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美星舰距离年发10000次不远了?眼下得破3关:回收、转移、登月

可能还有人没注意到,马斯克公开宣布将建造巨型飞船、帮助人类移民火星,其实已经是10年前的事情了。只不过,当时飞船的名字还不叫星舰(Starship),而是星际运输系统(ITS),硬件和材料也有很大不同,比如初始设计中的碳纤维,实际上也替换成了后来的不锈钢。

10年后,星舰不再是停留在纸上的设计品,也不再是仍处于试验阶段的测试品,至少已经具备了批量发射卫星到近地轨道的工程能力。星舰的第14次测试飞行,成功实施一箭26星任务,虽然这是该运载火箭的首次入轨发射,但单次载荷重量就超过了50吨。
那么,星舰首次入轨后还有几关要过?
星舰之所以会被世界关注,也不只是因为其近地轨道运力可破百吨,还跟它验证了发动机大规模并联同样可行直接相关。几十年前苏联研制的N1火箭,也是采用30台发动机并联的工作方式,但4次试射都以失败告终。

不过,对于星舰而言,即便抛开移民火星不谈,首次入轨也只是开始,之后至少还有3个难关要过:
第一关,在接下来的任务中,星舰需通过“筷子加火箭”的方式回收火箭一、二级。
从某种角度来说,星舰的最大亮点,可能还不是超大运力,而是全箭皆可重复使用。虽然在此前的测试飞行中,星舰也曾多次利用机械臂成功捕获火箭一级,也就是那个超重型助推器部分,但亚轨道飞行和入轨飞行存在较大区别。
所以,这并不意味着执行轨道发射任务的时候,星舰一级部分也一定能回收成功。而星舰在首次入轨飞行的时候,原计划也是只发射、不回收。至于星舰的二级部分,由于回收难度更大,所以至今也还没实施过回收验证。

SpaceX前段时间就已经公开宣布,等星舰的发射频率能达到一周数次的时候,猎鹰系列运载火箭就会逐步退出。如今得猎鹰9号一年也能发射一百多次,之所以还会被安排退役,主要就是因为星舰能突破一年200次左右的发射瓶颈。
根据马斯克的说法,等星舰复用技术成熟,甚至可以做到每天发射30次以上,如果把时间拉长到以年为单位,那岂不是能发射10000次?所以,SpaceX也的确把回收作为星舰接下来的首要目标。近期,马斯克也曾表示,希望能够在下一次发射的时候尝试回收,但至于任务内容会不会有这一项,还需要得到美国相关部门的批准才行。

第二关,星舰不能只具备载荷入轨的能力,其二级飞船部分还得成为载人登月的航天器。
近日,美国宇航局又再次确定了登月任务的时间表,Artemis 4的目标时间依然是2028年初, Artemis 5 的目标时间则是2028年末。而美国登月计划的下一次载人任务,也就是Artemis 3,目前是计划在2027年第三季度实施。
虽然距离载人登月还有一些时间,但美国的这个Artemis 3任务,其实就是验证猎户座飞船和月面着陆器之间的互操作性。而星舰的二级飞船部分,便是美国载人登月的月面着陆器之一。不过,到目前为止,该火箭的飞船部分依然还没有配备生命系统等关键组成部分。

而且,根据SpaceX此前的说法,即便是等到明年美国宇航局实施Artemis 3任务的时候,执行任务的4名航天员也无法进入内部,因为等到那时该飞船也还没有具备这个功能。而美国载人登月的时间又是2028年初。这么看的话,对于星舰而言,时间真的很紧张。
美国宇航局局长已经多次强调,登月绝不能落后于中国,前阵子还公开在节目中表示,以前苏联没做的事情,中国会办到。中国人一定会把航天员送到月球上,而美国要做的事情就是力争在2028年完成重返月球的目标,然后开始建设月球基地。

第三关,星舰在实施深空任务时,必须具备地外推进剂转移的能力,这也是公认风险系数较大的一个难关!
这么说吧,星舰运力虽大,但它在执行深空任务的时候也有一个明显的缺点,那就是必须进行地外推进剂转移,也就是很多人口中的“太空加油”。以前面提到的载人登月为例,美国使用星舰登月,其实在进入近地轨道的时候,就已经消耗了大部分燃料,如果让星舰一次带够所有燃料,那又会因为自重过大而无法飞出大气层。

所以,为了发射顺利,且有足够的燃料奔向月球,那星舰就必须进行多次地外推进剂转移操作。至于具体要进行多少次太空加油操作,这个问题就连美国宇航局自己暂时也没有一个确切的答案,因为到目前为止,SpaceX还没有进行这项技术验证。
说到这里,大家别误会了,SpaceX虽然在星舰第3次飞行(2024年)的时候,顺利在两个储罐之间进行了推进剂转移,但这和两艘飞船之间进行推进剂转移的区别就太大了。在去年的时候,马斯克也曾说今年会验证该技术,但到目前为止,也还没给出具体的任务计划,尚未确定会在星舰的第几次飞行中实施。

客观来说,地外推进剂转移不是一件容易的事情,太空加油可不像接根管子那么简单。液氧和液态甲烷时低温燃料容易蒸发,而且在失重环境下还会飘在罐子里,普通的推进剂管理装置难以引导液体。
当两艘飞船都在高速围绕地球飞行,这个过程就对精度要求极高,而且还得依靠自动控制。之所以说风险大,这是因为如果静电、超低温得不到妥善处理,便可能出现泄漏、甚至是爆炸的情况。

星舰在跨过这3大难关的同时,还得批量发射星链卫星,这也是它目前真正能做到的事情!
事实上,星舰入轨只是开始,虽然迈出了商业发射的第一步,但距离大规模常态化商业运营还有一定距离,可能还要等一年,甚至更久的时间。现阶段星舰相当于是一边进行关键技术验证,一边进行复用技术沉淀,另一边还得继续发射星链的组网卫星。

大家都知道,在星舰首次入轨飞行以前,星链的全部组网卫星都是由猎鹰9号发射升空,目前该星座的在轨运行卫星数量就已经超过11000颗。而根据马斯克的说法,他们打算要发射100000颗星链V3卫星,只不过这个需求暂时还没得到相关部门批准,仍处于审核中的状态。
星舰的整个研制过程,已经投入大量资金,以至于猎鹰9号挣的收入都无法覆盖其研发成本。但星舰完全不用担心没有订单,因为除了美国的登月计划以外,还有星链这个巨型星座等着它。等星舰复用技术成熟,猎鹰9号就该退役了,因为新一代星链卫星,也就是星链V3卫星,全都得由星舰发射升空。