SpaceX通过最新的飞行试验,向下一代火箭迈进

专家和公司都认同:甲烷是未来的火箭燃料。

这对一个圆筒形的原型机来说是一次巨大的飞跃,对 SpaceX 的 火星雄心 来说只是小小的一步。

这个高 60 英尺的“星舰原型机”(Starhopper)是埃隆·马斯克(Elon Musk)希望有一天能在其他星球着陆的飞行器的一个不完全模型,周二下午在美国得克萨斯州的天空中飙升了近 500 英尺。这是该公司猛禽发动机(Raptor engine)迄今为止最重要的试飞,也是第二次也是最后一次试飞。虽然这次试飞让博卡奇卡(Boca Chica)的居民感到沮丧,其中许多人 出于安全考虑撤离了家园,但它通过展示一种以甲烷为燃料的新型火箭,令航空航天爱好者们感到兴奋——这是以月球及更远地方为目标的空间计划的一个重要特征。

哈佛-史密森尼天体物理学中心的天体物理学家兼航天历史学家乔纳森·麦克道尔(Jonathan McDowell)说:“人们谈论使用甲烷发动机已经几十年了,现在它们终于来了。”

周二的飞行是猛禽发动机一系列日益严苛的实验中的最新一次。经过多年的开发,SpaceX 开始进行测试点火,当时这个装置是侧放的并被固定住。之后又进行了两次 原型机机头朝上并被系绳固定 的测试。这个六层楼高的不锈钢圆筒在 七月份 首次自由飞行,离地几十英尺——尽管浓密的烟雾大部分时间遮挡了飞行器。

周二的飞行是 SpaceX 本周第二次尝试飞行——此前一天,由于一个电气故障,猛禽发动机的点火器(类似于火箭的火花塞)在倒计时归零时未能引爆受控爆炸。最近一次成功的测试更清晰地展示了发动机的能力。它上升到空中约 50 层楼高,似乎悬停在斑驳的棕绿色景观之上,然后降落在附近的平台上。整个飞行时长为 57 秒。

除了成千上万的在线观众通过各种直播关注外,一些博卡奇卡居民也观看了这次飞行——但并非出于兴趣。警方担心“故障”如爆炸可能会震碎附近房屋的窗户,因此在飞行前十分钟 分发传单,要求人们(带着宠物)在听到警报器时离开家。

然而,火箭科学家和爱好者们都对这项技术展示表示欢迎,这项技术很可能将为下一代航天器提供动力。单引擎的星舰原型机是通往完整愿景的第一步:一个拥有 35 个引擎的助推火箭(Big Falcon Rocket)和一个拥有 6 个引擎的“星舰”飞船,马斯克希望有一天能载人前往月球和火星。

麦克道尔说:“这是猛禽发动机的一次关键的飞行测试。”

猛禽发动机取代了公司原有的梅林系列发动机,梅林系列发动机使用精炼的煤油,就像大多数传统火箭发动机一样。煤油在 20 世纪 50 年代成为行业首选,因为它每磅燃料提供的推力最大。然而,甲烷有其他优势。除了产生的毒素更少外,对于任何希望离开这个星球——以及其丰富的能源储备——的人来说,它都是显而易见的选择。

麦克道尔解释说,即使火星上不知何故隐藏着一个出人意料丰富的化石记录,煤油的来源——石油——也需要大量加工才能变成火箭燃料。但未来的宇航员可以在火星上制造甲烷,方法是重新排列行星上天然存在的冰和富含二氧化碳的大气中的碳和氢原子。剩余的氧原子可以转化为液体,构成爆炸性配方的另一半。放眼更远的太阳系,这种化合物似乎无处不在。“在泰坦(Titan)的湖泊里,”麦克道尔说,“你可以放进一个茶杯,就能舀起一些甲烷。”

美国宇航局(NASA)此前曾在地面上和 小型飞行器 上使用过甲烷火箭,但本周的 SpaceX 飞行标志着它们首次被用于大型轨道飞行器——这使得这家商业公司有望成为首个将甲烷用于亚轨道和轨道飞行的公司,可能最早在 2020 年。

但马斯克和他的团队将面临竞争。杰夫·贝索斯(Jeff Bezos)执掌的蓝色起源(Blue Origin)公司也在开发可重复使用的火箭,并同样选择了甲烷作为其 BE-4 发动机的燃料。该公司在 8 月初 进行了全功率的试火测试,并希望在 2020 年代初期使用该型号将即将推出的“新格伦”(New Glenn)飞行器送入轨道。

现在 SpaceX 已经成功让其猛禽发动机起飞,下一个技术障碍将是如何将看起来像“飞行水塔”的东西变成一艘能够承受以数倍音速穿越大气层产生的高温的合格航天器。发动机还必须在不同海拔下的各种气压以及真空的太空环境中证明自己。

麦克道尔说,这些环境不太可能让 SpaceX 的资深工程师们束手无策。相反,他认为猛禽发动机设计的真正考验将是,在实际旅行所需的更长点火时间内,是否会出现腐蚀或燃油管堵塞等意想不到的故障。

尽管如此,麦克道尔预计,SpaceX 和蓝色起源之间将迎来一个全新的火箭发动机时代。“甲烷发动机即将到来,”他说,“这是第一次真正严肃的自由飞行。”

 

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Charlie 是一名记者,报道地球内外物理科学领域的发展。除了《流行科学》,他的作品还发表在《Quanta Magazine》、《Scientific American》、《The Christian Science Monitor》等刊物上。此前,他曾在莫桑比克和日本教授物理和英语,并在布朗大学学习物理。您可以在这里查看他的网站。


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