复盘星舰首飞生死4分钟
发布时间: 2023-08-23 22:07:14 作者：产品中心
本期详解星舰生死时速4分钟。先来回放SpaceX官方直播星舰首飞发射过程▼
▲美中时间4月20日早上8:32，即北京时间4月20日晚间21:32。发射倒计时最后45秒之际，星舰首次测试飞行任务发射总监下达GO发射指令。全场内外甚至全球围观者也都跟着屏住呼吸，等待那一刻……
▲倒计时8秒钟，编号B7的超重型火箭发动机控制器自动启动点火程序，33台第二代猛禽发动机开始交错点火，极速释放推力，拉满起飞升空阈值，直到Liftoff。
美中时间4月20日早上8:33，即北京时间4月20日晚间21:33，史上配置最多火箭发动机的星舰系统，好似慢动作一样开始徐徐飞升，首秀天下——这一刻，一举超越航天史上所有巨箭，夺得「最重最强大运载火箭」至尊荣耀。起飞推力轻松超过苏联N1火箭4600吨力，几乎是美国土星五号两倍、中国长征五号7倍。
▲但不祥之兆随即显现。T+16秒，当SpaceX官方直播画面左下挂角开始显示发动机点火状态之初，问题便暴露出来。超重型火箭33台猛禽有3台没能点火，只有30台担纲继续发力。
幸运的是，这正是星舰配置这么多发动机的优势所在——理论上，缺失3台猛禽推力仍能担起发射重任，直到抵达64公里的一二级分离高度。就像现役猎鹰9号火箭那样，即使丧失两台梅林发动机仍能保持充足推力完成第一级使命。相比之下，追求单发大推力、但发动机总数配置少的SLS、德尔塔IV重型、阿特拉斯V、阿丽亚娜5型等传统火箭，只要失掉一台发动机，便会即刻变成灾难。
但不幸的是，星舰首飞自带不幸因子。B7全配置33台猛禽从未有过100%全功率点火记录。今年2月9日，B7唯一一次尝试33台猛禽静态点火，结果31台持续点火8秒钟，另两台因故缺席，一台自动关闭，一台人为关闭。
尽管老马事后解释，缺少两三台仍能保持充足推力完成发射任务。但潜藏问题仍在，让人不禁捏把汗。要知道，航天史上从未出现过此类成功发射——地面静态点火从未实现过100%全功率推进的测试前提下，正式发射未能完全点火、却还能保持充足推力，直至成功达成目标的发射先例。
根据NASA观察员事后披露，作为星舰的监管部门，这种隐忧早在星舰首飞前就已存在，这会给评估星舰项目带来很多不确定。
言外之意，这种带有赌博性质的试飞，对今后监管星舰项目很不利。在NASA看来，一旦发动机没有按计划全部点火，已经是重大失误了，如果还让火箭继续飞行，问题只会更加严重。
①由于起飞推力超出星舰基地当初设计建造的最大承受预期，在没有传统航天发射场必配的导流槽、火焰偏转器、以及更强大喷水系统用于有效压制强大起飞能量的前提下（只有小型喷水系统，用来喷射液氮、水流），这就不可避免地造成发射台及底座、周围混凝土地面的严重破坏，导致大量残片、碎块、沙尘等高速喷射四溅，很可能就有一些碎石残片恰好反弹击中部分发动机。
事实上，早有先例：2020年11月13日，在对上一代原型星舰SN8进行第三次静态点火测试时，就曾遭遇过一次碎石破坏事故，一块混凝土碎石反弹飞溅后，不幸击中专门为发动机极速增压一个控制装置，导致增压过大，当即这台猛禽报废了。
▲再来看看支持这个观点的强有力证据：星舰起飞时造成的巨大破坏力，引发地表最强沙尘暴——发射台基座被掘地三尺，碎片摧毁了停在200码外的汽车，大量碎石坠落海面激起重重浪花，就连10公里外的伊莎贝尔港街头都被沙尘暴侵袭……看到这么大破坏力之后，我们就不难推断：飞片走石碰巧撞坏几台发动机的可能性。
②过早导致多台发动机无法正常点火的可能原因，就是33台猛禽过于密集排列，全部点火造成个别发动机过热，损坏金属部件，因此导致多台发动机短时间就报废了。
③还有一种可能性，就是33台猛禽点火不幸引发共振效应。这种共振效应使得整个发动机系统产生脉冲式推力，火箭推力忽大忽小、频率慢慢的变快，这样就很容易摧毁发动机。这种状况曾在土星五号执行阿波罗6号任务时出现过。尽管在此之前老马曾乐观透露，共振难题已得到解决。但毕竟还没有在一艘星舰身上真正实测过，小规模地面测试总是无法替代星舰系统真飞。
不难想象，就在星舰首飞生死时速4分钟内，这几种状况都有可能发生，甚至叠加发生，导致至少6台猛禽接连挂掉，直到发射阶段彻底失败。
▲T+32秒，超重型火箭尾焰突显异常，骤然变色变大。大约几秒钟内，莫名其妙地引发一次爆炸。有很大的可能是液压动力装置（HPU）被火箭不明部件击中从而引爆。该装置位于超重型火箭下部，共有两组，用来控制发动机平衡、阀门开关、液压装置、推进剂补给等作用。从B9开始，超重型火箭后继者将采用新款设计单元取代原来HPU。
▲这起突如其来的爆炸，貌似并没有影响星舰继续飞升。长长的尾焰至少长达200米，这是120米星舰的1.6倍。
▲T+1分01秒，飞行高度5公里，第5台猛禽熄火。按照原计划，本应在T+55秒通过最大空气阻力点（Max-Q），但此时飞行速度和高度都还无法达到。
直到T+1分18秒，终于通过Max-Q最大考验。这在某种程度上预示着第一艘星舰系统成功通过最严酷的结构压力测试。这是星舰首次试飞令人欣慰的一大壮举。
▲T+1分30秒，飞行高度11公里、时速达1000公里之际，开始快速大量排放推进剂，形成长长的白色尾气，很是壮观。
起初，还以为这是人为操作有意为之，目的是为星舰减重，在缺少多台发动机推进下，借此操作尽快增大速度、提升高度，尽可能逼近一二级分离所要求的条件。
但很快发现，这根本不是人为操作计划的一部分，而是意外泄露事故。因为液氧排放速度出奇得快，足足持续半分多钟，这导致氧化剂严重不足，剩余液氧只占发射时的1/3，剩余液态甲烷约占发射时的2/5，从而造成液氧甲烷余量比例明显失衡。要知道，正常状态下星舰加注的液氧甲烷质量比是3.57。也就是说液氧存量是甲烷的3.57倍。而从SpaceX官方直播画面左下角信息数据显示，此时液氧却比甲烷明显少。所以不可能是人为操作，故意排放推进剂，只为了星舰减重。
▲等到升空两分钟之时，飞行高度提高一倍，飞到20公里，提速至1553公里/小时。
▲但好景不长。紧接着就在T+1分40秒，飞行高度14公里，时速1182公里，第6台猛禽熄火。
▲很快又出现戏剧性反转。T+1分51秒，飞行高度17公里、时速1371公里，刚刚熄火的第6台猛禽再次点火。
有人分析称，这很可能是人为操作所为。理由是因为硬件故障导致的发动机关闭，几乎不可能重新点火。但地面飞控人能通过重启发动机操作，试图控制发动机平衡或者消除共振问题。
不过，相反的证据似乎更有信服力。以上分析都是基于SpaceX官方直播画面透露出的信息（画面左下挂角显示的发动机点火状态示意图）。但问题是，我们经过反复查看这个示意图，再跟其他信息源同步作对比，却发现：发动机点火状态差异较大。也就是说SpaceX官方给出的信息与其他信息源披露的不一致。
▲知名航天摄影师John Kraus发布的高清图片清晰显示，T+1分51秒前后，超重型火箭多达8台猛禽熄火。有图为证。
▲无独有偶。资深航天摄影师Jenny Hautmann在同一时间点拍摄的照片显示，8台猛禽处于熄火状态。
▲还有更具说服力的高清影像。著名航天媒体Everyday Astronaut发布的8K视频显示，同样是在这一时间点，多达8台猛禽未能点火。
▲星舰专业粉SpaceXFanClub甚至制作出33台猛禽分布图，以及熄火的8台猛禽具置。
所以，在多个信息源给出两种不同答案的情况下，所谓「第6台猛禽重新点火很可能是人为操作」难以站得住脚。毕竟，这一猜想依据的信息都不太靠谱。
不管是缺少6台，还是8台猛禽发动机推力，反正在上升阶段都已无法达到预先设定的飞行参数。不仅如此，即便是快速大量排放推进剂为自身减少质量的前提下，当发射升空2分多钟后，超重型火箭尾焰慢慢的出现不对称燃烧的异常状况。
▲T+2分33秒，水平飞行方向突然转向180度，这是明显不受控的异常状态。此时飞行高度达到32公里，时速2130公里。
▲T+2分40秒，星舰制导与控制系统（Guidance& Control）开始试图调整飞行方向，结果不仅操作无效失败告终，还出现了戏剧性一幕：高达120米的整个星舰系统开始上演360度大翻滚。宛如一条游龙青天画圆飞舞，自带炫丽的尾焰，飘逸的彩带……就像这出星舰首飞大戏突然抛出来的大彩蛋。恰好印证了马斯克此前预见：不保证成功，但保证精彩。
▲T+3分21秒，此时此刻星舰冲到最高点39公里，时速1711公里。这也是星舰开发以来历次测试飞行当中到达的最高点。在此之前，上一代星舰SN8在2020年12月9日测试飞行时，最高飞到12.5公里。
T+2分32秒—T+3分59秒，就在这1分半钟内，历经4次360度高空翻跟头，飞行高度从最高点39公里下坠到30公里，但整个舰体仍保持合体状态，没有分离更没有解体。只是到了飞行姿态不受控没有办法挽回的地步。是时候必须终结这一切。
星舰首飞生死时速4分钟，就此彻底终结，折戟于30公里高空，壮烈于墨西哥湾上空。
首先从SpaceX官方直播视频和多个跟拍影像入手，经过反复观看分析得出，应该是地面飞控人员启动飞行终止系统（FTS），间隔2秒，先后引爆超重型火箭、星舰飞船爆炸解体的。有上图为证。
再有一些媒体从FAA官员得到证实，SpaceX飞行控制团队确实发出FTS指令，最终引爆整个星舰的。但据悉，启动FTS有些延迟。目前还不清楚：到底是上行链路问题，还是FTS自身问题？
星舰飞船、超重型火箭各自装配自动飞行终止系统（Autonomous Flight Termination System）缩写为AFTS，这是飞行终止系统（FTS）自动化改进版，既可以自动触发，又可以人为指令。该系统采用冗余计算机，利用GPS全球定位系统和INS惯性导航系统，以及飞行软件规则跟踪星舰飞行路径，如果星舰偏离飞行路径，潜在危及公共安全时，AFTS就会触发指令引爆箭体，空中炸毁星舰，并产生足够大的爆炸力，确保不能残留较大残片坠落在划定的自毁区域。这次星舰首飞就是在箭体飞行姿态完全失控状态下由飞控人员发出指令完成的。
尽管星舰首秀只有短短4分钟，却牵动无数人的心弦。先驱不畏身先死，勇者不惧开头难。为了尽早演化为成熟版星舰，这类牺牲都是必付的代价。就像之前那些葬于火海中的星舰先烈们一样，它们都会在荣耀的星舰殿堂里列队迎接最终的胜者。