SpaceX改进Starship火箭：着陆过程可渗出液体制冷

　　据外媒报道，由伊隆-马斯克(Elon Musk)创立的太空探索科技公司SpaceX正在努力开展一个雄心勃勃的项目：让人们永久定居在火星上。

　　为了帮助实现这一愿景，马斯克的公司正在开发一种巨大的、完全可重复使用的发射系统，称为Starship。

　　据马斯克的最新描述，Starship被设想为一艘180英尺高的宇宙飞船，将在大约220英尺高的火箭助推器Super Heavy的推动下进入轨道。这艘宇宙飞船可以在低地球轨道上补充燃料，以便一次性将100名乘客和100吨以上的货物送往火星。

　　但是，发射系统的成败——以及马斯克的火星移民计划——可能取决于最近两个重大设计变化的可靠性。马斯克形容这两个变化是“激进的”和“违反直觉的”。

　　其中一个变化是用不锈钢合金代替碳纤维复合材料来建造这个宇宙飞船。但根据航天工业专家，最令人惊讶的变化，则是避免Starship在火星和地球大气中燃烧的方法。

　　马斯克说，Starship不会像美国国家航空航天局(NASA)那样依靠数千块厚重的瓷砖来保护避免高温，而是会通过微小的孔洞来“排放”火箭燃料降温。从理论上来说，在Starship的钢壳和它通过大气时产生的炽热的等离子体之间注入液体，可以防止它被烧毁。

　　但是，航空航天工程师、美国宇航局太空技术与探索理事会主任沃尔特-恩格隆德(Walt Engelund)表示，SpaceX能否实现这种大小和设计均前所未有的发射系统，还有待观察。

　　“庞大的航天器进入大气层、下降和着陆是NASA几十年来一直面临的挑战。我们花了很多时间，也考虑了很多在火星上做这件事的方法。”恩格隆德说，“我们着陆了大约一吨重的好奇号漫游者火星探测器——这是我们在火星表面降落过的最大的东西。”

　　恩格隆德说，从一个汽车大小的火星探测器到一艘满载人类的建筑物大小的飞船，这是一个巨大的变化，这比“好奇号”着陆“困难几个数量级”——大约是100倍——他说，让“好奇号”在火星上着陆“可以说是我们在NASA做过的最困难的事情之一。”

　　“这对我们和SpaceX来说都不是一件容易的事。”恩格隆德说。

　　Starship为啥变成超重火箭

　　马斯克认为，到2050年，他可以在这个红色星球上建立一个自给自足的城市。他希望让人们去火星的单程票价像地球上的房子一样便宜，而且返程是免费的。

　　“Starship超重型发射系统”是马斯克计划实现这一目标的方法。他说，改用不锈钢合金是一种降低成本和更快地建造该系统的方法。

　　“Starship将看起来像水银。”马斯克在去年12月谈到这一变化时说。他还补充说，Starship将进行镜面抛光，以帮助反射热量——这也可以帮助制冷。

　　在接受《大众机械》(Popular Mechanics)杂志采访时，马斯克解释说，不锈钢的重量大约是SpaceX计划在9月份使用的轻质超强碳纤维复合材料的67倍。与碳纤维相比，钢更容易加工，可以更快地成型，并可以更好地经受住极端高温。

　　更重要的是，马斯克说，当不锈钢接触到超冷液体，包括Starship在太空中用于自我推进的低温甲烷和氧气时，它的强度“会提高50%”。

　　然而，钢的问题在于，它的材料密度很大，而且很重。通用动力公司(General Dynamics)至少有一个早期版本的Atlas导弹是用这种金属制成的，在发射台上，它在自己的重量压力下变形了。

　　然而，马斯克表示，SpaceX对钢材的使用方法有很大不同，它将使重新设计的Starship变得更结实、更耐用以及相对更轻。最终，他说，材料的改变将使Starship的性能超过以前的设计。

　　马斯克今年1月在微博网站Twitter上写道：“我相信，不锈钢Starship将比先进的铝或碳纤维更轻。”

　　但是，尽管钢很坚韧，但它并不是无敌的，尤其是当它作为在大气中穿行的航天器的外壳时。

　　流出液体制冷

　　Starship能以每小时1.9万英里的速度进入火星和地球的大气层。马斯克说，在这样的速度下，这艘船的薄弱部分，比如它的鼻子，可能会暴露在大约2700华氏度的温度下。

　　马斯克说，这样的高温足以破坏SpaceX用来做Starship外壳的钢合金。这种材料被称为310S，通常被称为耐热金属，因为它含有大量的铬和镍。(这与厨房的锅和盘子用的钢没什么两样。)尽管如此，310S钢仍然会与氧气发生反应，在2000度左右腐蚀，在2400度左右熔化。

　　Starship需要隔离高温，这就是为什么马斯克计划让Starship在着陆时渗出液体燃料来冷却自己。

　　马斯克告诉《大众机械》，他决定放弃类似航天飞机的隔热瓷砖，以减轻重量，防止损坏或丢失的瓷砖损害隔热层。

　　相反，他解释说，Starship将从其钢皮上的小洞渗出火箭燃料。这层液体将带走Starship进入大气层时摩擦产生的巨大热量。

　　“在迎风一侧，我想要做的是拥有有史以来第一个蓄热式隔热板。一种双壁不锈钢外壳——就像不锈钢三明治一样。”马斯克说，“你在夹心层之间流动燃料或水，然后你在外壳中留出微小的孔，让燃料或水流出。如果你不凑近看，你就看不到这些小孔。”

　　他补充说，隔热层还可以强化Starship的钢体。

　　马斯克说：“据我所知，这是以前从未有人提出过的方法。”

　　专家称，马斯克是对的，没有任何宇宙飞船在发射进入轨道和返回地球使用这样的隔热装置。但通过排液来隔热的概念并不新奇，而且这个方法在历史上一直是一个非常棘手的工程挑战。

　　洲际弹道导弹的蒸腾冷却设计

　　马斯克说，Starship的发射系统将被抛光到像镜子一样的程度。

　　数百万年来，哺乳动物皮肤就具有蒸腾冷却的作用。例如，当人体温度过高时，微小的毛孔就会排出汗水。这些液体随后蒸发，以带走多余的热量，防止过热。

　　在将宇航员送上月球之前，NASA受大自然的启发开始尝试蒸腾冷却系统。

　　“蒸腾冷却的想法并不新鲜。这已经存在了几十年了。”恩格隆德说。

　　美国宇航局在1965年申请的一项专利建议使用宇航员的尿液来冷却太空舱底部的隔热层。早在2006年，美国宇航局就花费了至少7万美元用于研究一种可充气的、蒸腾冷却的隔热装置，以帮助航天器在火星上着陆。

　　“流汗的”的航天器也在冷战军备竞赛中发挥了作用。1976年3月，美国国防部为重新进入大气层的航天器设计了一种具有蒸腾冷却作用的鼻尖。这种航天器乘坐洲际弹道导弹进入太空，然后以每小时数千英里的速度重返地球大气层，并用核弹头攻击遥远的目标。

　　但根据美国空军的历史文件显示，该项目在20世纪70年代后期被取消，原因是资金有限和“设计问题一直困扰着开发工作”。相反，工程师们选择了更简单的“烧蚀”防热材料，在重返大气层时通过烧蚀材料受热分解和氧化燃烧带走热量。

　　与美国国防有关的蒸腾冷却隔热装置的设计及其存在的问题大多数属于机密信息。但研究太空运载火箭军事用途的航天工程师乔治-赫伯特(George Herbert)称，“它被报道的和已知的问题包括蒸腾气孔堵塞问题等。”

　　换句话说，青少年皮肤普遍面临的问题是：毛孔堵塞。

　　“如果鸟在你的火箭上拉屎怎么办？”

　　几位专家称，他们对Starship隔热设计中的微孔堵塞问题感到担忧。

　　恩格隆德说：“你可以想象，如果它们是微小的孔洞，它们不需要太长的时间就会被堵塞。”

　　德维恩-戴伊(Dwayne Day)曾帮助调查了美国宇航局哥伦比亚号航天飞机及其机组人员坠毁之谜。他设想了一种令人烦恼的常见情况，即Starship在地球上的任何发射场都会面临小孔堵塞的情况。

　　“如果一只鸟在你的火箭上拉了屎，堵塞了几个洞，然后当它重返大气层时，这几个小洞里没有渗透液体降温，那么这部分就会变得过热。这该怎么办呢?”戴伊写道。

　　恩格隆德说，在NASA的高超声速风洞中进行的测试中，他看到了冷却系统堵塞的问题。在这些实验中，航天器的比例模型被放置在风洞中——风洞能以每小时数千英里的速度吹气——以研究它们的性能。一些测试项目涉及到使液体从模型外壳下方的通道流出以降温，但并不是所有的模型都通过测试。

　　恩格隆德说：“我见过这样的情况：当一个通道堵塞时，它会立即被烧穿。”

　　马斯克曾说过，用甲烷作为冷却剂可能比用水更好。

　　他在上个月的一条推文中说：“水的快速蒸发可能会导致水冻结，并堵塞冷却通道。”

　　但恩格隆德也看到了甲烷选择的挑战。当暴露在高温下时，碳氢燃料(如甲烷)中的碳原子可能会“结焦”或粘在一起变成固体。这样的碎片也可能堵塞微孔。

　　“我会非常担心这一点。”恩格隆德说。他还补充说，另一个大问题是燃料中的杂质，这也可能导致堵塞。

　　恩格隆德说，解决这些问题的一种可能的方法是留置多余的微孔，以防止某些微孔被堵塞，或流向这些微孔的冷却剂通道被堵塞。”

　　除了鸟粪和堵塞等问题外，火星上还有细小的灰尘。这可能会堵塞Starship渗出燃料的微孔，而且在红色星球上可能很难发现和清除这些堵塞物。

　　恩格隆德说：“一般来说，检查和鉴定对于这样一个大型主动系统来说是一个值得关注的问题——尤其是在火星上，在那里你无法爬上塔楼进行检查。我想你可以用无人机。也许这就是他正在考虑的事情。”

　　Starship能承受高温吗？

　　马斯克只分享了Starship最新设计的小部分，并没有像过去那样向公众展示一幅完整的图片。(本文中的效果图是由3D艺术家基米-塔尔维蒂提供的。)。

　　但马斯克在去年12月说，等到三四月他的公司在得克萨斯州制造的原型火箭成功发射后，他将“提供详细的解释”。

　　与此同时，马斯克分享了一段视频，看起来似乎是在测试Starship的金属隔热材料。目前还不清楚SpaceX在蒸腾冷却设计方面做了多少研究。

　　“如果他们没有测试和验证他们想做的事情，那么这将是一个巨大的风险。”赫伯特说。“但如果他们已验证有效，那么他们的新设计将是真正的赢家。”

　　恩格隆德说，即使不成功，马斯克的Starship也不一定就走进了死胡同。

　　“如果他发现这个方法站不住脚或太昂贵，那么他可能会想出一个更好的办法。”恩格隆德说，“在他的职业生涯中，他真的很擅长这一点。”

　　SpaceX还期望通过工程师们的努力不断地进行调整和改进，以使Starship成为现实。

　　该公司一位发言人在谈到Starship的设计时称：“我们现在采用的设计方法也是曾导致猎鹰1号、猎鹰9号、猎鹰重型和龙火箭计划取得成功的方法，而且我们采用的是相同的快速更新速度。”

　　但SpaceX拒绝将Starship与美国宇航局的“好奇号”漫游者进行任何比较。

　　SpaceX说：“好奇号突破了上世纪70年代火星[进入大气层、下降和着陆]技术的极限，包括一种特定的基于降落伞的EDL架构。我们借鉴了我们设计猎鹰9号的经验，采取了与好奇号完全不同的方法。在它飞往火星之前，我们有足够多的机会在地球上进行演示。”

　　尽管SpaceX发射Starship并在火星上着陆的任务似乎面临着很多的障碍，但没有专家说，SpaceX的系统是不可能实现的。

　　恩格隆德说：“他们已做出了很多让人感到惊讶的事情，他们有很多聪明的人为他们工作，马斯克似乎真的很上心。也许我们可以和他们合作做一些事情。我想会有机会的。”