实现空中掉头、验证“软着陆”星舰这次有70 分吗

　　多发动机，多隐患

　　北京时间6 月6 日，星舰（starship）在美国得克萨斯州进行了第四次试飞，这一次试飞，星舰最大的成果是实现了两级火箭的溅落，或者说验证了星舰一二级的可回收能力。

　　具体看一下整个试飞过程。在发射7 分20 秒后， 第一级助推器“SuperHeavy（超重）”实现垂直降落、“刹车”点火，最终平稳溅落于墨西哥湾，这实际上意味着SpaceX 已经实现了星舰的软着陆，只不过这次落到了“虚拟平台”上，也就是直接进海里；发射后约1 小时6 分，第二级航天器星舰也接连实现机动反转和点火降速——是否实现着陆点火这一点还有待确定，最终溅落在印度洋，这意味着星舰第二级也已经实现可控再入。

　　“超重”溅落在墨西哥湾以及第二级星舰飞船溅落印度洋，这是星舰进行第四飞前的主要目标。前三次试飞时，“超重”都是以明显失控的姿态，高速坠落至墨西哥湾，直至解体；而第二级星舰飞船要么直接失联，要么在入轨前后解体、自毁。

　　SpaceX 的星舰一直是这几年备受关注的火箭之一，它高约120 米，直径9 米，是一个超大型的两级火箭。第一级助推器“超重”高约69 米，由33 台“猛禽”发动机组成，燃料为液态甲烷和液态氧，装载量约3400 吨；第二级“星舰”航天器高约50 米，燃料装载量为1200吨，能搭乘宇航员或货物，近地轨道有效负载能力为100 ～ 150 吨。

　　它的尺寸之大、载荷能力之强不必赘述，这次主要说一说星舰破纪录的33台发动机的表现。

　　需要明确的是，航天火箭发动机并不是越多越好，发动机越多，对系统的协同性要求就越高，风险也会指数级上升。

　　从第四次试飞直播中看，有一台“猛禽”发动机没有点火。业内人士表示，星舰设计之初就有考虑到发动机的冗余性，但是这次有一台没点火，如果不能解决这一问题，下次可能就是两台、三台，“发动机的不稳定会影响到星舰执行任务的可靠性”。

　　这种问题不是第一次出现。5 月24日，SpaceX 曾更新了对“星舰”第三次试飞（3 月14 日）的分析，其中也提到了发动机的故障问题。按照计划，一级助推器“超重”分离后，会启动13台发动机助推，有6 台发动机在返航中按指令关闭，但在着陆点火中这13 台发动机本该全部启动，可是早期关闭的6 台无法启动，剩余7 台也只有2 台实现点火，这直接导致超重未能顺利溅落。

　　SpaceX 给出的失败原因是， 发动机液氧供应的过滤器持续堵塞。为了防止这一问题产生，在第四次试飞中，SpaceX 在液氧罐外加装额外硬件以提高过滤能力以及许多软件上的改进，结果发动机在首次点火阶段还是出了问题，这次又是因为什么？

　　隔热仍是难点

　　另一个值得关注的问题是，星舰再入大气层、穿过等离子体时，损失了很多隔热瓷砖，襟翼也受损严重，直播上看是直接烧穿的状态。根据直播画面，在发射约48 分钟后，二级航天器开始受控进入大气层，并经历最危险的阶段——飞越“黑障区”。

　　一般高速飞行的载人飞船返回地球时，都会在地球上空35 公里到80 公里的大气层间，与大气层产生剧烈摩擦，温度能达到2700℃以上，导致气体分子与飞船表面被烧蚀的材料均发生电离。这些不断产生的电离气体包裹在飞船周围，形成等离子体鞘套，对电磁波产生吸收衰减、折射、反射、散射等效应，导致飞船内部与外界的无线电通信异常乃至中断，这就是所谓的黑障现象。

　　飞船穿越黑障区时，一般只能依靠雷达和光学设备进行跟踪测量，而SpaceX利用星链（Starlink）在今年3 月18 日第三次试飞时，首次实况直播了这一过程。这也是为什么我们能看到第四次试飞直播中，其隔热瓦被烧穿的景象。

　　我们在之前的文章中提到过，因为星舰箭身是不锈钢材料，所以只有迎风面需要隔热层，背风面不需要。而星舰迎风面所使用的隔热层，是由NASA 研发、装配在美国空军军用飞行器X-37B翼面前缘的TUFROC 防热材料（增韧型单片纤维增强抗氧化复合材料）。

　　火箭箭身普遍使用的隔热材料，无论是RCC （强化碳- 碳复合材料）、HRSI （高温表面绝热瓦）还是超低密度纳米气凝胶隔热材料 ，都会被烧蚀也就是在高温环境内不断变薄，不适合火箭的重复使用。而TUFROC 防热材料不仅能提供高效的热防护，同时具有低烧蚀率——这意味着材料在面对极端温度时不会轻易损坏。

　　TUFROC实际上不能算一种材料，而是一种“多元两结构”的解决方案。“多元”指材料多，用了加强的轻质陶瓷/ 碳隔热材料ROCCI，以及低密度隔热材料 （AETB 或 FRCI）。“两结构”是指内外两层结构：内层为AETB 或FRCI，看起来像是较软的“发泡层”，可以提供良好的绝热性能和缓冲性能，有助于减少热量的直接传递；外层则是ROCCI ，这层不仅要隔热，还要提供物理保护，防止外部物理损伤影响内层材料的绝热性能。

　　按理来说，这个看起来像瓦片的隔热层，能至少承受1700℃的高温，且结构稳定能重复使用，制造周期又短、成本低，是目前轻质高强韧性热防护材料的杰出代表。但这次还是被烧穿了，到底是材料本身的问题，还是由于提前脱落导致防护失效，都是SpaceX 需要重点关注的问题。