星际飞船如何从轨道返回地球?马斯克给出了解释

[摘要]SpaceX首席执行官埃隆·马斯克(Elon Musk)在过去48小时左右的时间里在Twitter上回答了一系列问题,包括星际飞船究竟是如何从轨道返回地球的。这是迄今为止飞船需要经历的最艰难时期,无疑也是SpaceX必须解决的最具挑战性的工程问题。

SpaceX的星际飞船最终将不得不以轨道速度进入地球大气层,这对于大型航天器来说是极其困难的挑战

腾讯科技讯 9月26日消息,据外媒报道,在不久的将来,美国太空公司SpaceX希望开始将其最初的两个全尺寸星际飞船(Starship)原型进行一系列越来越具挑战性的测试飞行,最终与其首枚超重型运载火箭(Super Heavy)共同完成轨道发射尝试。

SpaceX首席执行官埃隆·马斯克(Elon Musk)在过去48小时左右的时间里在Twitter上回答了一系列问题,包括星际飞船究竟是如何从轨道返回地球的。这是迄今为止飞船需要经历的最艰难时期,无疑也是SpaceX必须解决的最具挑战性的工程问题。

在这张官方渲染图中,星际飞船在进入大气层时由于温度急剧升高而发光

目前,SpaceX的技术人员已经开始将大量特斯拉Model S或Model X电池组连接到最终将安装在星际飞船Mk1机头内的子组件上,提供高达400kWh的储电容量。这些电力与星际飞船Mk1重返地球和回收直接相关,最近马斯克详细描述了这一点。他说:“我们会配置许多强大的电动机和电池。所需的力量是巨大的,因为整个鳍翼都在移动。9月28号会有更多关于这方面的信息更新。”

如上所述,大约400kWh的电池需要为驱动星际飞船巨大控制面的电动机提供动力,包括两个巨大的尾翼和两个前方的鳍翼。根据马斯克的说法,星际飞船的稳定性“是由进入大气层和着陆过程中尾翼和鳍翼的(非常)快速运动控制的”,这意味着飞船将需要不断调整其控制面以保持稳定飞行。

这张官方渲染图涵盖了星际飞船独特的飞行和着陆方式

到目前为止,SpaceX面临的最大挑战是确保星际飞船能够经受住轨道速度进入大气层,最好几乎没有受到任何磨损,这是星际飞船具有成本效益的必要条件。在低地轨道(LEO)上,星际飞船将在进入大气层时开始以不低于7.8公里/秒的速度飞行。

简单地说,从轨道速度减慢到在地球上着陆的过程涉及将绝大多数动能转化为热量。正如马斯克指出的那样,这几乎是不可避免的,但在人们想要多快地将能量转化为热量方面,还是有些灵活方法的。

最快到达地球的路线需要直接潜入大气层,但这会显着增加航天器表面的热度,以至于航天器需要极端奇异的隔热罩和热保护系统。SpaceX希望为星际飞船找到一个中间地带,在星际飞船中,航天器使用其空气动力学控制面和机身来产生升力,在15分钟以上的时间内缓慢而小心地将自己降到地球大气层中。

马斯克指出,这极大地减少了峰值热度,但代价是增加了星际飞船必须消散的总能量,有点像在300度的烤箱中烤东西30分钟,而不是在600度的情况下烤10分钟。

马斯克解释称:“一点儿没错。对于可重复使用的隔热罩,请尽量减少峰值热度。对于烧蚀/消耗性,将总热量降至最低,以便可重复使用,就像星际飞船需要在高速进入大气层时的升力,那需要较低的峰值热度,但总热量可能较高。不过,低层大气会让你很快降温,所以着陆后不会太热。”

在某种程度上,星际飞船进入大气层的情况实际上与美国宇航局现已退役的航天飞机非常相似,后者从进入大气层燃烧到着陆大约需要30分钟。根据上面的信息图,看起来星际飞船从轨道到着陆大约需要20分钟,这是因为一旦它达到较慢的速度,就会采用截然不同的方法着陆。

马斯克最初在2018年9月描述过,星际飞船基本上会自动失速,直到它的前进速度接近于零。之后,这艘巨大的飞船将向地球俯冲,使用尾翼和鳍翼像跳伞者那样机动。而航天飞机则像水泥包裹的滑翔机一样降落在跑道上。

这种不同寻常的方法允许SpaceX避开对巨大机翼的需要,防止星际飞船在它很少需要的空气动力学表面浪费更多的质量。航天飞机以其巨大的、瓷砖覆盖的三角机翼和部分导致哥伦比亚灾难的前缘屏蔽而闻名。然而,一个鲜为人知的事实是,机翼的大小和形状几乎完全归因于美国空军对跨距离性能的要求,这意味着军方希望航天飞机在进入大气层和飞行过程中能够飞行1600多公里。这极大地限制了航天飞机的设计,而且从来没有用于其预期目的。

“奋进号”航天飞机在2007年8月的一次在轨检查中展示了它的主隔热板

幸运的是,SpaceX没有“美国空军”的强制要求。取而代之的是,星际飞船将继续SpaceX垂直着陆的传统,垂直降落有点儿像跳伞运动员(或砖头)以肚皮朝上,用鳍翼和推进器翻转自己,实现推进式垂直着陆。这样一来,星际飞船就不需要像航天飞机那样成为“被迫飞行的砖头”,它只需要能够稳定地坠落,并快速地从水平方向翻转到垂直方向即可。

此外,星际飞船几乎完全是用钢材建造的,而航天飞机依靠铝合金,并需要在其船体的每寸表面上进行热保护。钢的熔化温度几乎是航天飞机合金的两倍,这意味着星际飞船能够节省许多重量、金钱和时间。一旦星际飞船完成第一次20公里高的飞行测试,SpaceX可能会将重点转向验证星际飞船在高超音速下的性能,最终达到以轨道速度进入大气层的水平。(腾讯科技审校/金鹿)

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