马斯克的火星飞船试飞，结果又炸了，问题出在哪儿？

本文来自微信公众号： 果壳（ID：Guokr42） ，作者： Lsquirrel，题图来自：SpaceX

还记得去年12月9日，SpaceX在直播里又双叒叕炸飞船了吗？

星舰SN8号原型机在落地时“计划外快速拆解” | SpaceX

当时，火星飞船原型SN8号星舰进行了首次高空飞行试验，落地时速度过快导致“计划外快速拆解”。

直播画面最后定格在炸碎了一地的残骸上，下面打出一行字幕——SN9 UP NEXT！

炸碎了一地的SN8号星舰 | SpaceX

北京时间今天凌晨2点25分，上次被cue到的SN9号星舰在美国得克萨斯Boca Chica的试验场点火起飞，再次挑战高空飞行测试。

结果，在完成升空、关机、放躺和飘落等一系列动作之后，星舰SN9没能完成落地前最后的翻身动作，倾斜着砸向地面，又一次演示了计划外快速拆解。

简单说，星舰SN9也炸了。

星舰原型机SN9号落地瞬间 | LabPadre

星舰及其配套的超重火箭，被SpaceX的埃隆‧马斯克寄予厚望。前不久，他还透露了自己的宏大计划：未来10年内，他希望建造1000艘星舰，要在2050年前送100万人移居火星。

未来的火星基地想像图 | SpaceX

再回来看看星舰SN9号飞船，可能不少人会大吃一惊：就这？也太简陋了吧！要不是刚飞炸了一回，谁相信它能上天？更别说飞向火星了……

星舰SN9号原型机细节 | Adrian Aguilar

其实，星舰的这副古怪模样，是SpaceX工程师精心设计的结果。

银光闪闪大瓶胆

无论是功亏一篑的SN8，还是再次功亏一篑的SN9，最抢眼的都是那银光闪闪的外壳，星舰也因此被很多人戏称为大号暖瓶胆，完全颠覆了我们对火箭和飞船的传统印象。

之所以如此银光闪闪，是因为星舰是用不锈钢材料造的。对，就是你家厨房里锅碗瓢盆常用的那种不锈钢。

事实上，星舰的前身，即星际运输飞船 （ITS） ，在2016年马斯克刚刚提出概念的时候，用料还是挺高大上的，打算用碳纤维复合材料来造燃料储箱。后来，设计方案几经更改，到2018年，马斯克决定彻底更换制造材料，改用廉价的不锈钢来造飞船。

曾经，SpaceX也想过用高大上的碳纤维来造星舰 | SpaceX

据马斯克说，这是仔细斟酌后的选择。对比碳纤维和不锈钢这两种材料：

• 碳纤维虽然又轻又坚固，但实在太贵，每千克成本高达200美元，而301不锈钢只要3美元；

• 在液氧和甲烷推进剂所处的超低温下，不锈钢强度会提高50%以上，强度重量比媲美碳纤维，同样能做到轻质坚固；

• 碳纤维复合材料耐热能力弱，而不锈钢熔点高、耐热能力强，减轻了热防护系统的设计和制造难度；

• 碳纤维加工难度高，加工速度慢，而不锈钢易于加工制造。试想，如果星舰在火星上出了问题，去哪里找碳纤维的加工工具和人才呢？

总而言之，列举了不锈钢的诸多好处后，马斯克大手一挥，把星舰的结构材料换成了不锈钢。

不过话说回来，不锈钢造火箭在美国也早有先例，早期的雷神导弹和大名鼎鼎的半人马上面级，用的都是不锈钢，跟星舰一样银光闪闪。

1966年发射勘测者2号月球着陆器的半人马上面级，就是不锈钢的 | NASA

火箭还长大翅膀？

星舰另一个吸人眼球的特点是，它长着两对大“翅膀”，还能呼扇，跟其他火箭固定不动的短小尾翼截然不同。

历代星舰及火箭的设计演变 | KIMITALVITIE

星舰的“翅膀”同样经过了多轮迭代发展。

星舰的前身ITS外形极为科幻，没有“翅膀” （上图左一） ，改款后的BFR （大猎鹰火箭） 先是有了一对大“翅膀” （左二） ，后来又变成了一对鸭翼加三个尾翼的独特设计 （左三） 。马斯克称，这样的改动受到了《丁丁历险记》中火箭设计的影响。

星舰前身的一款设计跟丁丁历险记里的火箭有点像 | 《丁丁历险记》

当然，马斯克的个人倾向最后还是要向实际的工程取舍让步。最终，星舰改成了现在这样一对鸭翼和一对尾翼的设计，以实现再入大气层尤其是垂直降落时的气动控制。

这两对“翅膀”不是用来产生升力的，无法像航天飞机那样低速平飞。它们的作用主要是产生阻力，控制星舰的姿态和航迹。这不仅和普通飞机或者航天飞机大相径庭，和外形相近的导弹也截然不同。

星舰飞船（左）与航天飞机（右）和载人龙飞船（中）的对比 | Dale Rutherford

这种新型“翅膀”，设计简单，做工可以用粗糙来形容，但它的气动特征相当出色。

从这两次高空试飞来看，前后两对“翅膀”配合使用，无论星舰在高空放躺自由下落，还是落地前水平拉起改为垂直下降，都能有效控制箭体姿态，飞控表现堪称完美。

降落堪比高台跳水

话又说回来，为什么星舰试飞要搞得如此花里胡哨，又是放躺又是翻身呢？

因为按照设计，星舰要从地球轨道甚至更远的轨道再入大气层返回，必须考虑超高速再入大气层的姿态控制和航迹控制等问题，飞控比猎鹰九号火箭第一级复杂得多。

猎鹰九号火箭第一级，以及同款的重型猎鹰火箭助推级，是目前唯一实现了轨道发射回收复用的火箭。2018年重型猎鹰首飞时，两枚助推火箭肩并肩垂直落回着陆场的画面，相信不少人还记忆犹新。

重型猎鹰两枚助推着陆回收经典画面 | SpaceX

但星舰飞船不可能那样直上直下，因为将来它从外太空返回地球时，速度将是猎鹰9号的3～4倍，只靠剩余的燃料是不足以给自己减速的。

唯一可行的办法，就是机腹朝前“拍”入大气层，这样可以用来“兜风”的面积最大，能够产生足够的空气阻力，把自身速度降到可以安全着陆的范围。

星舰飞船从外太空返回地面的非官方演示视频 | NickHenning3D

这也是两次高空试飞中，星舰在下降时会在空中躺平的原因。

这种独特的下落姿态被称为bellyflop，在英语口语中是指胸腹着水的跳水动作，形象地描述了这个动作的笨拙。很多人干脆把这个动作称为“肚皮向下的可控坠落”。

星舰SN8号原型机的“肚皮下向可控坠落”| SpaceX

但是不是真的“可控”呢？在SN8号原型机试飞之前，马斯克和SpaceX公司的技术团队也没有太大把握。

实际试飞的表现可以说相当出色：星舰的两对“翅膀”响应迅捷，姿态控制相当灵敏，结合喷气反推RCS系统，让星舰很好地保持了接近水平的下落姿态。

注意“翅膀”的动作，这是“肚皮下向可控坠落”的关键之一 | SpaceX

不过，星舰不可能一直肚皮向下，否则就拍地上了。

最后落地时，它还要像猎鹰9号一样，利用火箭反推点火消除垂直和水平方向上的速度，配合伸出的着陆腿实现定点垂直软着陆。这就要求它在即将着陆前，还必须完成一次flip机动，从肚皮向下改为尾部向下，堪称“神龙摆尾”。

这样的特技动作，必须靠星舰那两对特殊的“翅膀”，再配合猛禽发动机的推力矢量控制，才能完成。

SN8号的“神龙摆尾”，水平改垂直，完成度很高了 | SpaceX

靠近地面时做这么大幅度的姿态调整，恐怕也只有马斯克敢想，而且真的敢干！

上个月SN8号星舰原型机试飞时，这样的“神龙摆尾”其实已经完成了，只是最后火箭反推不够给力，落地“硬”了一点，炸了。

SN9号星舰“神龙摆尾”，可惜栽了…… | SpaceX

而今天凌晨，SN9号星舰更是直接栽在了这招“神龙摆尾”之上，最后没能把姿势摆正。

虽然它的两对“翅膀”在呼扇了，但本该开启两台的猛禽火箭发动机只点着了一台。推力不够，小“翅膀”再努力，也回天无力呀！

换个角度再“炸”一次，注意SN9的“翅膀” | NASAspaceflight

两次高空试飞，无论是水平可控坠落的稳定性，还是水平改垂直动作的迅速和精确 （此处单指SN8） ，都证明星舰飞船的古怪设计是有效的，验证了这种疯狂的着陆方式应该是可行的。

只是，最后落地要是能不炸，就完美了。

不过，这也正是飞行“测试”的目的所在——不炸个几次，又怎么能发现哪里会出问题呢？

目睹了SN9试飞全程的SN10（右）表示瑟瑟发抖 | Trevor Mahlmann

就像上次SN8炸机时cue到SN9一样，这次SN9炸机时，SN10号星舰干脆已经立在了测试台上，完完整整地目睹了全过程。

接下来，SN10，该你上了！

本文来自微信公众号： 果壳（ID：Guokr42） ，作者： Lsquirrel