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星舰首次入轨后:载人登月还有多远?美国2028年真能实现登月吗?

上个月,美国SpaceX实施星舰第14次试飞,首次进入地球轨道,并部署26颗第三代星链卫星。对于一个经历多次爆炸、解体和试验调整的项目,这当然是一项实质性成果。

但这次飞行同样留下了问题,上升过程中出现发动机提前关机,原定持续约10小时、绕地球6圈的任务被缩短,飞船提前返回。

那么,接下来星舰还要面临哪些考验?

星舰的第14次飞行终于入轨,并释放星链V3卫星,星舰第一次投入真正实际应用。此后,星舰完成离轨和再入,返回太平洋预定区域。

不过,原定多圈飞行没有全部完成。发动机异常之后,任务团队选择缩短飞行。这项成果因此带着鲜明的试验色彩,留下了一系列问题。星舰的入轨能力已经得到一次验证,但它想要长时间运行,仍需要继续积累飞行数据。

第14次试飞期间,星舰一台上面级猛禽发动机提前关机。飞船最终仍然进入轨道,说明系统具备一定的应对能力,但异常本身需要查清原因,并通过后续试验验证改进效果。发动机为什么关机,是否涉及其他飞行器上的同类部件,修改后会不会引出新的问题,都关系到下一阶段的飞行安排。

美国政府问责局2026年的项目评估,将猛禽发动机研制列为星舰登月着陆器面临的重要风险之一。因为星舰将来还将承担美国载人登月的任务,NASA没有研制载人登月飞船,从月球轨道登陆到月球表面,其中一个选择就是依赖载人登月版星舰。如果星舰研制不顺利,就会直接影响到美国载人登月进度,所以NASA十分关注星舰的研制情况。

星舰的另一个目标,是让整套星舰系统能够重复使用。超重型助推器曾进行过成功回收,但整个运输系统还包括上面的飞船。星舰若要实现预期中的高频发射,就必须逐步解决飞船返回、回收、检查和再次飞行的问题。

这里面,防热系统尤其关键。飞船从轨道返回时,需要穿过剧烈加热的大气层。隔热瓦、连接部位、襟翼附近的结构,都要经受上千度高温和强大气动力共同作用。完成一次再入后,防热系统的实际表现就会显得十分重要。

SpaceX在轨道任务说明中,把离轨点火、受控再入以及后续返回发射场捕获和复用,列入系统的发展方向。它和登月的关系,主要体现在任务组织能力上。

登月版星舰需要在地球轨道补充推进剂,意味着同一次登月任务背后,还有运送推进剂的其他发射。每次发射若都消耗一套昂贵硬件,成本和生产压力都会明显增加。

当然,登月版星舰主要在太空和月球环境中工作,与返回地球的运输型星舰有不同要求。两者仍然共享火箭、发动机、生产体系和发射设施,大量基础能力的成熟度彼此关联。

NASA与SpaceX也在开展相关地面研究,NASA于7月公布了超级重型助推器V3的风洞试验进展,用来研究返回过程中承受的气动力和振动环境,帮助完善飞行控制与结构分析。

在剩下的几道关中,太空加注燃料具有决定性意义。

星舰从地面起飞时携带大量液氧和液态甲烷,但把飞船自身和载荷送入轨道,就会消耗相当一部分推进剂。为了继续前往月球并执行着陆任务,需要在轨道上补充。NASA为了实现载人登月,需要运输型星舰把推进剂送上去,完成转移,再为登月飞行提供条件。

其中最难的部分,是大规模低温液体在微重力环境下的储存与转移。在地面上,液体通常沉在容器底部。到了轨道,液体分布会受到表面张力、飞船运动和微小加速度影响。液氧、液态甲烷又都必须保持低温。外界热量不断传入,就会引起蒸发,改变贮箱压力,也会造成推进剂损失。

这些问题需要解决好,才能知道美国一次载人登月,究竟需要发射几艘星舰。

载人登月版星舰,正在沿着地球轨道对接试验和月球着陆验证两条方向推进。一个已经公开的具体安排,是2027年的阿尔忒弥斯三号任务。

NASA计划让猎户座飞船在地球轨道,与商业登月着陆器试验飞行器开展交会对接。SpaceX将使用星舰V3作为基础,在飞船头部安装对接系统,验证两艘飞行器组合后的工作表现。NASA还明确说明,按照这一任务安排,宇航员不会进入星舰试验飞行器内部。

这项试验要解决的是接口问题,猎户座怎样接近星舰,双方如何交换导航和状态信息,对接过程中怎样控制相对运动,连接后由谁负责姿态控制,都需要通过完整系统的联合工作来检验。

另一条方向,是登月飞行所需的专用能力。真正承担载人任务的星舰,需要具备人员居住、生命保障、月面出入、着陆和起飞等功能。

接下来,星舰需要继续轨道飞行,解决已经暴露的问题,积累发动机重启、载荷部署和长时间运行的数据。其次,推进飞船回收与复用验证,提高运输系统的周转能力。随后,需要完成交会对接、低温推进剂转移等关键试验,为登月飞行准备条件。2027年的阿尔忒弥斯三号,还将专门验证星舰试验飞行器与猎户座之间的对接和联合操作。

载人登月之前,则必须通过无人月球着陆试验。月球没有可以依赖的大气层,飞船下降时需要主要依靠推进系统减速。接近地面后,发动机喷流会冲击月壤,扬起颗粒,并改变飞船周围的环境。着陆之后,系统还需要继续运行,为后续起飞提供条件。

目前,NASA把首次阿尔忒弥斯载人登月目标放在2028年。星舰着陆器技术成熟度、低温推进剂转移技术,仍然影响这一目标能否实现。