小火箭p站节点
史上最大最重、高121米、重5000吨的“超重-星舰”火箭,在33台猛禽发动机产生的7590吨推力抬举下缓缓升空,场面极为壮观。此后,二级点火和一级热分离顺利进行,星舰终于实现了入轨的目标。仅从火箭发射角度来看,星舰已获圆满成功。但二级星舰飞船在再入时失联,烧毁在大气层内,后半段任务以失败告终。
3月13日上午11时01分,日本民营航天新势力Space One的“卡伊洛斯”商业小固体火箭在新建的和歌山纪伊民营发射场首飞。但起飞仅5秒钟,火箭就发生爆炸,搭载的日本政府快速响应情报收集试验小卫星也灰飞烟灭。发射宣告失败。
当日晚上20时51分,我国在西昌卫星发射中心使用长征二号丙运载火箭/远征一号S上面级发射DRO-A/B卫星,运载火箭一二级飞行正常,但上面级飞行异常,卫星未准确进入预定轨道。目前正在开展相关处置工作。
日中美几乎同时进行的三次火箭发射失利或部分失利,当然有一定偶然性,但或多或少揭示了一个事实,那就是:虽然人类已经进入太空快70年了,今天的航天活动仍然充满着风险。
Space One可能是中美之外第一家进行轨道发射的商业火箭公司。之前,英国大亨理查·布兰森的维珍轨道公司也成功进行过数次轨道发射,但它的注册地、总部、研发团队、发射地都在美国。而它在英国的发射尝试以失败告终,导致了公司破产和资产抛售。严格说,它不能算一家英国公司。所以,Space One的这次发射,不仅是日本商业航天的里程碑式事件,也有在世界范围内打破中美垄断的象征意义。
IHI是日本老牌军工企业,造船和研制航空发动机有悠久历史。它从1990年代起就是JAXA(日本宇宙航空研究开发机构)的承包商,研制了日本近30年几乎所有的固体火箭,包括曾为世界最大航天固体火箭的M-V、艾普斯龙固体火箭、H2/H3火箭的固体助推器,以及世界最小航天运载火箭SS-520。Space One卡伊洛斯火箭的研制也是IHI主导。
IHI研制的火箭,从左到右分别为:M-V、H-2B、H-3、艾普斯龙、SS-520、卡伊洛斯(图源:IHI、JAXA等)
可以说,Space One本质上更接近于波音和洛马合资的ULA(联合发射联盟),或中国两大航天集团成立的商业航天子公司,而非完全初创。它不仅继承了母公司尤其是IHI的技术资源,也在一定程度上延续了原有的大公司思维方式和管理模式。无疑,它的价值取向和企业文化与SpaceX或中国民商航天公司会很不一样,叫它航天新势力可能有点勉强。
其实日本有一家真正的航天新势力公司,叫Interstellar Technologies(星际技术)。它从2005年成立至今已近20年,但只发射过7次探空火箭,其中只有三次成功。它还在开发一款小型液体轨道火箭Zero,其首射时间已经从2020年拖到2025年。作为一家草根公司,它的技术力量和融资能力比Space One要差很多,未来更不乐观。
卡伊洛斯首发失败其实很正常。世界各国火箭都需要经历一个可靠性增长过程,即通过多次试飞发现并解决问题最后达到高可靠性。中国长三乙和欧洲“阿里安娜5”首发都不顺利,但最终都成为了主力火箭。马斯克的“猎鹰一号”连续三次失败,最终撑到了第四次成功,也终成正果。但如果设计存在重大缺陷,且没有足够资金撑到成熟的那一天,结果就会比较悲惨,如“欧罗巴”火箭和苏联N1登月火箭。
DRO-A/B发射采用的是中国航天史上服役时间最长,也是最成熟的长二丙火箭。不出所料。火箭表现良好,一二级均圆满完成任务。但远征一号S上面级出了问题。虽然理论上卫星可能还有挽救余地,但对上面级来说,失败是无可否认的。
远征一号S上面级是远征一号的一个商业简化版,工作时间从六七小时降为一小时,卫星分离即点火,可节省热防护和很多不必要的冗余,以减少成本小火箭p站节点。这个上面级已经成功飞行7次,目前还不能下定论是简化导致了问题,但不能排除这个可能性。相比之下,远征一号已经连续成功15次,成功率高一倍。
不过,中国航天自上世纪以来就有归零传统。在彻底查清问题原因、采取改进措施并通过仿真模拟确认之前,绝不会让火箭带着隐患上天。当然,如果问题属于重大设计缺陷,需要做重大改动,所需的时间也会比较长。所幸的是,中国航天最近几十年中虽然也遇到过很多挫折,但很少有重大设计问题,因此归零总能很快解决问题,再次出现相同故障的情况极少。希望这次也是如此。
然而,星舰终究没有闯过再入这一关。从再入视频看,星舰的姿态并不是很稳定,防热瓦也有脱落。星舰再入和航天飞机有一定相似性。但它体型更庞大,空重却更小,而翼展远小于航天飞机,导致更大的飞控难度。星舰再入仰角远大于航天飞机,本来就承受了巨大的气动力,不稳定的姿态会进一步加大受力,可能造成防热瓦脱落乃至脆弱的超薄不锈钢舰体结构破坏。当然,真正原因还有待于SpaceX的官方报告。
星舰是历史上最大尺寸的再入航天器。美苏两国的大型航天飞机长度也只有36-37米,而星舰飞船长达50米,直径9米。如此巨大的飞行器再入大气层难度之高可想而知。SpaceX采用的是快速试错迭代的开发方式。从这个角度说,第一次再入测试,既没有任何经验,也没有一次成功的预期,试出错误、拿到数据就是成功。
然而,如果星舰的再入设计存在根本性问题,那么就将付出巨大代价。假定星舰的气动外形和飞控系统真的需要推倒重来,不仅进度上会大大推迟,成本也会飞涨上去。以前建造的星舰二级所有原型很大程度上都浪费了。低空和着陆试验还得重头做一遍。
如果按照中国航天的归零思维,那么星舰发射之前肯定应该将所有不确定因素逐一排除。对再入这个极端重要的关键环节,必定会用计算流体力学软件反复模拟,同时在高超音速风洞中不断试验和优化。很遗憾,美国在高超音速风洞方面大大落后于中国,马斯克更没有这样的风洞。他只能用真实飞行进行迭代测试,如果运气好,问题很快就能解决;但如果是重大缺陷,那就只能应了“欲速则不达”这句话了。当然,祝星舰好运。
星舰再入属颠覆性创新,风险极大,首次试验失败也非常正常。激进的试错迭代开发模式SpaceX屡试不爽,是它取得一系列成功的法宝之一。但一旦发现根本性问题,试错付出的代价也很大。如果最后证明星舰再入失败是气动和飞控设计的重大失误,那么SpaceX和NASA的后续任务全都会被殃及,负面影响巨大。