目标的重要组成部分,有助于减少地球表面所需的初始推进剂量,并使得长距离太空旅行成为可能。

在轨加注的重要性

  • 长距离任务: 在轨加注使得星舰能够进行更长的太空旅行,包括前往火星和其他太阳系目的地的任务,这些任务需要远超出单次发射能提供的燃料量。
  • 成本效率: 通过减少地面发射所需的推进剂量,可以降低发射成本,同时允许星舰执行更大规模的探索和开发任务。
  • 可重复使用: 在轨加注进一步增强了星舰的可重复使用能力,支持SpaceX的目标,即减少太空旅行的成本并提高其可行性。

技术挑战

  • 对接和燃料转移: 安全高效地在轨道上对接两个航天器,并将燃料从一个航天器转移到另一个,需要精确的控制和高度可靠的传输系统。
  • 温度和压力管理: 在太空环境中管理燃料的温度和压力,确保燃料在转移过程中的稳定性是另一大挑战。
  • 自动化操作: 由于在轨加注可能发生在远离地球的轨道上,操作需要高度自动化,并能在地面控制中心的监督下独立执行。

发展状态

截至目前,SpaceX已经在地面进行了一系列在轨加注技术的测试,并计划在未来的星舰任务中进行实际的在轨测试。SpaceX的目标是通过在轨加注技术,使星舰能够执行包括返回月球、前往火星以及其他深空探索任务在内的复杂任务。

任务与目标

1.星舰能力

作为迄今为止最强大的发射系统,Starship 将能够搭载多达 100 人进行长时间的星际飞行。星际飞船还将帮助实现卫星交付、月球基地的开发以及地球上的点对点运输。 

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2.有效负载交付

与目前的猎鹰飞行器相比,星舰的设计目的是为了将有效载荷运送得更远,每次发射的边际成本更低。星舰的有效载荷舱比目前正在运行或开发的任何整流罩都要大,它将能够将许多卫星、大型太空望远镜和大量货物运输到地球轨道、月球、火星及更远的地方。 

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3.月球任务

开发月球基地以支持未来的太空探索需要将大量货物运输到月球表面。星舰旨在承载这些构建模块,进一步促进研究和载人航天发展。SpaceX 正在提供月球着陆器,该着陆器将在 NASA 的阿耳忒弥斯任务下 50 年来首次将宇航员送回月球表面。 

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4.星际运输

在火星上建设城市需要负担得起的大量货物和人员的运送。完全可重复使用的星舰系统使用在轨推进剂转移,能够将多达 100 人运送到火星或其他遥远的目的地。 

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5.地对地运输

想象一下在一小时或更短的时间内到达世界任何地方。借助 Starship 和 Super Heavy,大多数国际旅行可以在 30 分钟内完成。除了速度大幅提高之外,在地球大气层之外旅行的一大好处是没有摩擦、湍流和天气。 

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SpaceX里程碑事

2008年

  • Falcon 1首次成功进入轨道:Falcon 1成为第一个完全由私营资本开发的液体燃料火箭成功达到地球轨道。
 

2010年

  • Dragon首次飞行:SpaceX的Dragon货运飞船首次飞行,随后在2012年成为第一个商业飞船访问国际空间站。
 

2012年

  • 商业补给服务开始:SpaceX执行其首次国际空间站商业补给任务(CRS-1),标志着商业航天服务向国际空间站的正式开始。
 

2015年

  • Falcon 9首次垂直回收:SpaceX成功实现了Falcon 9火箭的首次垂直回收,这是可重复使用火箭技术的重大突破。
 

2018年

  • Falcon Heavy首次发射:SpaceX的Falcon Heavy,世界上最强大的运营火箭之一,成功完成首次测试发射,并将埃隆·马斯克的特斯拉跑车送入太空。
 

2020年

  • 载人Dragon首次发射:SpaceX执行Demo-2任务,这是载人Dragon飞船的首次试飞,也是自美国航天飞机计划结束以来,美国从本土发射的首次载人航天飞行。
 

2020年及以后

  • 星链项目发射:SpaceX开始大规模发射星链卫星,旨在提供全球高速互联网覆盖。截至目前,SpaceX已发射数千颗星链卫星,成为世界上最大的商业卫星星座。
  •  

2021年

  • 全民间航天员任务(Inspiration4):SpaceX成功发射了Inspiration4任务,这是首个全由民间航天员组成的轨道飞行任务,标志着商业航天旅行时代的到来。
 

发射事故

2006年SpaceX的猎鹰1号火箭第一次发射失败

  • 原因是一枚价值仅5美元的铝制螺栓在饱含盐分的海风里被腐蚀。SpaceX为什么选择在大洋深处的夸贾林环礁上发射火箭需要另一个故事来介绍。但因为发射前螺栓被海水腐蚀到出现裂纹,导致第一级火箭发射后管道漏油着火,也摧毁了马斯克想迅速成功反射的火箭梦。

2007年,SpaceX迎来了第二次发射失败

  • 相比第一次,马斯克其实已经获得了巨大的成就,最初只是星际探索的门外汉,领导着一家创立只有几年时间的初创公司,在第二次发射就几乎完成任务,这还是挺令人骄傲的。在此次发射中,第一级火箭完成使命,一、二级火箭成功分离、二级发动机顺利点火、卫星整流罩分离,最终因为小的偏差导致第二级火箭并没有能够成功入轨。

2008年的第三次发射失败要心酸得多

  • 原因是没有为一二级火箭分离留下两三秒的足够时间差,以至于第一级火箭接受了关机的指令,但管道里最后残留的一点燃料仍然增加了一点点的推力。在太空中,就这么一点推力让一级火箭在关机之后仍然撞上了二级火箭的红隼发动机,导致二级火箭翻滚着失去控制。
  • 第三次失败把SpaceX逼到了墙角。马斯克只能扮演破釜沉舟的项羽,背水一战,用仓库里最后剩下的零部件拼凑出一只火箭,在第三次发射失利仅八个星期之后,赌上所有又进行了一次发射,结果完美无瑕,绝处逢生。

2020年

  • 2020年12月10日6时45分,美国得克萨斯州博卡奇卡基地,太空探索技术公司的SN8星舰原型机(以下简称SN8)进行飞行测试。测试中,SN8的3台发动机同时工作,推动其上升至12.5千米高度后熄火,SN8开始降落,先后完成掉头、减速、翻转等一系列复杂动作。随后,两台发动机再次点火,箭体转为垂直状态并开始降落,但在降落过程中的最后一刻,由于发动机推力异常,箭体失速坠地爆炸。 

2021年

  • 2021年3月3日,马斯克旗下太空探索公司SpaceX启动星际飞船(Starship)原型SN10的10千米飞行测试。在德克萨斯州进行高空试飞后,首次成功着陆,但几分钟后在着陆台发生爆炸。 这是SpaceX“星舰”高空试飞第三次发生爆炸。

2023年4月

  • 美国中部时间2023年4月20日8时33分星舰火箭点火起飞,火箭第一级33台“猛禽”发动机中,有多达6台未能正常工作。升空约两分钟后,“星舰”出现姿态摇摆,最终失控爆炸。SpaceX公司随后承认,“星舰”在分离阶段失败。 

2023年9月

  • 2023年9月8日,美国联邦航空管理局(FAA)宣布结束了对SpaceX公司超重型火箭“星舰”发射事故的调查。最终报告列举了2023年4月20日事故的多个根本原因,以及SpaceX必须采取的63项纠正措施,以防止事故再次发生。

2023年11月

  • 2023年11月18日晚9时3分,美国太空探索技术公司于德克萨斯州博卡奇卡进行第二次“星舰”(Starship)重型运载火箭的无人飞行测试,火箭已经发射升空,33台发动机均正确启动。星舰发射升空,然而,在一级火箭达到工作时序后,二级火箭发生故障,火箭失去联系。SpaceX公司已经官宣火箭发射失败。 该公司证实,发射升空几分钟后任务控制中心与“星舰”失去联系,被迫启动自毁系统。 

2024年1月

  • 2024年1月,据新华社消息,美国国家航空航天局9日再次推迟其载人登月任务,将美国宇航员重返月球的时间推迟至2026年9月。这是因为由私企承包的载人航天器和宇航服开发受阻,现有载人飞船也存在安全隐患。

结尾

在探讨SpaceX自成立以来的历程、挑战、成就及对未来太空探索的愿景时,我们见证了一个由梦想、决心、与创新驱动的旅程。SpaceX不仅成功地重塑了商业航天的格局,还向世界展示了人类在太空探索方面的无限可能性。通过其创新的技术和不屈不挠的精神,SpaceX已经从一个面临诸多失败和挑战的初创公司,成长为航天领域的领军者,其影响力远超过了其商业成功。

SpaceX的故事是关于人类对于探索未知的永恒追求,以及通过科技推动这一追求的力量。从Falcon 1到Falcon Heavy,从Dragon载人飞船到星链项目,再到星舰的开发,每一步都充满了对于超越现状的挑战和对未来的承诺。特别是,星舰项目的宏伟目标——实现人类在火星上的可持续居住——不仅反映了SpaceX的野心,也是对整个人类探索太空愿景的一次大胆投资。

随着SpaceX继续向前推进,其在太空探索方面的工作不仅仅是科学和工程上的挑战,也是对人类勇气、好奇心和探索精神的最终测试。SpaceX的旅程提醒我们,尽管面临看似不可逾越的障碍,通过创新、合作和坚定的决心,人类有能力达到新的高度,探索前所未至的领域。

因此,SpaceX的故事不仅仅是关于火箭和太空船的。它是关于人类如何利用科技、勇气和创新精神,共同朝着一个更加宏伟的目标前进——不仅仅是探索太空,而是为了人类在地球之外的未来铺平道路。随着SpaceX继续推动这一愿景的实现,我们所有人都是这个伟大旅程的一部分,期待着未来可能揭示的无限可能性。

参考资料

星舰

SpaceX的“从零到一”

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THE END
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