作者：科学声音吴京平
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SpaceX公司的团队用不锈钢来制造火箭。这在以前也曾经有过，比如美国早期的宇宙神火箭的燃料罐也是用很薄的不锈钢制造的，就像易拉罐那么薄。内部充入高压氦气，才能保持直立。但是如果卸载燃料的时候不小心漏了气，或者是搞错了顺序，那就不行了。火箭能直接瘫软在发射架上。

图：大型油罐
不过呢，马斯克用的不锈钢是很厚的，而且内外好几层，也不担心会垮掉。这么长的火箭当然无法一次成型，而是做成一个个圆圈，然后焊接起来。所以大家有机会看看星舰火箭，就会发现，这东西还真像个煤气罐或者是大油罐之类的。马斯克当初也是参考了油库大罐子的建造流程。毕竟用不锈钢来搭建耐压容器，人家经验丰富。
后面的测试火箭，马斯克让手下的两个团队进行竞争。德州博卡奇卡基地建造MK1、MK3，佛州可可基地建造MK2、MK4。当时都是这么编号的，后来全改了。所以，SpaceX他们家的东西实在是有点乱。
SpaceX他们家采用的研发流程类似于软件开发，是不断迭代。而且的多路并行的，这样开发速度会非常快，有问题就会及时发现。如果你一次做一个完整版，天知道那一部分会出问题，火箭太复杂了。任何模拟测试都代替不了实际发射。
遥想当年，NASA也曾经展示出极高的效率，那就是在执行阿波罗登月计划的时候，只有10年时间，美国人要从一张白板，到登上月球。中间有多少步骤要走啊。所以，他们也是并行操作的，1号在发射，2号在测试，3号在组装，4号在制造，5号在设计研制……半年发射一枚土星5号这样的超大型火箭。这样才造就了短短8年美国就能把人送上月球的奇迹。可是现在就不行了，远没有当时的干劲儿，也没有当年那么豪横的财政拨款。

图：理想很重要，人心散了，队伍就不好带了
好在，SpaceX公司多少还保持着当年NASA的锐气。队伍为什么不好带？因为人心散了嘛。没有一个崇高的目标召唤，谁愿意拼命干啊？为什么要去火星？马斯克给出的理由都很牵强，去火星不需要理由。为什么去登山？因为山就在那里，火星就在那里。
mk1和mk2两个火箭是全尺寸原型机。都有9米粗，50米高。也就是说，大致相当于7个长征2号火箭捆成一大捆。全身银光闪闪，都是不锈钢焊接而成。不过在2019年的一次测试之中，MK1炸了。要知道，液氧和液态甲烷都是低温燃料，起码在-180度以下。但是燃料罐的内部压力也很大。所以，要做低温耐压测试。液氧罐承受不住，焊缝破裂，直接爆了。内部气压太高，MK1火箭被内部喷出的高压气体吹起来几米高，横着扔出去几十米远，算是彻底报废。摔扁了嘛，也只能报废了。

不过嘛，这种爆炸对SpaceX来讲，就是个家常便饭。他们叫停了MK1和MK2，直接废弃了这俩个原型机。开始准备后续的MK3和MK4。他们是不太可能停下来归零的，那样时间太长了。马斯克的团队换了新的设计方案，据说比以前还轻了20%，而且MK这个前缀也不用了，改成了SN，也就是序列号的意思，MK3改成了SN1。
等这个SN1建造完毕，2020年2月底移到测试台上进行测试，又出事儿了。又是罐子破裂，内部高压气体喷出来，整个火箭飞起来几十米，摔下来还引发了二次爆炸，这下比前一次还要惨。马斯克说是火箭的屁股设计有问题，下次改进。
既然是屁股设计有问题，SN2的目标就是测试新设计看看是不是解决了问题。SN2在经历了加压测试以后，结束了使命。看来屁股的问题找到了，而且解决了。

图：火箭已经瘫了
再接下来，就是SN3和SN4了。SN3是测试人员犯了一个低级错误，甲烷的储罐是在液氧储罐的上方，他们加压测试，先灌进了大量甲烷，下边的液氧罐子是空的，结果液氧罐承受不住上边那一大缸液态甲烷的重量，被压扁了。SN3直接报废了。但是这一次不是爆炸，发动机完好无损，可以直接用到SN4上。
SN4是在去年的4月底上测试台的，也就是2020年的4月份。SN4共通过了五次的静态点火测试和两次低温加压测试。静态点火就是把火箭捆在发射台上，然后开启发动机，真的点火进行真实的检测。当然，开车时间是很短，不会造成损坏。
静态点火也是马斯克的老传统了，到5月底，SN4进行第5次静态点火的时候，出现甲烷泄漏，又炸了。这次不想以前，都是气体压力大，爆了，其实温度不算高。这次是点火以后炸的，测试台都被炸坏了。
因为星舰是一种前所未见的火箭，它用的材料，它的体型，用的燃料都是新的，而且要完成的任务也是全新的，所以难免会出问题。炸是不可避免的。

后续的SN5和SN6到底比较顺利，完成了一些的测试，而且顺利起飞，降落在了150米之外的着陆场上。这说明猛禽发动机是可靠的，推力很足。而且姿态操控也没问题。这也是星舰的实验品第一次实现正常飞行，尽管距离很短。
当然这两枚实验品都不是完整的飞船，因为不需要飞的很高，飞的很快，所以头部没有安装头锥，就是个平头的。有点像会飞的暖水瓶的样子。因为只飞150米，用不着多少燃料，也就不用装太多的发动机，只装了1台猛禽。
SN7并不是用来飞行测试的，而是用来对燃料罐做压力测试的，看看3毫米厚的不锈钢能顶住多大的压力。也就是说，不折腾炸了誓不罢休。这一次的爆炸是有计划，有预谋的。

图：SN7和SN7.1
所以嘛，SN7和后续的7.1、7.2都只是个大燃料罐，并不是完整的火箭。7和7.1都被巨大的压力给憋炸了。但是7.2顶住了压力，完成了测试。
接下来到SN8，这基本上就是一个比较完整的版本了。你可以看到，巨大的不锈钢煤气罐的顶部安装了椭圆形的头锥。头部和尾部安装了两个小翅膀。起码从外观上看，星舰火箭已经不缺什么了，当然内部还是缺少必要的装备，因为这枚火箭是要载人，要拉货，货舱客舱的，SN8都没装，这还早着呢。
这一次，SN8要测试高空高速飞行，而且要测试一下星舰火箭独特的“鲤鱼打挺”动作。屁股上装了3台猛禽发动机，排列成品字形，这也就意味着，如果要反推着陆的话，没有任何一台发动机是在火箭的轴线上，都是偏的。也就是说，只开一台发动机，不在中心轴线上，要歪着喷，才能保持平衡，就看SpaceX对火箭的操控够不够强了。

当然，这一次最难的，是火箭的降落方式。这可不是像猎鹰9号那样是垂直倒飞回来。而是垂直起飞，飞到12.5公里的高空，然后火箭打横，平着落下来，然后到接近地面在来一个鲤鱼打挺的动作，把火箭竖过来，最后垂直落地。
大家也许会纳闷，为什么马斯克要这么干呢？为什么不能老老实实的垂直着陆了，中间折腾什么幺蛾子？其实这是SpaceX的一大创新。要解决的就是和航天飞机类似的问题，那就是高速从外太空返回地面。
猎鹰9号1级之所以可以回收，那是因为猎鹰9号的1级其实速度并不快。大概也只有一秒钟几公里而已，并没有超过第一宇宙速度。但是2级怎么办？2级一般已经超过第一宇宙速度了。马斯克的星舰其实就是火箭的第2级，而且是一个完整的整体，并不像载人飞船那样，二级火箭最后会和飞船分离。从这一点上来讲，很像是航天飞机。如果是从月球或者是火星归来，速度会更快，会达到第2宇宙速度，更加不好办。
航天飞机采用的方式就是滑翔。大家想过没有，为什么运载火箭都是钝头的？为什么不是尖头的呢？尖头不是阻力小吗？对，没错，阻力是小，但是如果火箭的速度太快，空气会贴着火箭表面摩擦，产生极高的热量。假如是钝头的，空气会被推开。温度最高的区域是不会紧贴着火箭外壳的。

所以，航天飞机返回的时候，头部会形成一道激波，身子只要躲在激波后边温度就不至于太高。硬普通的陶瓷瓦就能对付。但是机翼前缘和鼻子尖就必须采用碳碳复合材料才能对付。不过，这个角度很不好控制，不能大，也不能小。航天飞机就是这么挺着肚子迎着风拍向稠密的大气层，等到速度减下来了，进入稠密大气了，就可以当做是普通的三角翼飞机那样操控。不过航天飞机机身粗胖，操控性能并不好，机翼也不能太大，滑翔性能也不好，只是凑合着能飞回来而已。
航天飞机的长度是37米，可是星舰是50米，长了一大截。航天飞机机身的粗细大概是5~6米的样子，星舰是9米，比航天飞机大多了。航天飞机的机翼还算能提供足够的升力，星舰的4片机翼面积简直是不值一提。似乎这4片机翼也产生不了多少升力，截面也跟流线型关系不大。实际上，这4片机翼，只是产生阻力的减速板而已。
如果是星舰火箭从外太空以超过第一宇宙速度的高速进入大气层，那该如何减速呢？马斯克的团队设想了一个另类的方式，这种方式完全是开创性的。那就是让火箭彻底横过来，侧面迎着气流拍下去。这样的话迎风面积最大，减速效果最好。不过迎风面温度会非常高，所以马斯克考虑要铺设隔热瓦，因为星舰是不锈钢的，隔热瓦可以稍微薄一点。正面温度高，铺上隔热瓦，背面不是迎风面，就靠不锈钢死扛了。
当然，SpaceX也有一些阴招，比如让燃料在不锈钢夹层里流动，带走热量，或者是在金属表面开非常微小的孔，让燃料渗透出去，蒸发掉，带走热量。但是这招最后取消了，估计是因为小孔太容易堵塞了。他们一直在改进，方案变动也很激烈。
所以这一次SN8的测试，就是飞到12.5公里高空，然后让火箭横着垂直下落，最大限度的利用迎风面积。靠前后两片减速板张开的角度来控制阻力大小，保证头尾的平衡。

图：头尾减速板是用来调整阻力的，这不是机翼

你别说，前半截还是蛮顺利的。起飞，然后上升到12.5公里的高空，3台发动机熄火，飞船开始垂直下落。靠减速板张开的角度，控制头尾的阻力大小。屁股阻力大，头部阻力小，头部下落比较快。很快，火箭就彻底横过来了，变成水平状态，开始自由下落。这时候只要控制好头尾的姿态就没问题。等到了接近地面，发动机二次点火，开了两台就够了。这时候火箭从水平姿态，一个漂亮的鲤鱼打挺就竖起来了，而且姿态控制也不错，就这么垂直落向地面。但是，下落速度明显太快了，屁股后边还冒出了绿色的火苗子，显然是不正常的。最后SN8垂直撞到地面上爆炸了。

对于马斯克来讲，这次实验部分大部分的目标都达到了。SN8垂直起飞没问题，横躺着下落没问题，姿态控制不错。猛禽发动机二次点火没问题，鲤鱼打挺重新竖过来也没问题。就差最后一哆嗦了，怎么就出问题了呢？
这次反映出来的问题是在燃料供应上。最后火光发绿显然是燃料供应不上造成的。这是星舰特有的一个问题，也跟星舰降落的时候，那个鲤鱼打挺的动作有关系。
要知道，火箭返回地球的时候，燃料已经所剩无几了，那么大的罐子，其实是空空荡荡的。你怎么保证燃料沉底呢？不沉底的话，就无法被燃料管吸进发动机啊。如果是原来的垂直降落的方式，那还好办，现在是横着拍下来，鬼知道燃料晃到哪里去了，接下来再来个鲤鱼打挺，更是晃得一塌糊涂了。

那么，如何在这么剧烈的姿态调整下，保证吸到燃料呢？SpaceX的办法是在火箭的头部装了一个很小的燃料罐。里面装满了燃料，既然是满的，怎么晃也晃不起来。最后的降落过程，就靠着这个小燃料罐里的燃料了，要用高压氦气把燃料挤进发动机。可能是氦气压力不足，导致了燃料供应不足。
有人可能会奇怪，为什么要把小燃料罐装在头顶上呢？为什么不就近设置在发动机的附近？我们下次再说。关注“科学声音”吧。