星舰返回地球时,不是直挺挺地落下来。它先以腹部朝下的姿态滑过大气层,直到最后一刻才翻转成直立状态准备着陆。这个动作看着像杂技,其实是整套飞行剖面里最讲究的一环。
SpaceX在设计星舰时就没打算照搬现成规则。这枚仍在研发测试中的火箭,目标是把载荷和乘员大规模送上火星,任务本身没有先例,飞行方式也只能另起炉灶。侧身下坠、临门翻身,正是这套思路的产物。
为什么要侧着掉?答案藏在再入阶段。星舰以腹部朝下的姿态进入大气层,能尽可能多地把腹部和隔热瓦的面积暴露出来,靠气动阻力被动减速,同时把再入产生的热量交给隔热瓦偏转和吸收。等进入更稠密的大气层,星舰以终端速度自由下落,此时重力与阻力达到平衡。为了不让下落完全失控,星舰的襟翼可以伸出或收回,用来改变终端速度,也能做倾斜机动来调整姿态。
翻转动作本身发生在离地1.5英里到980英尺之间。高度选在哪里,是一笔要算清楚的账:翻转点越高,消耗的燃料越多,最终可能吃掉宝贵的运载能力;翻转点越低,三台发动机就得同时以最大推力工作,一旦某台发动机出问题,几乎没有容错余地。每次着陆尝试前,都要根据当次任务的参数,预先定下这个效率居中的位置。
翻转不只是为了把姿态摆正。它同时帮助星舰高效燃烧燃料,从而最大化运载能力,也为着陆阶段留出应急选项——万一猛禽发动机出现故障,还有回旋空间。按模拟结果,在正常着陆序列中,舱内乘员承受的过载大约只有2.5倍重力。
整套流程要分两段看。星舰从超重型助推器上分离后,助推器翻转、点火返航,飞回发射塔等待被接住;星舰则继续奔向地球轨道及更远处。返回时,星舰先点火做离轨制动,把速度降到刚好能脱离轨道、开始再入的程度,然后以大约60到70度的攻角腹部朝下俯冲。
如果最终选择由发射塔的机械臂接住星舰,理想的着陆序列会围绕燃料效率和安全余量来设计:翻转完成后用刚好够用的推力减速,把星舰平移到接住的位置,再在低空稳住悬停,并尽量缩短悬停时间。星舰装有三台海平面猛禽发动机,另有用于太空的三台真空发动机;在近几次飞行中,翻转和着陆点火阶段三台发动机全部投入,随着速度下降逐台关闭。这样每台发动机都留有推力余量,若其中一台失效,其余发动机可以加大油门补上。
这套下坠加翻转的动作并非纸上推演。在星舰近期的第13次飞行测试中,下降与翻转机动顺利完成,星舰实现了软溅落,随后从溅落点被打捞回收,过程相当艰难。
时间表那边也有压力。星舰仍处于测试与研发阶段,而SpaceX需要在2028年前完成星舰的研制,以满足NASA载人阿尔忒弥斯4号任务的截止期限。
热门跟贴