SpaceX改進Starship火箭：著陸過程可滲出液體制冷

　　據外媒報道，由伊隆-馬斯克(Elon Musk)創立的太空探索科技公司SpaceX正在努力開展一個雄心勃勃的項目：讓人們永久定居在火星上。

　　為了幫助實現這一愿景，馬斯克的公司正在開發一種巨大的、完全可重復使用的發射系統，稱為Starship。

　　據馬斯克的最新描述，Starship被設想為一艘180英尺高的宇宙飛船，將在大約220英尺高的火箭助推器Super Heavy的推動下進入軌道。這艘宇宙飛船可以在低地球軌道上補充燃料，以便一次性將100名乘客和100噸以上的貨物送往火星。

　　但是，發射系統的成敗——以及馬斯克的火星移民計劃——可能取決于最近兩個重大設計變化的可靠性。馬斯克形容這兩個變化是“激進的”和“違反直覺的”。

　　其中一個變化是用不銹鋼合金代替碳纖維復合材料來建造這個宇宙飛船。但根據航天工業專家，最令人驚訝的變化，則是避免Starship在火星和地球大氣中燃燒的方法。

　　馬斯克說，Starship不會像美國國家航空航天局(NASA)那樣依靠數千塊厚重的瓷磚來保護避免高溫，而是會通過微小的孔洞來“排放”火箭燃料降溫。從理論上來說，在Starship的鋼殼和它通過大氣時產生的熾熱的等離子體之間注入液體，可以防止它被燒毀。

　　但是，航空航天工程師、美國宇航局太空技術與探索理事會主任沃爾特-恩格隆德(Walt Engelund)表示，SpaceX能否實現這種大小和設計均前所未有的發射系統，還有待觀察。

　　“龐大的航天器進入大氣層、下降和著陸是NASA幾十年來一直面臨的挑戰。我們花了很多時間，也考慮了很多在火星上做這件事的方法。”恩格隆德說，“我們著陸了大約一噸重的好奇號漫游者火星探測器——這是我們在火星表面降落過的最大的東西。”

　　恩格隆德說，從一個汽車大小的火星探測器到一艘滿載人類的建筑物大小的飛船，這是一個巨大的變化，這比“好奇號”著陸“困難幾個數量級”——大約是100倍——他說，讓“好奇號”在火星上著陸“可以說是我們在NASA做過的最困難的事情之一。”

　　“這對我們和SpaceX來說都不是一件容易的事。”恩格隆德說。

　　Starship為啥變成超重火箭

　　馬斯克認為，到2050年，他可以在這個紅色星球上建立一個自給自足的城市。他希望讓人們去火星的單程票價像地球上的房子一樣便宜，而且返程是免費的。

　　“Starship超重型發射系統”是馬斯克計劃實現這一目標的方法。他說，改用不銹鋼合金是一種降低成本和更快地建造該系統的方法。

　　“Starship將看起來像水銀。”馬斯克在去年12月談到這一變化時說。他還補充說，Starship將進行鏡面拋光，以幫助反射熱量——這也可以幫助制冷。

　　在接受《大眾機械》(Popular Mechanics)雜志采訪時，馬斯克解釋說，不銹鋼的重量大約是SpaceX計劃在9月份使用的輕質超強碳纖維復合材料的67倍。與碳纖維相比，鋼更容易加工，可以更快地成型，并可以更好地經受住極端高溫。

　　更重要的是，馬斯克說，當不銹鋼接觸到超冷液體，包括Starship在太空中用于自我推進的低溫甲烷和氧氣時，它的強度“會提高50%”。

　　然而，鋼的問題在于，它的材料密度很大，而且很重。通用動力公司(General Dynamics)至少有一個早期版本的Atlas導彈是用這種金屬制成的，在發射臺上，它在自己的重量壓力下變形了。

　　然而，馬斯克表示，SpaceX對鋼材的使用方法有很大不同，它將使重新設計的Starship變得更結實、更耐用以及相對更輕。最終，他說，材料的改變將使Starship的性能超過以前的設計。

　　馬斯克今年1月在微博網站Twitter上寫道：“我相信，不銹鋼Starship將比先進的鋁或碳纖維更輕。”

　　但是，盡管鋼很堅韌，但它并不是無敵的，尤其是當它作為在大氣中穿行的航天器的外殼時。

　　流出液體制冷

　　Starship能以每小時1.9萬英里的速度進入火星和地球的大氣層。馬斯克說，在這樣的速度下，這艘船的薄弱部分，比如它的鼻子，可能會暴露在大約2700華氏度的溫度下。

　　馬斯克說，這樣的高溫足以破壞SpaceX用來做Starship外殼的鋼合金。這種材料被稱為310S，通常被稱為耐熱金屬，因為它含有大量的鉻和鎳。(這與廚房的鍋和盤子用的鋼沒什么兩樣。)盡管如此，310S鋼仍然會與氧氣發生反應，在2000度左右腐蝕，在2400度左右熔化。

　　Starship需要隔離高溫，這就是為什么馬斯克計劃讓Starship在著陸時滲出液體燃料來冷卻自己。

　　馬斯克告訴《大眾機械》，他決定放棄類似航天飛機的隔熱瓷磚，以減輕重量，防止損壞或丟失的瓷磚損害隔熱層。

　　相反，他解釋說，Starship將從其鋼皮上的小洞滲出火箭燃料。這層液體將帶走Starship進入大氣層時摩擦產生的巨大熱量。

　　“在迎風一側，我想要做的是擁有有史以來第一個蓄熱式隔熱板。一種雙壁不銹鋼外殼——就像不銹鋼三明治一樣。”馬斯克說，“你在夾心層之間流動燃料或水，然后你在外殼中留出微小的孔，讓燃料或水流出。如果你不湊近看，你就看不到這些小孔。”

　　他補充說，隔熱層還可以強化Starship的鋼體。

　　馬斯克說：“據我所知，這是以前從未有人提出過的方法。”

　　專家稱，馬斯克是對的，沒有任何宇宙飛船在發射進入軌道和返回地球使用這樣的隔熱裝置。但通過排液來隔熱的概念并不新奇，而且這個方法在歷史上一直是一個非常棘手的工程挑戰。

　　洲際彈道導彈的蒸騰冷卻設計

　　馬斯克說，Starship的發射系統將被拋光到像鏡子一樣的程度。

　　數百萬年來，哺乳動物皮膚就具有蒸騰冷卻的作用。例如，當人體溫度過高時，微小的毛孔就會排出汗水。這些液體隨后蒸發，以帶走多余的熱量，防止過熱。

　　在將宇航員送上月球之前，NASA受大自然的啟發開始嘗試蒸騰冷卻系統。

　　“蒸騰冷卻的想法并不新鮮。這已經存在了幾十年了。”恩格隆德說。

　　美國宇航局在1965年申請的一項專利建議使用宇航員的尿液來冷卻太空艙底部的隔熱層。早在2006年，美國宇航局就花費了至少7萬美元用于研究一種可充氣的、蒸騰冷卻的隔熱裝置，以幫助航天器在火星上著陸。

　　“流汗的”的航天器也在冷戰軍備競賽中發揮了作用。1976年3月，美國國防部為重新進入大氣層的航天器設計了一種具有蒸騰冷卻作用的鼻尖。這種航天器乘坐洲際彈道導彈進入太空，然后以每小時數千英里的速度重返地球大氣層，并用核彈頭攻擊遙遠的目標。

　　但根據美國空軍的歷史文件顯示，該項目在20世紀70年代后期被取消，原因是資金有限和“設計問題一直困擾著開發工作”。相反，工程師們選擇了更簡單的“燒蝕”防熱材料，在重返大氣層時通過燒蝕材料受熱分解和氧化燃燒帶走熱量。

　　與美國國防有關的蒸騰冷卻隔熱裝置的設計及其存在的問題大多數屬于機密信息。但研究太空運載火箭軍事用途的航天工程師喬治-赫伯特(George Herbert)稱，“它被報道的和已知的問題包括蒸騰氣孔堵塞問題等。”

　　換句話說，青少年皮膚普遍面臨的問題是：毛孔堵塞。

　　“如果鳥在你的火箭上拉屎怎么辦？”

　　幾位專家稱，他們對Starship隔熱設計中的微孔堵塞問題感到擔憂。

　　恩格隆德說：“你可以想象，如果它們是微小的孔洞，它們不需要太長的時間就會被堵塞。”

　　德維恩-戴伊(Dwayne Day)曾幫助調查了美國宇航局哥倫比亞號航天飛機及其機組人員墜毀之謎。他設想了一種令人煩惱的常見情況，即Starship在地球上的任何發射場都會面臨小孔堵塞的情況。

　　“如果一只鳥在你的火箭上拉了屎，堵塞了幾個洞，然后當它重返大氣層時，這幾個小洞里沒有滲透液體降溫，那么這部分就會變得過熱。這該怎么辦呢?”戴伊寫道。

　　恩格隆德說，在NASA的高超聲速風洞中進行的測試中，他看到了冷卻系統堵塞的問題。在這些實驗中，航天器的比例模型被放置在風洞中——風洞能以每小時數千英里的速度吹氣——以研究它們的性能。一些測試項目涉及到使液體從模型外殼下方的通道流出以降溫，但并不是所有的模型都通過測試。

　　恩格隆德說：“我見過這樣的情況：當一個通道堵塞時，它會立即被燒穿。”

　　馬斯克曾說過，用甲烷作為冷卻劑可能比用水更好。

　　他在上個月的一條推文中說：“水的快速蒸發可能會導致水凍結，并堵塞冷卻通道。”

　　但恩格隆德也看到了甲烷選擇的挑戰。當暴露在高溫下時，碳氫燃料(如甲烷)中的碳原子可能會“結焦”或粘在一起變成固體。這樣的碎片也可能堵塞微孔。

　　“我會非常擔心這一點。”恩格隆德說。他還補充說，另一個大問題是燃料中的雜質，這也可能導致堵塞。

　　恩格隆德說，解決這些問題的一種可能的方法是留置多余的微孔，以防止某些微孔被堵塞，或流向這些微孔的冷卻劑通道被堵塞。”

　　除了鳥糞和堵塞等問題外，火星上還有細小的灰塵。這可能會堵塞Starship滲出燃料的微孔，而且在紅色星球上可能很難發現和清除這些堵塞物。

　　恩格隆德說：“一般來說，檢查和鑒定對于這樣一個大型主動系統來說是一個值得關注的問題——尤其是在火星上，在那里你無法爬上塔樓進行檢查。我想你可以用無人機。也許這就是他正在考慮的事情。”

　　Starship能承受高溫嗎？

　　馬斯克只分享了Starship最新設計的小部分，并沒有像過去那樣向公眾展示一幅完整的圖片。(本文中的效果圖是由3D藝術家基米-塔爾維蒂提供的。)。

　　但馬斯克在去年12月說，等到三四月他的公司在得克薩斯州制造的原型火箭成功發射后，他將“提供詳細的解釋”。

　　與此同時，馬斯克分享了一段視頻，看起來似乎是在測試Starship的金屬隔熱材料。目前還不清楚SpaceX在蒸騰冷卻設計方面做了多少研究。

　　“如果他們沒有測試和驗證他們想做的事情，那么這將是一個巨大的風險。”赫伯特說。“但如果他們已驗證有效，那么他們的新設計將是真正的贏家。”

　　恩格隆德說，即使不成功，馬斯克的Starship也不一定就走進了死胡同。

　　“如果他發現這個方法站不住腳或太昂貴，那么他可能會想出一個更好的辦法。”恩格隆德說，“在他的職業生涯中，他真的很擅長這一點。”

　　SpaceX還期望通過工程師們的努力不斷地進行調整和改進，以使Starship成為現實。

　　該公司一位發言人在談到Starship的設計時稱：“我們現在采用的設計方法也是曾導致獵鷹1號、獵鷹9號、獵鷹重型和龍火箭計劃取得成功的方法，而且我們采用的是相同的快速更新速度。”

　　但SpaceX拒絕將Starship與美國宇航局的“好奇號”漫游者進行任何比較。

　　SpaceX說：“好奇號突破了上世紀70年代火星[進入大氣層、下降和著陸]技術的極限，包括一種特定的基于降落傘的EDL架構。我們借鑒了我們設計獵鷹9號的經驗，采取了與好奇號完全不同的方法。在它飛往火星之前，我們有足夠多的機會在地球上進行演示。”

　　盡管SpaceX發射Starship并在火星上著陸的任務似乎面臨著很多的障礙，但沒有專家說，SpaceX的系統是不可能實現的。

　　恩格隆德說：“他們已做出了很多讓人感到驚訝的事情，他們有很多聰明的人為他們工作，馬斯克似乎真的很上心。也許我們可以和他們合作做一些事情。我想會有機會的。”