對於馬斯克和他的SpaceX公司而言,未來無論付出多麼大的代價,也一定是要成功研製出“星際飛船+超重型火箭助推器”的組合。如果SpaceX長期依賴獵鷹9號火箭、獵鷹重型火箭和龍飛船等運載工具承接商業航天發射,並且為此感到心滿意足,那麼SpaceX公司的上限基本清晰可見。但事實上,馬斯克創辦SpaceX公司最大的初衷,就是為了加速人類殖民火星的程序。在馬斯克的設想中,人類要往返於地球與火星之間,非乘坐星際飛船不可。
繼SN8和SN9兩艘全尺寸星際飛船原型之後,北京時間2021年3月4日7時,SpaceX又對第三艘全尺寸星際飛船原型SN10進行了高空測試飛行。SN10配備三臺猛禽發動機,最大飛行高度為10公里。本次SN10試飛採取了與SN8、SN9先後兩次試飛相近的剖面。SN10飛到10公里的預定最大高度,上升過程中依次關閉三臺猛禽發動機,隨後腹部翻轉,從而轉至水平體位下落,最後再翻轉垂直落向著陸平臺。此前SN8、SN9進行高空測試飛行,均是讓其中兩臺猛禽發動機再次點火工作環節出了問題。按照飛行程式,猛禽發動機要在星際飛船原型轉回垂直體位後重新點火,以實施動力著陸。在本次SN10著陸嘗試中,SpaceX公司修改了那項程式,讓三臺發動機全都重新點火工作,然後根據著陸需要關掉其中兩臺發動機。
SN10從德克薩斯州博卡奇卡試驗場點火起飛,三臺猛禽發動機幾乎同一時間點火,以超600噸的推力騰空而起,直衝雲霄;SN10飛至2分17秒時,第一臺猛禽發動機關閉;到3分15秒時,第二臺猛禽發動機關閉;到3分44秒時,SN10開始釋放液氧,並凝結成大量白氣;當SN10在空中飛至4分20秒時,最後一臺猛禽發動機關閉;到4分22秒,SN10飛越最大高度10公里;接著,SN10在空中傾斜,且頭錐向下,透過前翼和後翼調整飛行姿態,逐步達到水平,並向下飄落;當飛至約6分鐘時,SN10機動翻轉,三臺猛禽發動機重新點火,仍然是藉助前翼和後翼調整飛行姿態,垂直落向地面,進而快速轉為由一臺猛禽發動機(另外兩臺發動機關閉)反推著減速。最終,SN10成功軟著陸地面,總算是不負眾望。
2020年12月10日,SN8進行最大高度為12.5公里的測試飛行,但在最後著陸階段觸地爆炸。2021年2月3日,SN9進行最大高度為10公里的測試飛行,結果同樣是在著陸階段觸地爆炸。SN8沒能成功著陸,是因為飛船的燃料箱壓力不足,發動機推力不夠,導致飛船未能成功軟著陸。而SN9配備的三臺發動機在最後的著陸階段只有一臺重新點火工作,推力不夠,導致粉碎性觸地爆炸。
網友們普遍認為,SN8完成試飛的程度要比SN9高一些。SN8雖然落地爆炸,但已是非常接近成功,可以視為是一次成功的失敗。當時,馬斯克為此表揚了所有的工作人員,表示試飛任務取得了“所有我們想要的資料”。馬斯克還在推特上發貼稱,“火星,我們來了”。
之後,SN9進行測試飛行,並以失敗告終,比較出乎人的意料。據航天網站Nasa Space Flight先前爆料,在SN9試飛失敗後,馬斯克心生怒火,在公司會議上對星艦研發團隊表達了強烈的不滿,直指星艦研發團隊做事拖拖拉拉,成功的機率低下。即使跟波音公司比起來,SpaceX每天進步如同光速一般,可在馬斯克看來,SpaceX進步依然不夠快。即使SpaceX的研發員工們每天都在盡心竭力地工作,都想著幹好每件事,也甘願追隨馬斯克這樣的老闆,可SN9原型在測試飛行中著陸失敗,讓馬斯克忍不住將心中的怒氣撒向了員工。
在本次SN10測試之前,馬斯克持謹慎的樂觀,稱試飛成功的機率只有60%。毫無疑問,與SN8、SN9相比較,SN10取得了又一個堪稱里程碑式的突破,可謂意義重大,因為,SN10成功實現了軟著陸。只不過,SN10在著陸後不久,突然著火爆炸。根據網路影片顯示,SN10底部發生爆炸,爆炸將原型拋到了空中,幾秒後摔回到著陸平臺上。但就本次試飛的首要目的“爭取成功軟著陸”而言,SN10爆炸已經不太重要了。事實上,為了讓SN10試飛能夠最終得以成功軟著陸,SpaceX的團隊工作很是努力且用心。
SN10著陸後,姿態出現了很明顯的傾斜。對此,有網友分析得很有道理。他認為,可能的原因有兩個,一是SN10觸地速度仍然過快,二是著陸腿強度不夠。此外,該網友還稱,SN10底部中心發動機的排列方式,是三臺發動機圍繞中軸線排列,不論是選擇單臺發動機著陸方案還是兩臺發動機著陸方案,都存在推力偏離中軸線的問題,據此猜想,SN10原型之所以未能真正達到垂直反推減速降落,而是姿態翻轉後以微小傾角減速降落,其中一個原因可能便在於此。理論上,SN10星際原型以小的傾斜角度降落,是為了讓偏離中軸的發動機透過向量調節,在落地瞬間恰好完美抵消橫向速度和姿態側傾,但許是控制精度沒有達到預期。未能充分抵消微小的姿態傾角可能造成,觸地瞬間單側著陸腳壓力過大。
SN10落地之後大概6分鐘,突然著火爆炸,準確說是“快速非計劃解體”,應該也是超出了馬斯克的預料。對此,該網友認為,SN10降落後,地面仍有明火,滅火系統立刻開始工作,基本上撲滅了明火,但除了正常的洩壓閥動作,也能見到從SN10內部不斷出現黑煙,說明內部有火情。由此猜測,SN10爆炸與此有直接關係。另有說法是,SN10在有明火的情況下仍然自動排空燃料,導致爆炸。再結合SN10箭體側傾,或許降落時底部一些管線也有損壞,因此不排除燃料洩漏的可能性。
猛禽發動機是星際飛船的核心部件,以液氧甲烷作為燃料,單臺最大推力可以達到2000多千牛,是目前全球第一種實用化的全流量分級燃燒發動機,同時也是全球第一種實用化的甲烷燃料發動機。SN10此次試飛,配備三臺猛禽發動機,而正式版的星際飛船將裝配六臺發動機,超重型火箭助推器將配備二十八臺發動機。
液體火箭發動機的優勢包括了,燃料易於製取、通常從石油或化工原料中可以直接製成,燃燒的比衝大、推力強勁、持續性好。正因如此,全球多數的大推力運載火箭都是用液體燃料發動機作為動力。
至於液氧甲烷發動機有什麼優勢?首先,液氧甲烷發動機相較於液氧煤油發動機比衝更大;其次,甲烷容易燃燒,不容易產生積碳,有利於火箭的重複利用;再有,液氧甲烷發動機相較於液氫液氧發動機則易於設計和維護,且物美價廉。在未來,甲烷發動機很可能真正可用於星際航行的主流發動機。例如,將來人類登陸上火星,可以利用火星上的二氧化碳和水製造甲烷用作火箭發動機燃料。
值得一提的是,SpaceX參與了“阿蒂米斯”計劃載人登月著陸器的“三選二競標”(Human Landing System,簡稱HLS),該專案開始競標的時間已推遲到4月。三支團隊中,除了SpaceX外,另外兩支分別是由藍色起源+洛克希德馬丁+諾思羅普格魯曼公司+德雷珀公司組成的“國家隊”(National Team),還有達因技術組成的“小企業隊”。當“三選二”競標結束,被NASA淘汰的那支團隊,將不會再獲得NASA的任何資助。
如果SpaceX在競標過程中落選,後續的研發經費就得全部自己掏錢。從馬斯克的角度出發,SpaceX若要在“三選二”競標中獲勝,就有必要在競標開始之前向NASA展示更多“牛逼”的技術。以SN8和SN9兩艘原型先後試飛均以落地爆炸收場,再加上此次SN10算是成功軟著陸,猜想的話,NASA依然對SpaceX的星艦方案不放心,SpaceX還需向NASA“秀肌肉”——超高難度,超級酷炫且高度穩定可靠安全的技術。
當然,基於星艦運輸系統的登月艙在技術上明顯有著非常高的難度。由於星際飛船的高度達50米,重達百噸左右,如此大的個頭,包括土星五號或者能源號火箭都無法將其送至月球軌道,只能星艦登月艙自己飛到月球,進而需要SpaceX成功研製可回收複用的星艦系統並且達到成熟的水平。除此以外,SpaceX還必須為星艦攻克大規模低溫推進劑在軌加註技術,攻克星艦載人所需面對的一系列安全、技術和政策問題。從時間上而言,SpaceX在對SN8、SN9和SN10相繼完成飛行測試後,仍必須抓緊時間對後續的星際飛船原型和超重型助推器原型進行測試,以儘早迭代出正式版本的星艦運輸系統。