SpaceX 的星際飛船最終將不得不以軌道速度進(jìn)入地球大氣層，這對于大型航天器來說是極其困難的挑戰(zhàn)

　　9 月 26 日消息，據(jù)外媒報(bào)道，在不久的將來，美國太空公司 SpaceX 希望開始將其最初的兩個(gè)全尺寸星際飛船(Starship)原型進(jìn)行一系列越來越具挑戰(zhàn)性的測試飛行，最終與其首枚超重型運(yùn)載火箭(Super Heavy)共同完成軌道發(fā)射嘗試。

　　SpaceX 首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克(Elon Musk)在過去 48 小時(shí)左右的時(shí)間里在 Twitter 上回答了一系列問題，包括星際飛船究竟是如何從軌道返回地球的。這是迄今為止飛船需要經(jīng)歷的最艱難時(shí)期，無疑也是 SpaceX 必須解決的最具挑戰(zhàn)性的工程問題。

在這張官方渲染圖中，星際飛船在進(jìn)入大氣層時(shí)由于溫度急劇升高而發(fā)光

　　目前，SpaceX 的技術(shù)人員已經(jīng)開始將大量特斯拉 Model S 或 Model X 電池組連接到最終將安裝在星際飛船 Mk1 機(jī)頭內(nèi)的子組件上，提供高達(dá) 400kWh 的儲電容量。這些電力與星際飛船 Mk1 重返地球和回收直接相關(guān)，最近馬斯克詳細(xì)描述了這一點(diǎn)。他說：“我們會配置許多強(qiáng)大的電動(dòng)機(jī)和電池。所需的力量是巨大的，因?yàn)檎麄€(gè)鰭翼都在移動(dòng)。9 月 28 號會有更多關(guān)于這方面的信息更新。”

　　如上所述，大約 400kWh 的電池需要為驅(qū)動(dòng)星際飛船巨大控制面的電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，包括兩個(gè)巨大的尾翼和兩個(gè)前方的鰭翼。根據(jù)馬斯克的說法，星際飛船的穩(wěn)定性“是由進(jìn)入大氣層和著陸過程中尾翼和鰭翼的(非常)快速運(yùn)動(dòng)控制的”，這意味著飛船將需要不斷調(diào)整其控制面以保持穩(wěn)定飛行。

這張官方渲染圖涵蓋了星際飛船獨(dú)特的飛行和著陸方式

　　到目前為止，SpaceX 面臨的最大挑戰(zhàn)是確保星際飛船能夠經(jīng)受住軌道速度進(jìn)入大氣層，最好幾乎沒有受到任何磨損，這是星際飛船具有成本效益的必要條件。在低地軌道(LEO)上，星際飛船將在進(jìn)入大氣層時(shí)開始以不低于 7.8 公里/秒的速度飛行。

　　簡單地說，從軌道速度減慢到在地球上著陸的過程涉及將絕大多數(shù)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱量。正如馬斯克指出的那樣，這幾乎是不可避免的，但在人們想要多快地將能量轉(zhuǎn)化為熱量方面，還是有些靈活方法的。

　　最快到達(dá)地球的路線需要直接潛入大氣層，但這會顯著增加航天器表面的熱度，以至于航天器需要極端奇異的隔熱罩和熱保護(hù)系統(tǒng)。SpaceX 希望為星際飛船找到一個(gè)中間地帶，在星際飛船中，航天器使用其空氣動(dòng)力學(xué)控制面和機(jī)身來產(chǎn)生升力，在 15 分鐘以上的時(shí)間內(nèi)緩慢而小心地將自己降到地球大氣層中。

　　馬斯克指出，這極大地減少了峰值熱度，但代價(jià)是增加了星際飛船必須消散的總能量，有點(diǎn)像在 300 度的烤箱中烤東西 30 分鐘，而不是在 600 度的情況下烤 10 分鐘。

　　馬斯克解釋稱：“一點(diǎn)兒沒錯(cuò)。對于可重復(fù)使用的隔熱罩，請盡量減少峰值熱度。對于燒蝕/消耗性，將總熱量降至最低，以便可重復(fù)使用，就像星際飛船需要在高速進(jìn)入大氣層時(shí)的升力，那需要較低的峰值熱度，但總熱量可能較高。不過，低層大氣會讓你很快降溫，所以著陸后不會太熱。”

　　在某種程度上，星際飛船進(jìn)入大氣層的情況實(shí)際上與美國宇航局現(xiàn)已退役的航天飛機(jī)非常相似，后者從進(jìn)入大氣層燃燒到著陸大約需要 30 分鐘。根據(jù)上面的信息圖，看起來星際飛船從軌道到著陸大約需要 20 分鐘，這是因?yàn)橐坏┧_(dá)到較慢的速度，就會采用截然不同的方法著陸。

　　馬斯克最初在 2018 年 9 月描述過，星際飛船基本上會自動(dòng)失速，直到它的前進(jìn)速度接近于零。之后，這艘巨大的飛船將向地球俯沖，使用尾翼和鰭翼像跳傘者那樣機(jī)動(dòng)。而航天飛機(jī)則像水泥包裹的滑翔機(jī)一樣降落在跑道上。

　　這種不同尋常的方法允許 SpaceX 避開對巨大機(jī)翼的需要，防止星際飛船在它很少需要的空氣動(dòng)力學(xué)表面浪費(fèi)更多的質(zhì)量。航天飛機(jī)以其巨大的、瓷磚覆蓋的三角機(jī)翼和部分導(dǎo)致哥倫比亞災(zāi)難的前緣屏蔽而聞名。然而，一個(gè)鮮為人知的事實(shí)是，機(jī)翼的大小和形狀幾乎完全歸因于美國空軍對跨距離性能的要求，這意味著軍方希望航天飛機(jī)在進(jìn)入大氣層和飛行過程中能夠飛行 1600 多公里。這極大地限制了航天飛機(jī)的設(shè)計(jì)，而且從來沒有用于其預(yù)期目的。

“奮進(jìn)號”航天飛機(jī)在 2007 年 8 月的一次在軌檢查中展示了它的主隔熱板

　　幸運(yùn)的是，SpaceX 沒有“美國空軍”的強(qiáng)制要求。取而代之的是，星際飛船將繼續(xù) SpaceX 垂直著陸的傳統(tǒng)，垂直降落有點(diǎn)兒像跳傘運(yùn)動(dòng)員(或磚頭)以肚皮朝上，用鰭翼和推進(jìn)器翻轉(zhuǎn)自己，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)式垂直著陸。這樣一來，星際飛船就不需要像航天飛機(jī)那樣成為“被迫飛行的磚頭”，它只需要能夠穩(wěn)定地墜落，并快速地從水平方向翻轉(zhuǎn)到垂直方向即可。

　　此外，星際飛船幾乎完全是用鋼材建造的，而航天飛機(jī)依靠鋁合金，并需要在其船體的每寸表面上進(jìn)行熱保護(hù)。鋼的熔化溫度幾乎是航天飛機(jī)合金的兩倍，這意味著星際飛船能夠節(jié)省許多重量、金錢和時(shí)間。一旦星際飛船完成第一次 20 公里高的飛行測試，SpaceX 可能會將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向驗(yàn)證星際飛船在高超音速下的性能，最終達(dá)到以軌道速度進(jìn)入大氣層的水平。
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