星舰快速可重复飞行的解药，竟是一种新材料？
9月11日消息，距离SpaceX上一次星舰试飞已经过去两周时间，工程师们诊断出了隔热罩存在的问题，确定了改进方案，并为下一次太空飞行制定了初步计划。
SpaceX负责建造与飞行可靠性的高管比尔·格斯滕迈尔（Bill Gerstenmaier）于本周一在克利夫兰举行的美国航天学会格伦空间技术研讨会上公布了这些信息。
星舰于8月26日从SpaceX位于美墨边境以北的得克萨斯州星舰基地发射升空。这是SpaceX超重型助推器与星舰上面级的第10次全尺寸联合试飞，二者共同组成了世界上最大的火箭。
8月26日的试飞有两大核心目标。首先，SpaceX需要解决此前三度困扰星舰完成试飞任务的推进和燃料系统问题。其次，工程师们亟需获取星舰隔热罩的关键数据。当飞船再入大气层时，这个由数千块隔热瓦构成的阵列负责覆盖着飞船腹部。
格斯滕迈尔表示，“整体进展极其顺利。”
升空后一个多小时，星舰自主引导至澳大利亚西北部的印度洋，实施了受控溅落。飞船最终落点距离目标点不到10英尺（3米），附近布设的充气浮标完整记录了其最后的下降过程。
从浮标及附近悬停的无人机拍摄的影像可见，星舰最初是以腹部朝下的姿态坠落，然后在溅落前瞬间点燃六台猛禽发动机中的三台，实现船体翻转并直立入水。但飞船仍留有“战斗痕迹”：尾部及襟翼有肉眼可见的损伤，最引人注目的是飞船侧面的大片锈橙色斑痕。
SpaceX创始人埃隆·马斯克（Elon Musk）表示，变色是因为测试用金属隔热瓦的氧化反应。安装这些金属瓦是为了对比它们与船体上大量陶瓷瓦的耐用性和隔热性。马斯克说，与以往不同的是，这次飞行中几乎所有隔热瓦都全程保持完好。
深度解析技术细节
格斯滕迈尔周一对此次星舰试飞的细节进行了深入阐释：“我们当时实际上是在测试非陶瓷隔热瓦的可用性，所以在飞船侧面装了三块金属瓦，评估它们能否提供足够的隔热性，毕竟它们比陶瓷隔热瓦更易制造且更耐用。但事实证明此路不通。”
“那些金属隔热瓦……效果不太好，”格斯滕迈尔坦言。它们“在富氧环境下发生了剧烈氧化。所以那些有点像航天飞机外储箱的漂亮橙色痕迹，或许是在向航天飞机项目致敬，但它们确实是飞船顶部那三小块金属瓦造成的。”
格斯滕迈尔擅长以通俗易懂的方式解析复杂的技术概念。他于1977年开始以航天工程师的身份参与NASA航天飞机项目，逐步晋升至载人航天计划负责人，并于2020年加入SpaceX。
金属瓦实验正是SpaceX星舰研发方式的缩影：公司工程师们迅速修改设计，并将新方案融入每一次试飞中。金属隔热瓦并非新技术，NASA早在20世纪70年代就进行过实验室测试，但从未将其实际应用于飞行。
“通过实际飞行我们收获颇丰，而且底层防护足够可靠，所以没有引发任何问题，”格斯滕迈尔说。“大多数隔热瓦之间的缝隙较大，热量就是从那里渗透到底层的。”
掌握隔热技术对星舰项目的未来至关重要。隔热罩必须坚固耐用，星舰才能实现快速重复使用。马斯克的目标是在24小时内让同一艘星舰再次发射升空。
NASA可重复使用的航天飞机使用了约24000块精密陶瓷隔热瓦来抵御再入大气层时的高温，但这些材料脆弱易损，每次任务后都需要人工检修。SpaceX的载人龙飞船底层结构可重复使用，但隔热罩材料本身是一次性的。
对于星舰而言，SpaceX需要能经受住严酷太空飞行考验的隔热罩，它需要能抵御发射时的剧烈振动、太空中的极端温度变化、再入时的灼热高温，以及每次任务结束时发射塔捕获臂的巨大冲击。马斯克曾称，可重复使用的隔热罩是星舰项目的“最大单一工程挑战”。
格斯滕迈尔随后指向星舰隔热罩顶部附近的白斑区域解释道：这是热量从隔热瓦缝隙渗入并侵蚀底层一种源自SpaceX龙飞船隔热罩的隔热层所致。技术人员还故意拆除了星舰鼻锥附近的一些隔热瓦，以测试船体反应。
“这实际上是一种用在龙飞船上的白色材料，会发生烧蚀并产生白色残留物，”格斯滕迈尔说。“这表明热量渗入隔热瓦间隙并侵入底层，引发了底层烧蚀材料的烧蚀。因此我们认识到必须把隔热瓦的缝隙封上。”
星舰主体结构采用特种不锈钢合金。航天飞机和龙飞船等大多数其他能再入大气层的航天器都使用铝材。不锈钢的熔点更高，使得星舰在隔热罩受损时比航天飞机有更强的容错能力。
工程师们在星舰船体下部观察到了更多白斑，均为热量渗透烧蚀底层材料所致。
第11次飞行的预告
虽然情况不容乐观，但SpaceX的高管们认为已经找到解决方案。在船体顶部那片白斑区域中，工程师们注意到了几块深色区域。这是SpaceX地面团队在隔热瓦周围及底层覆盖的新型实验材料。
“我们称之为‘脆卷’（crunch wrap）密封材料，”格斯滕迈尔介绍道。“它就像包装纸一样包裹每块隔热瓦，然后……这些瓦片由机械固定到位，通过机器人卡扣安装。当我们把瓦片压进去时，这种密封材料就会包裹每块瓦片的边缘，然后我们再对表面进行修整。”
使用这种“脆卷”材料可以在不使用填缝剂的情况下密封隔热瓦间隙。航天飞机上常用的填缝剂增加了系统的复杂性，有时还会在飞行中脱落。
“这大概就是我们在下一次飞行，即第11次试飞中将采用的方案，”格斯滕迈尔说。“我们会在所有区域用上’脆卷’，检验能否提升密封效果和隔热性能。这些都是创新之举：开展测试实验、探究测试边界、验证空气动力学特性，所有这些都至关重要。”
星舰第11次试飞将采用一条与此前任务相似的亚轨道弹道，可能在今年10月份进行，为SpaceX明年首飞升级版星舰做准备。上周日，SpaceX已经在得州为下次发射任务完成了超重型助推器的静态点火测试。
“下次试飞我们将不会在一次任务中验证这么多新技术，”他说。“而是会更专注于为明年的飞行配置做准备。”
轨道飞行计划
“明年，我们将推出V3版的飞船和助推器，”格斯滕迈尔在回答提问时说。“它将配备新型猛禽发动机，性能优于以往的型号。所以我们会先对V3版星舰开展亚轨道试飞，成功后再实施轨道飞行。”
这意味着星舰项目最早也要到第13次试飞才会开展轨道飞行，与马斯克最近的表态一致。他表示，SpaceX可能会在第13到15次试飞期间尝试在星舰基地捕获并回收星舰，具体取决于接下来几次试飞的结果。
要顺利实现回收，星舰上面级必须加速到轨道速度，环绕地球飞行一整圈后返回得克萨斯州。
迄今为止，星舰所有的试飞都是亚轨道飞行，意味着星舰上面级在环绕地球之前就已返回。SpaceX需要在开展轨道飞行前确保能精准控制返回的时间和地点。像星舰这般庞大的飞行器如果再入时不受控，会导致大块碎片坠落地面。
轨道飞行将开启星舰发展的下一阶段。完整回收星舰有助于工程师深入了解飞船隔热罩的性能。将星舰送入轨道，使得SpaceX能够开始发射更强大的新一代星链宽带卫星。最重要的是，对于未来探月和火星而言，轨道飞行将为两艘飞船在太空实施对接、并为首次在轨大规模加注推进剂的演示铺平道路。
“我们打算明年尝试实现这一目标，”格斯滕迈尔说。“2026年的重点是实现大规模推进剂转移技术。要离开地球轨道，这项技术不可或缺。”
格斯滕迈尔还简要介绍了最近一次试飞中关于超重型助推器的实验成果。
这次试飞中，助推器在将星舰送往太空后，溅落在得克萨斯州海岸线附近的墨西哥湾。SpaceX利用这次飞行测试了助推器返回地球时的承压极限，将其引导至完成海上溅落，而非返回发射塔被机械臂捕获。
“我们当时通过调整攻角来验证助推器自身的飞行控制能力，从而确定未来返回发射塔的把握，”格斯滕迈尔说。
SpaceX工程师发现，助推器下降时的实际表现与计算机模型或风洞测试的预测结果不符。在地面实验中，当助推器减速至亚音速时会出现不稳定的抖振。
他表示，基于那些结果，“我们本应无法完成助推器返回时的机动动作，但飞行中的实际姿态证实，助推器的稳定性比计算流体动力学或风洞测试所显示的要高。”
他问道：“现在向研究界提出的一个关键问题是，为何存在这些差异？我们此前有所预感，但未能完全确定，最终还是出色实现了这一目标。”
格斯滕迈尔建议大学和政府实验室深入研究一下这个问题。像SpaceX这样的公司创新速度很快，一旦找到可行方案就会转向其他事情。
“我得到的是’最小可行方案’，”格斯滕迈尔总结道。“我并不完全理解其工作原理，但它确实有效，所以我们就用它，实现商业化，让它持续发挥作用。而研究领域的诸位有机会帮助我们理解背后的工作原理……或许还能发现更好的解决方案。”（辰辰）
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