北京时间9月28日，美国SpaceX公司的“星舰”第14次升空。起飞约25分钟后，第二级即星舰飞船首次进入高度275公里的近地轨道，部署了26颗V3版星链卫星。至此，在方案设想发布10年后，“星舰”终于跨过入轨“门槛”，正式进入实用化携带载荷发射阶段。不过，从运行表现和后续目标来看，“星舰”距离成熟可靠仍然“道阻且长”，还需要闯过一连串难关。
“星舰”第14次起飞瞬间
成功入轨仍有瑕疵
本次飞行的V3版“星舰”直径9米，高124.4米，两级均使用液氧甲烷推进剂。其中，第一级被称作“超重型助推器”，高72.3米，配备33台海平面版猛禽3发动机，起飞推力约8240吨。第二级高52.1米，底部居中设有3台海平面版猛禽3发动机，另有3台真空版猛禽3发动机安装在外圈。按设计，在两级完全复用状态下，V3版“星舰”的近地轨道运力不低于100吨。
“星舰”第14次试飞实现了多个“第一次”，其中3项的含金量最高。
其一，“星舰”首次真正入轨。星舰飞船起飞约25分钟后，由1台海平面版猛禽3发动机点火约19秒，将轨道近地点从稠密大气层内直接抬升到大气层外，进入高度约275公里的近地轨道。从此，“星舰”进入全新的发展阶段。
其二，“星舰”第一次在近地轨道上部署有效载荷。起飞约34分钟后，26颗V3版星链卫星被在轨星舰飞船的“发牌器”装置依次释放，很快展开太阳能帆板和相控阵天线，与地面建立通信连接并完成自检后，借助自带的电推进系统抬升轨道。
SpaceX公司宣称，每颗V3版星链卫星下行容量约1太比特/秒，26颗通信容量相加，相当于10次猎鹰9火箭部署的V2版改进型星链卫星总和。而且，本次“星舰”部署载荷重在验证，运力发挥较保守，后续有较大的提升空间。
V3版星链卫星拍摄星舰飞船
其三，“星舰”入轨后，第一次顺利完成离轨点火与受控再入，溅落在预定海域。要知道，假如不锈钢打造的星舰飞船滞留近地轨道，受稀薄的大气阻力影响，再入时机和落点不可控，对地风险难料。1979年，美国“天空实验室”非受控再入，残骸散落澳大利亚西部，砸坏房屋，就是前车之鉴。
此外，本次完成任务的星舰飞船上有两块隔热瓦比较特殊，取自上一次试飞后溅落印度洋的星舰飞船。这也是“星舰”首次跨箭复用隔热瓦。
值得注意的是，尽管“星舰”大致完成了试飞目标，但这次任务并非完美无缺：
首当其冲的是发动机隐患。“星舰”第一级起飞约76秒后，一台海平面版猛禽3发动机提前关机。而星舰飞船上升段遭遇了一台真空版猛禽3发动机提前关机，导致任务团队一度表示“不打算入轨”，后续经过评估，决定继续尝试入轨。第一级在返场与落海阶段再次遭遇了发动机反推点火异常。
其次是任务时长大幅缩水。SpaceX公司原计划让星舰飞船绕地球运行6圈，在轨飞行近10小时，落区设置在智利以西的南太平洋。但动力故障迫使任务团队决定将星舰飞船的在轨时间压缩到3小时，绕地球飞行不足2圈，最终溅落在夏威夷以北的北太平洋海域。将来，星舰飞船需要补充长时间在轨测试。
最后，“星舰”仍未完成复用流程闭环。至今，V3版“星舰”两级均未做到发射台“筷子”机械臂捕获回收，更没能验证快速翻修后复用。
总体来看，本次发射证明，“星舰”能够入轨投送载荷、安全离轨再入，朝着正式服役更进一步，称之为“基本成功”并不为过。
距离成熟还有多远？
“星舰”入轨堪称重大突破，但后续科研人员仍需努力攻克多重难关。
首先要解决的是发动机可靠性问题。猛禽3发动机采用液氧甲烷推进剂和全流量分级燃烧循环模式，推力强劲，燃烧清洁，但结构复杂，燃烧室追求高压高效，可能会遗留隐患。
本次试飞中，星舰飞船发动机出现异常
“星舰”采用多台发动机并联设计，显著提高了动力冗余：个别发动机出现异常时，其他发动机通过增大推力、延长燃烧时间等手段进行补救，提高任务成功率。但动力冗余不是“免死金牌”，一款成熟可靠的火箭不应该总是寄希望于类似“惊险过关”。V3版“星舰”3次试飞中，普遍遭遇发动机异常关机或点火失败。这究竟是偶发的零件失效、制造缺陷，还是推进系统潜藏更深层的隐患，有待深入研究。
而且，“星舰”仍未战胜长时间在轨和加注推进剂这两大挑战。
本次试飞中，星舰飞船原计划开展持续近10小时的太空环境压力测试，涉及工况热环境考验、低温推进剂在轨管理、姿态控制、电源可靠性等。更进一步，“星舰”将演练在轨大规模加注低温推进剂，多艘星舰飞船会依次对接、转移推进剂并安全分离。未来，“星舰”将参与载人登陆月球、火星任务，必须迈过上述技术“门槛”。
后续，V3版“星舰”准备打通全面回收与快速复用流程。“星舰”计划于11月开展第15次试飞，最重要的目标是“筷子”机械臂首次尝试捕获星舰飞船，马斯克声称，其成功率为50%～60%。如果进展顺利，SpaceX公司争取在第16次发射“星舰”时使用肯尼迪航天中心的新建工位。
“星舰”除了解决发射频率问题，发射场问题也有待解决。现役唯一的“星舰”发射基地和正在改造的传统发射台显然无法实现“至少每天1次飞行”，而这只是SpaceX公司的中期目标。
为此，SpaceX公司宣布，计划投资1000亿美元，建设庞大的“星舰”基地，规划设置至少12座发射塔，配套推进剂生产和火箭翻修厂房、发电厂、航运码头、机场等，最早将于2029年首次发射。
征途漫漫挑战不少
尽管SpaceX公司频繁宣传“星舰”任务的宏大愿景，但当前“星舰”发射最直接的买单方是星链星座。
迄今，星链卫星累计发射约1.3万颗，在轨运行约1.1万颗，仍难以满足不断增长的用户需求。有分析认为，更大更重的V3版星链卫星在轨数量达到约1000颗的“临界值”，才有望促使该星座整体服务显著改善。这至少需要“星舰”发射10余次，再考虑到大量早期星链卫星陆续达到设计寿命，“星舰”的发射频率有必要持续加速，不断缩短复用周期。
美国猎户座载人飞船有望于2027年三季度在轨对接基于星舰飞船研发的载人登月舱
另一方面，“星舰”对美国“重返月球”时间表影响很大。基于星舰飞船研发的载人登月舱一度成为“阿尔忒弥斯计划”的首选，整体进度却一再推迟，迫使整个计划重组：2027年三季度，猎户座载人飞船有望在近地轨道上演练先后与2款商业载人登月舱对接，以便2028年争取实施载人登月任务。在这种“竞争上岗”压力下，“星舰”项目团队既要加紧研发、试飞载人登月舱，又要尽快测试“太空加油”，完善载人登月舱奔月途中多次“加油”方案。
SpaceX公司上市后，“星舰”被赋予更多宏大叙事愿景，包括规划部署100万颗算力卫星的“星智”项目、“点对点”太空运货业务、建设月球和火星城市计划等。但一切愿景的基础是高频次发射、回收、复用，而“星舰”作为SpaceX公司投资最大的火箭项目，累计投入已超过150亿美元，是猎鹰9火箭类似投入的30倍以上，经济压力、任务重担和投资者信心都不允许“星舰”继续拖延太久。
总之，回望“星舰”3年多试飞历程，始终是在挫折中迭代。入轨部署载荷只是一个新起点，未来提升动力可靠性、长时间在轨测试、“太空加油”、塔架回收、提高发射频率等挑战重重，还未到庆功时刻。
来源/《中国航天报·飞天科普周刊》
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