北京时间4月20日21时许，美国SpaceX公司研制的新型运载火箭“星舰”在美国得克萨斯州博卡奇卡的自建发射场点火起飞。火箭升空后即发现一级有多台发动机工作不正常，升空2分30秒后火箭姿态失稳并开始旋转，最终解体爆炸，发射宣告失败。
作为一款有望刷新人类运载火箭多项纪录的型号，星舰此次首飞一如2018年的重型“猎鹰”首飞，一时间刷爆全网，只不过上次是首飞近乎完美，一片赞誉之声，而这次“星舰”则折戟沉沙，中途自毁，相应的舆论评价也有所分化，赞扬其创新精神者有之，批评其设计冒进者亦有。
起飞姿态就有所偏斜
由于时间有限，SpaceX官方目前仍未正式公布事故原因，只是留下了“通过这样的测试，我们今天学到了很多关于火箭和地面系统的知识，这将有助于我们改进未来的星舰”这样一段例行的官方说明。
因此发射失败的原因众说纷纭，让我们重新回顾整个发射过程，确实有很多不寻常的情况。首先就是起飞阶段，有媒体直观对比了“星舰”、土星5号、重型“猎鹰”三款火箭的首飞录像，明显可见星舰离架起飞的过程十分缓慢，足见起飞推力有所不足，而根据原设计星舰的起飞推力为7500吨左右，而起飞重量是5000多吨，起飞推重比约为1.5。这已经超过了一般运载火箭1.2-1.3的起飞推重比，较高的推重比可使火箭更快地升空离架，从而降低火箭发射的重力损失，但对箭体强度和结构设计提出了更高要求。因此按理来讲“星舰”应该是升空最快的，即使考虑此次发射中猛禽只开启了90%推力，其推重比也应在1.3以上。因此，此次慢悠悠的起飞虽然看起来壮观，但其实很可能已经埋下了发射失败的种子。
“星舰”起飞后逐渐远离发射台，炸平发射台的担忧终于没有了，但箭体并非径直爬升，而是略有偏航。目前对这一情况有两种说法，一种是说这是设计的起飞路径，为了快速远离发射设施；另一种则认为此时发动机已经出现推力不平衡状态，导致箭体偏航。
事实也的确如此，根据直播画面，火箭一起飞姿态就有所偏斜，与发射塔架并不平行。
从网友拍摄的视频可见，星舰起飞就是歪的。
网友整理的发射直播中各阶段火箭状态图，可见有多台发动机未能正常工作。
随后火箭进入爬升阶段，此时通过官方直播画面的发动机状态图可以清晰看出，刚一起飞就已有3台发动机未能正常工作。起飞40秒后，第4台发动机关闭。起飞约1分钟后，第5台发动机关闭。随后火箭通过Max-Q点，即最大动压点，这是火箭所受气动阻力最大的时刻，但该时间点相较最初设计推迟约半分钟。起飞后1分40秒，第6台发动机关闭，10秒钟后，刚刚关闭的第6台发动机再次重新启动。
火箭随后继续爬升，按照预定程序，将在2分30秒左右一级关机，并进行分离。然而此时火箭姿态明显不正常，无论是直播画面还是下方的姿态指示器都显示箭体开始横向滚转，姿态不断翻滚，火箭开始呈现“倒栽葱”状态。一级直到第3分钟还未能关机并分离。此时火箭一级开始漏出大量白色气体，根据直播画面的推进剂状态显示，火箭液氧贮箱的液位快速下降直至耗尽，疑似出现了液氧泄漏，显然此次发射已经不可能成功。4分钟整，火箭自毁系统启动，火箭凌空爆炸并解体，发射宣告失败。爆炸后，火箭的碎片落入墨西哥湾。
事实上，不只是官方直播中显示的状态，起飞后约3-5秒，观众视角中星舰某台发动机发生了肉眼可见的明显爆燃，随后第15-17秒，又一台发动机发生爆燃。
起飞后约3-5秒，观众视角星舰某台发动机发生了明显爆燃。
不仅如此，起飞后约28秒，从观众视角还可发现箭体尾部有结构发生碎裂，多块碎片被崩飞，位置疑似为发动机摆动的液压油储罐外壳。
图中红圈为崩飞的碎片。
图中左侧脚手架位置就是液压油储罐外壳。
根据SpaceX直播的飞行数据显示，火箭达到最大高度24英里（约39公里），最高时速为1340英里/小时（约每小时2157公里），试飞达到了超音速并超过了最大动压点。
故障原因众说纷纭
对于首飞失败的具体原因，一时激起了媒体、航天从业者和网友的极大热情，各种原因众说纷纭。当然，最终原因仍应以SpaceX官方的事故报告为准，因为通常的事故分析是建立在遥测数据的整体分析，事件树的全面梳理，故障的合理复现基础上得出的。而“吃瓜群众”所能得到的信息极为有限，很容易被表面情况误导。但这并不影响我们对其失败原因进行猜测。
目前比较主流的观点有两个，一个是发射台“背锅”说，另一个是多发并联“魔咒”说。
一次火箭的发射失败，发射台有什么错呢？因为“星舰”的首飞发射台十分特别，SpaceX没有建造带有导流槽或火焰偏折器的发射台，而这是其他重型火箭发射台都具有的共同设计特征。这些结构可以将爆炸能量和灼热的发动机废气从发射场周围的敏感设备中引开，降低损坏的风险。同时也会设置大规模的喷水装置，水的蒸发会降低发射台受到的灼烧，同时减少火箭和其他敏感设备遭到声学破坏的可能。
导流槽示意图。
正是由于缺少了这些设施，“星舰”史无前例的6000多吨推力在发射场上引发了一阵碎片雨，发射台下被强大的发动机喷流吹出了一个大坑，甚至露出了发射台的钢筋和混凝土地基。被喷飞的大量碎块四散飞溅，最远甚至落入了发射台东侧的海面，也砸坏了各路记者设置在发射台附近的汽车和相机等设备。发射台上也没有喷水降噪系统，包括SpaceX在佛罗里达州和加利福尼亚州的“猎鹰”9号发射台，都使用了喷水系统，然而在此次“星舰”首飞中，这些系统一概欠奉。
发射后的发射台惨状。
所以网友高度怀疑正是喷出的大量碎片破坏了火箭的部分发动机或者管路，从而导致“星舰”起飞就有发动机失效，再加上声学破坏的连锁反应和叠加，最终导致发射失败。事实上，这种疑虑并非全无根据。“星舰”在前期地面点火试验中，就曾出现过被喷流吹起的碎片损坏火箭的情况。2021年初，一次“星舰”静态点火测试时候，巨大的发动机尾流直接喷向底板，底板破碎后吹起的碎片恰巧切断了火箭底部的电缆管路，该事故导致火箭贮箱无法泄压，险些导致“箭炸台平”的惨痛结果。
第二个主要原因是著名的多发并联“魔咒”，一般认为超过20台火箭发动机并联是很难确保整箭发射的可靠性的。其典型案例就是苏联时期四射四炸的N-1登月火箭，该火箭一级安装有30台NK-15发动机。N-1在1969年至1972年间从哈萨克斯坦进行的四次试飞中均未能成功入轨，虽然和发动机可靠性直接相关的失败只有前两次发射，但超过20台发动机并联自此一直是火箭设计上的“禁忌”，直到3芯并联的重型“猎鹰”火箭成功首飞，但重型“猎鹰”实际上不同于N-1，其是三枚“猎鹰”9一级采用“通用芯级”的思路并联而成，并不是单芯级内塞入20台以上发动机。
而“星舰”的一级密密麻麻地安装了33台猛禽发动机，数量超过了苏联的N-1火箭，是目前人类并联发动机数量最多的火箭。发动机并联并非简单的“推力不够数量凑”，因为并联数的上升会带来振动、结构、散热、可靠性等一系列问题，因此一般火箭都避免并联如此多的发动机，而“星舰”冒险如此设计就必须迎难而上。因此此次的发射失败，可能又是一次多发并联“魔咒”的应验。虽然结果尚未公布，但是起飞时就有多台发动机不正常，可能是“猛禽”发动机自身可靠性不佳导致的连锁反应，最终致使发射失败。虽然“星舰”设计上允许一定数量发动机失效，而根据相关论文（《运载火箭动力冗余技术》作者：张智、容易等）显示，动力冗余可以有效提高整箭可靠性，但这是建立在发动机自身单机高可靠性的前提下。而“猛禽”推力室压力高达30Mpa，失效爆炸威力不小，飞溅的碎片难免会破坏临近发动机和设备，从而导致连锁反应。
目前来看，“猛禽”发动机的可靠性确实有待改进，相对于成熟的“梅林”1D发动机，“猛禽”近期在试车台上还在不断出问题。总的来讲，马斯克本人对试射显然并不满意，从直播状态来看，事故后表情一直凝重，推特发言也不见往日试飞失败后的轻松和戏谑，只是说了个很官方的表态。
专业论文中关于火箭冗余设计的数据对比表格。
首飞失败影响重大
“星舰”是SpaceX孤注一掷的项目，这次失败可谓牵一发而动全身。
从首飞失败的影响来讲，首当其冲的就是自家的“星链”组网，因为“星舰”进度延宕，二代“星链”已经等不及用“星舰”进行组网。所以目前紧急研发了mini版二代“星链”，并采用成熟的“猎鹰”9进行组网发射，但是“猎鹰”9的运力和整流罩包络空间都远逊于星舰，即使已经定下年均100发的骇人发射频率，仍然难以满足二代“星链”组网的高要求。“星舰”首飞失败后，二代“星链”组网的进度还会延后，即使“猎鹰”9全力以赴，也只是缩水的二代“星链”，相对于原定计划中单星重近2吨的完全版仍有缩水。“星链”组网和带宽扩张的推迟，自然会大幅影响SpaceX的现金流和收入，对公司财务上影响不良。
第二个最重要的影响就是美国登月，根据相关消息透露，NASA的载人登月舱项目团队此次前往现场观看了首飞，这也代表了NASA对目前登月舱研发进度的高度关注。目前美国重新登月的计划中，有三个必不可少的重要组成部分：SLS火箭+“猎户座”飞船+“星舰”，前两者因为耗资甚巨，延期日久，长期被业界和媒体诟病，但问题是这两者挨骂归挨骂，目前SLS火箭和“猎户座”研发已经完成，首次试飞也一切顺利。根据计划，只需要在2024年再完成一次载人绕月试飞，就具备了登月条件。而“星舰”目前的进度才是2026年重返月球的“最大绊脚石”，“星舰”即使这次搞定首飞，后续还要顺利完成发射台回收，快速复用发射，在轨加注，无人月面着陆演示等一系列重大试验挑战，然后才能具备登月条件。更遑论这次连首飞，甚至连一二级分离都没能验证。后续这些重大试验，如果再遇这种挫折，难免进度继续推迟。
而马斯克心心念念的载人登火，或许更是遥遥无期了。
后续试飞已提上日程
可能正如马斯克那句话说的“没有失败就没有创新，如果你没有失败过，那证明你还不够创新！”。这次失败肯定不是“星舰”计划的终结，SpaceX绝不会止步于此次挫折，毕竟最终宣告失败下的N-1也是连续4次失败后才终止研发的。按照原定的试飞方案，后续“星舰”还要安排3次类似的不回收发射，不断试验目前方案的可行性，因此S26+B9、S27+B10两枚已经正在总装。目前S26、27没有安装隔热瓦和翼面，很可能会直接再入大气层烧毁，完全不理解为什么这么安排试飞。
不过后续发射的关键不只在于“星舰”本身，还在于此次发射中“饱受摧残”的发射台。根据原有预期，只要火箭不是炸在发射台上，就可以顺利组织下一次试射。然而事与愿违，诚如前文所述，马斯克公开承认严重低估了“星舰”正式发射时一级喷流的强大破坏力，发射台附近一片狼藉。尤其是发射台地基被喷出了一个大坑。网友们戏称为“帮你挖好了导流槽”。而按照原定计划，发射台需要额外安装一套庞大的喷水降温系统，以抵消此次发射强大的喷流影响，降低火箭被声学破坏的可能。
除此之外，还需要对发射台、基座、推进剂储罐等一系列设施进行修补和加固，甚至有可能需要转移分散。同时，是否会考虑增设导流槽也尚未做出决定，如果开挖导流槽，则现场需要大量负挖施工，后续发射进度将会明显拖累。虽然马斯克宣称将在2个月后组织下一次发射，但目前业界普遍认为这个时间表“过于乐观”。
除发射台外，“星舰”自身的迭代也会继续进行，而“猛禽”的可靠性增强必须提上日程，除此之外的其他迭代改进仍有待曝光。但目前已经确定的是，从B9开始发动机摆动的作动器将从液压驱动变为电驱动，除降低发动机重量外，此次试飞中发动机摆动的液压油储罐也疑似发生了泄漏，改为电动恰好能减少类似情况的再次发生。根据原有计划，前三次试飞结束后，才会考虑用发射台的筷子回收火箭，载荷部署和在轨加注也要相应顺延。
“星舰”的未来道阻且长，其激进的设计思路能否使其实现目标，让我们拭目以待。
狗仔卡
发表于 2023-4-27 08:52 PM
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