本文來自微信公眾號(hào)： 反熵 ，作者：司馬大大
按照SpaceX目前的排期，星艦第14次試飛最快將在9月28日升空，發(fā)射仍需監(jiān)管批準(zhǔn)。
這一次，SpaceX準(zhǔn)備做一件過去13次試飛始終沒有做的事情：把星艦真正送進(jìn)能夠持續(xù)環(huán)繞地球的軌道。
按照目前公布的方案，星艦上面級(jí)計(jì)劃進(jìn)入約275公里高的軌道，在太空運(yùn)行接近10小時(shí)，繞地球約六圈，26顆Starlink V3衛(wèi)星將在入軌后釋放，飛船隨后離開軌道，最終在智利以西的太平洋受控濺落。
星艦已經(jīng)飛了13次，為什么直到現(xiàn)在才準(zhǔn)備完整入軌？
如果完成軌道插入已經(jīng)足以證明它具備入軌能力，為什么第一次軌道任務(wù)又要一口氣拉到近10小時(shí)？
這兩個(gè)問題，恰好構(gòu)成了第14飛和此前13次試飛之間的分界。
過去13飛沒有完整入軌，是SpaceX有意為之。此前星艦上面級(jí)始終運(yùn)行在“被動(dòng)安全”的亞軌道軌跡上，即使后半程出現(xiàn)異常，飛船最終也會(huì)重新進(jìn)入大氣層。
第14飛則第一次準(zhǔn)備改變這種任務(wù)設(shè)計(jì)，讓星艦真正進(jìn)入軌道，并在那里連續(xù)工作數(shù)小時(shí)。
01沒有真正入軌的13次
“飛到太空”和“進(jìn)入軌道”的差別，主要不在高度，而在速度。
牛頓三百多年前曾用著名的“高山大炮”思想實(shí)驗(yàn)解釋軌道運(yùn)動(dòng)。
假設(shè)從一座足夠高的山上水平發(fā)射炮彈，速度越高，炮彈落點(diǎn)越遠(yuǎn)。當(dāng)速度達(dá)到一定程度，炮彈下落的弧線與地球表面的彎曲相匹配，它始終受到地球引力，也始終處于下落狀態(tài)，卻再也碰不到地面。
這就是軌道。
近地軌道高度通常只有幾百公里，但航天器需要獲得每秒約7.8公里的速度，才能持續(xù)繞地球運(yùn)行。進(jìn)入軌道并不意味著擺脫引力，而是在引力作用下保持持續(xù)自由落體。
星艦此前已經(jīng)多次飛到太空，也達(dá)到過接近軌道速度，但前13飛全部采用亞軌道設(shè)計(jì)。SpaceX沒有讓上面級(jí)獲得形成穩(wěn)定軌道所需的完整速度增量，而是讓飛船沿著一條最終會(huì)重新進(jìn)入大氣層的軌跡飛行。
這種設(shè)計(jì)并不是保守。
星艦上面級(jí)長(zhǎng)約52米，動(dòng)力、航電、姿態(tài)控制和熱防護(hù)系統(tǒng)仍處于快速迭代階段。如果一艘這樣的巨型飛船進(jìn)入穩(wěn)定軌道后失去主動(dòng)控制，后續(xù)再入的時(shí)間和區(qū)域都會(huì)變得更加復(fù)雜。
所以，前13次飛停留在軌道之外，并不是SpaceX還沒有能力邁過最后一步，而是進(jìn)入軌道之后，任務(wù)邏輯會(huì)發(fā)生變化：星艦不僅要進(jìn)入軌道，還必須保持推進(jìn)、控制和通信能力，在數(shù)小時(shí)后主動(dòng)完成后續(xù)任務(wù)。
快速迭代的前提，不是把風(fēng)險(xiǎn)交給運(yùn)氣，而是盡可能把異常情況下的處置路徑提前設(shè)計(jì)進(jìn)去。
這也是為什么SpaceX用了13次飛行，才準(zhǔn)備讓星艦真正進(jìn)入軌道。
02六圈飛行的真正意義
為什么偏偏是六圈？
因?yàn)榈?4飛的完整任務(wù)，本身就是圍繞一次近10小時(shí)的軌道運(yùn)行設(shè)計(jì)的。
在約275公里高度，星艦繞地球一圈大概需要90分鐘。六圈對(duì)應(yīng)九小時(shí)左右的軌道飛行時(shí)間，再加上軌道插入和返回過程，整體任務(wù)接近10小時(shí)。
所以，“六圈”并不是某項(xiàng)技術(shù)必須達(dá)到的門檻，也不是SpaceX為了制造紀(jì)錄選擇的數(shù)字。它只是完整任務(wù)流程自然形成的結(jié)果。
SpaceX同時(shí)設(shè)計(jì)了提前結(jié)束任務(wù)的窗口。如果飛船狀態(tài)不足以繼續(xù)運(yùn)行，任務(wù)可以在第二圈或者第五圈提前離軌。兩圈和五圈代表的是不同階段的退出機(jī)會(huì)，六圈則對(duì)應(yīng)狀態(tài)正常情況下的完整任務(wù)。
所以，這10小時(shí)才是重點(diǎn)。
按照公開任務(wù)時(shí)間線，星艦進(jìn)入軌道后約34分鐘開始釋放26顆Starlink V3衛(wèi)星，一個(gè)多小時(shí)后載荷部署基本完成，但飛船還需要繼續(xù)在軌運(yùn)行數(shù)小時(shí)，直到任務(wù)后段重新啟動(dòng)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施離軌。
衛(wèi)星放完之后，還有接近八小時(shí)的時(shí)間，星艦需要保持正常工作。過去星艦的試飛重點(diǎn)集中在上升、分離、高速再入等關(guān)鍵階段，任務(wù)持續(xù)時(shí)間通常只有一個(gè)小時(shí)左右。第14飛第一次把大量時(shí)間留給軌道運(yùn)行本身。
而軌道運(yùn)行最考驗(yàn)的，恰恰不是某一次劇烈動(dòng)作，而是多個(gè)系統(tǒng)能否長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定。
星艦使用液氧和液態(tài)甲烷，進(jìn)入微重力環(huán)境以后，推進(jìn)劑的位置、氣液界面、晃動(dòng)和熱傳遞都會(huì)比地面復(fù)雜。2024年第三次綜合飛行試驗(yàn)中，SpaceX按照NASA合作項(xiàng)目要求，在星艦內(nèi)部進(jìn)行了低溫液氧轉(zhuǎn)移測(cè)試，為未來更復(fù)雜的在軌推進(jìn)劑管理積累數(shù)據(jù)。
第14飛進(jìn)一步驗(yàn)證的是，經(jīng)過數(shù)小時(shí)軌道滑行后，推進(jìn)系統(tǒng)、供電、通信、姿態(tài)控制、航電和熱管理是否仍然能夠按照任務(wù)要求工作，并支撐最后的離軌和再入。
六圈的意義，在于它給星艦提供了一次完整軌道任務(wù)所需要的時(shí)間尺度，讓SpaceX第一次獲得從入軌、載荷部署、持續(xù)運(yùn)行，到離軌和再入的一整段數(shù)據(jù)。
一艘成熟的軌道飛船，不僅要承受發(fā)射和再入時(shí)最劇烈的環(huán)境，也要在漫長(zhǎng)的軌道飛行中保持可靠。
03第一次真正承擔(dān)運(yùn)輸
第14飛還有一個(gè)比首次入軌更接近商業(yè)運(yùn)營(yíng)的變化：26顆Starlink V3準(zhǔn)備真正留在軌道上。
第13飛已經(jīng)釋放過20顆V3真實(shí)衛(wèi)星。
這些衛(wèi)星完成了太陽能電池陣列和天線展開，也嘗試建立通信，但由于當(dāng)時(shí)星艦仍采用亞軌道軌跡，它們最終重新進(jìn)入大氣層。
那一次驗(yàn)證的是部署演練。
第14飛則準(zhǔn)備完成真正的軌道交付。
如果任務(wù)順利，26顆V3會(huì)在軌道上與星艦分離，隨后依靠自身推進(jìn)完成后續(xù)調(diào)整，逐步加入Starlink網(wǎng)絡(luò)。
這意味著星艦第一次面對(duì)完整運(yùn)輸任務(wù)的要求。
試飛階段，一枚火箭首先需要證明自己能飛。即使沒有有效載荷，只要獲得動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、控制和再入數(shù)據(jù)，也能產(chǎn)生研發(fā)價(jià)值。
但運(yùn)輸工具還要證明貨能送到。載荷進(jìn)入的軌道、分離可靠性以及后續(xù)工作狀態(tài)，都會(huì)成為任務(wù)結(jié)果的一部分。
SpaceX在這里擁有一個(gè)其他新火箭項(xiàng)目很難復(fù)制的優(yōu)勢(shì)：Starlink。
V3尺寸更大，通信能力更強(qiáng)，更加依賴星艦的大尺寸貨艙和高運(yùn)力；與此同時(shí)，星艦也需要真實(shí)、高頻的任務(wù)積累運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)。
火箭需要任務(wù)，星座也需要火箭。這讓SpaceX從研發(fā)階段走向運(yùn)營(yíng)階段時(shí)，擁有了一個(gè)天然的應(yīng)用場(chǎng)景。
04從試飛走向軌道運(yùn)輸
275公里并不高，六圈在人類航天史上也談不上驚人。1961年，東方一號(hào)已經(jīng)完成載人繞地飛行；今天的空間站可以連續(xù)運(yùn)行數(shù)月乃至數(shù)年。
星艦第14飛的重要性，并不在于創(chuàng)造一個(gè)新的軌道紀(jì)錄，而在于它開始改變?cè)u(píng)價(jià)一枚火箭的標(biāo)準(zhǔn)。
過去13飛，外界關(guān)注更多的是星艦?zāi)芊裆铡⒎蛛x、再入，以及是否能夠受控結(jié)束飛行。這些問題，本質(zhì)上都圍繞“星艦自己飛得怎么樣”。但是現(xiàn)在，它不僅要完成一次飛行，還要完成一次運(yùn)輸任務(wù)。
這也是所有可重復(fù)使用火箭從試驗(yàn)走向運(yùn)營(yíng)必須面對(duì)的問題。
SpaceX未來的目標(biāo)遠(yuǎn)不止近地軌道運(yùn)輸。Starlink需要星艦部署更大規(guī)模的衛(wèi)星，NASA的Artemis計(jì)劃需要月球版星艦具備更長(zhǎng)時(shí)間在軌運(yùn)行和低溫推進(jìn)劑轉(zhuǎn)移能力。
第14飛距離這些目標(biāo)仍然很遠(yuǎn)，但它第一次讓星艦進(jìn)入這些任務(wù)共同依賴的環(huán)境，并在那里連續(xù)工作數(shù)小時(shí)。
對(duì)中國(guó)正在推進(jìn)可重復(fù)使用火箭的商業(yè)航天企業(yè)來說，這次飛行可借鑒的也不是“六圈”，而是SpaceX怎樣逐級(jí)擴(kuò)大試驗(yàn)邊界。
快速迭代的前提，不是把風(fēng)險(xiǎn)交給運(yùn)氣，而是盡可能把異常情況下的處置路徑提前設(shè)計(jì)進(jìn)去。
牛頓設(shè)想的炮彈，只要獲得足夠速度，就可以一直繞著地球自由落體。但真正的軌道運(yùn)輸系統(tǒng)，需要的不只是進(jìn)入軌道，它還要在那里工作，把任務(wù)完成。
所以，第14飛如果順利飛滿六圈，最不需要神秘化的反而就是“六”。對(duì)已經(jīng)飛過13次的星艦而言，真正增加的，是此前從未擁有過的那幾個(gè)小時(shí)。
這幾個(gè)小時(shí)，才是星艦從試飛繼續(xù)走向軌道運(yùn)輸?shù)拈_始。