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馬斯克頭疼了:星艦發動機并非崩壞, 而是工作不穩定, 這下麻煩大了!
2023/04/25

保守估計,全世界至少也有數百萬人見證了馬斯克的星艦凌空爆炸,并且現場還是一片歡呼聲,很多網友都留言,這馬斯克的發射團隊到底怎麼了,為什麼爆炸了還一片歡呼?

另一個問題則是爆炸的原因,直播過程中不斷有發動機關機!發射后公布了發射台的照片,由于沒有導流槽設計,發射台底部的水泥地被刨出一個大坑,附近大量車輛與攝像機被碎片摧毀,會不會是碎片把發動機崩壞了?

發射過程:謎一般的設計,謎一般的爆炸

第一眼看到發射現場時直接就驚呆了,只有一個發射台卻沒有常見火箭發射的導流槽,比如NASA航天飛機發射時導流槽中會噴入大量的水,其作用是降溫避免燒壞導流槽,而導流槽的用途是將火箭的高溫燃氣導向設計方向,避免其損壞發射台甚至反沖損壞發動機。

另一個加注的燃料罐距離火箭發射台也太近了,據網上公布的資料,兩者相距據估算只有60米,要是星艦傾倒砸下來,不僅星艦毀了,而且現場加注的燃料罐也全部被摧毀,實在不太合理。

發射:果然出問題了,地面刨了個坑,附近汽車都遭殃

這些小瑕疵并沒有影響大家看星艦發射的熱情,畢竟大部分朋友都不是特別了解發射場的危險性。雖然4月17日的閥門凍結讓大家大失所望,但4月20日這次在倒計時結束后延時后依然準備發射讓現場歡呼雀躍。

星艦的起飛實在是太壯觀了,有人說就像核彈爆炸現場,現場的朋友應該有這個感覺,小編看的直播是遠景并且是「上帝視角」,這個感覺就差了很多,不過如下動圖依然可以讓各位感受下它的澎湃動力:

上圖應該是發射場千米以外的汽車,被一塊從星艦發射現場氣浪帶走的「石塊」把車玻璃直接給砸碎了,另據現場其他一些照片情況來看,這個問題還挺嚴重。

不過星艦還是從發射台上徐徐起飛了,隨著「33台」發動機發出的嘶吼聲,星艦越來越快,讓人感到很不錯的事NSF的現場直播左下側居然還有發動機工作台數的實時顯示,隨著星艦飛得越來越快,發動機一台台「熄滅」,到2分35秒以后,星艦的姿態就不對了,似乎正繞著某個質心「公轉」。

此后姿態完全失控,整枚火箭開始低頻度搖擺直至「轉圈」,最后在3分58秒時星艦爆炸了,一個快速擴散的火球在天空崩裂開來,不久后再次發生了爆炸,星艦終止在了發射后大約4分鐘左右,高度約為39千米。

直播的圖像不是很清晰,看不到發動機詳細的工況,4月21日,網上出現了Cosmic Perspedtive長焦相機光學跟蹤拍攝的高清視訊,終于看清了發動機的「工況」,此時已經有5台發動機停機。

然而情況并沒有停止惡化,還有發動機工作不穩定,不過此后鏡頭切回遠景,已經看不清細節,但很快就在底部的一側出現強大的火光,繼而發生了大爆炸,據SpaceX官方的說法是在控制下自毀了,而坊間傳聞的是可能是發動機嚴重故障導致爆炸,就目前而言,官方說法仍然是可信的,但仍然不能排除故障導致爆炸的說法。

既然星艦發動機并非崩壞,那麼到底是什麼原因?

星艦發射失敗,幾乎就是意料中的事情,因為馬斯克就說過,沒有炸在發射台上就是勝利,而事實上做到了,這也是工作人員鼓掌的原因!星艦艱難的爬升到39千米高空才炸,此時已經在墨西哥灣,發射前已經清空航道以及經過的海域,不會造成太大的影響。

不過小編相信馬斯克還是希望成功的,盡管這次星艦發射并不入軌,即使成功其最終的落點也在太平洋某處,因為這本來就不是一次入軌任務,也沒打算回收二級,不過一級如果分離成功的話還是打算回收的。

星艦失敗:到底是什麼原因?

關于星艦發動機失敗的問題,很多朋友都很好奇,有好事的朋友已經算過了,33台發動機,最終正常工作27台,那麼單台火箭的成功率:x^33=27/33,用計算器算一下得出:單台箭發動機的可靠性為99.39%。

雖然有朋友指出這個算法太暴力粗糙,應該用機率論的二項分布計算,不過如果是粗略估計的話也差不多可以用了,單台可靠性99.39%,這個已經相當高了,雖然算法告訴我們,壞55台在這個可靠性范圍,但大家依然喜歡自己的思維去理解。

此后不久,星艦發射現場的照片開始傳出來,因為星艦起飛的動靜實在是太大了,大家都想看看發射台究竟是什麼情況,起初出現的是一張航拍照,可以看到發射台已經受損相當嚴重,而且發射台底部的水泥似乎都被刨去了一層,難怪發射現場飛沙走石,原來還真是水泥塊,太危險了!

底部的水泥地面已經消失不見,只留下了「爛泥地」,發射台是一個類似大圓桌的鋼架結構(很像鋼筋水泥結構,但它真的是剛結構),但此后公布的照片更加驚人,因為發射台底部簡直像開挖了地基:

看來這個推力6000多噸的巨物起飛對地面的破壞力實在是太達了,所以馬斯克在發射后發推特表示,這個導流槽還是要考慮一下,要不然每次都把周圍幾百米的資產都給破壞了實在不合適。

但有更多的朋友卻把星艦的發動機故障和水泥地面被刨掉聯系了起來,因為強大的火焰直達地面后會反沖到發動機,并且被高速火焰激起的水泥塊也可能反彈至發動機,從而導致發動機管路甚至噴口損壞,這可能是導致大量發動機受損的主要原因。

星艦發射時亂飛的「水泥碎塊」

如果是這樣的話,馬斯克可能真要腸子都悔青了,好消息則是下次增加導流槽后成功率可能會大幅增加,也算是不幸事故中的利好消息!不過在NSF論壇的L2卻指出,目前的調查表明,并沒有證據表明有發動機因為起飛時被水泥碎塊撞擊而損毀。

這既是個好消息又是個壞消息,好消息是馬斯克腸子不用悔青了,壞消息是星艦得歸零重來,因為接下來的事故原因可能就復雜了,因為火箭發動機堆砌在一起想要正常工作的工況完全不是SpaceX的工程師預計的,可能要更惡劣一些。

注意,這只是29台發動機的B-4

因為發動機并聯后振動會互相影響,氣流也會互相影響,甚至熱管理都需要一整套系統來管理,可能是振動耦合導致,可能是發動機控制系統等等,估計又是一個遙遙無期的事情。

另一個則是從視訊分析來看,目前主流的觀點是液壓系統可能提早失效,導致了姿態控制失敗,這可能是螺旋回轉的主要原因,而則可能也是導致一二級無法及時分離的重要原因,本來在0千米高度就是一級分離的階段。

并且也可以控制提早分離,因為一級已經失效,但二級尚未點火。此時的一級如果提早分離,不僅可能可以挽救星艦,并且還有可能完成任務,因為這次本來就不是一個入軌任務,一級故障,如果二級成功了也算是一次偉大的進步。

但最終姿態失控、一二級無法分離、凌空爆炸,這不由得讓大家想起了前蘇聯的N1巨型登月火箭,不得不懷疑這馬斯克的大火箭真的靠譜嗎?

二十一世紀的N1發動機:到底有沒有出路?

星艦是一種近地軌道運載能力達到150噸級的「怪物」,其設計理念是全回收,一級脫離后可以返回著陸地回收,而二級入軌后可以再入大氣層最后垂直降落,這是大家認為馬斯克的技術超越地球30年的重要原因。

另一個也是被大家所詬病,因為這種近地軌道載荷150噸的怪物的一級發動機居然是33台猛禽發動機并聯在一起,二級火箭則是三台猛禽發動機,最大起飛重量達到了4927噸,其中星艦裝載量1095噸,超重型火箭裝載量3832噸!

猛禽發動機單台台推力可達230噸力,超重型火箭配置33台第二代猛禽發動機總起飛推力峰值高達7590噸,如果用于消耗型發射的話,其近地軌道載荷可達250噸。

這種小型發動機并聯成大推力模式的火箭和當年的前蘇聯N1火箭如出一轍,N1是前蘇聯的登月火箭,當年與阿波羅計劃的土星五號火箭競爭,由于前蘇聯無法制造出像F1(土星五號一級火箭發動機,推力680.39噸),只能用30台推力143.2噸的NK-15強行并聯出一枚超級火箭。

N1火箭高度達到了105米,底部直徑17米,最大起飛重量2750噸,到LEO軌道載荷為95噸,這個參數比土星五號還是略低一些,但這個操作思路卻不得不令人叫絕,30台發動機并聯,當年的自動控制技術完全達不到目前的水平,前蘇聯也敢這樣操作,不得不佩服。

其思路是這樣的,N1火箭的冗余推力也不錯,如果一台發動機失效,那麼把對面的那台發動機關了即可保持推力平衡,理論上可以同時關閉8台發動機而保持推重比大于1,這個可行性看起來挺高!

但因為科羅廖夫死后由瓦西里·米申接管,他協調能力遠不如科羅廖夫,前蘇聯的工程能力以及技術水平也有欠缺,N1火箭是屢屢爆炸,不是在空中爆炸就是在發射台上爆炸,最后炸到自閉了,不得不放棄載人登月。

星艦就是N1的翻版:控制技術已經進步,但并不代表成功

此前就有大量「專業人士」討論星艦是否會步入N1火箭的后塵,其中的支持者就認為現在的自動控制技術已經今非昔比,33台發動機的控制得心應手,馬斯克也曾對星艦的發動機控制技術贊不絕口,表示星艦發動機控制平衡能力沒有問題。

但在4月20日的發射中發現了幾個問題,一個是發動機推力不平衡后并沒有保持平衡,反而進入了螺旋,第二則是發動機工作惡劣程度遠超SpaceX工程師的預計,這表示此前的發動機控制或者支撐結構設計上存在嚴重問題,無法杜絕相互之間的影響,或者無法將發動機的影響隔離在單台發動機的范圍之內,反而會不斷蔓延,從而導致不可控的事故發生。

另一個則是液壓系統,泵后搖擺是控制火箭姿態的重要技術,不是無法補償就是液壓系統失靈了,至于是什麼原因導致的就是一個大問題了,火箭已經炸了,需要通過海量的測控數據區分析問題,這就有點頭疼了。

作為二十一世紀最重大的項目之一,小編還是祝愿馬斯克可以成功!

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