马斯克细解星际飞船如何返航：比航天飞机好在哪

9月27日消息，据外媒报道，美国太空公司SpaceX很快就会对其首批两艘全尺寸星际飞船（Starship）原型进行一系列越来越具有挑战性的试飞，最终将搭载超重运载火箭（Super Heavy）实现首次轨道发射尝试。

图1：SpaceX的星际飞船最终需要以轨道速度返回大气层，这对大型航天器来说是极其困难的挑战

在过去几天中，SpaceX首席执行官埃隆·马斯克（Elon Musk）通过Twitter，回答了粉丝许多关于星际飞船如何从轨道返回大气层并着陆的问题。迄今为止，航天器重返大气层是其需要经历的最危险时期，毫无疑问也是SpaceX必须解决的、最具有挑战性的工程问题。

图2：在这张官方渲染图中，星际飞船在重新进入地球大气层时因温度急剧升高而发光

最近有照片显示，SpaceX的技术人员正将特斯拉Model S和Model X的电池组连接到星际飞船原型Mk1的子组件上，该组件最终将安装在Mk1的鼻端，提供最高400千瓦时的储电能力。这些电力需求与Mk1的重返大气层和着陆方法直接相关，最近马斯克提及到了这一点。

马斯克在Twitter中称：“星际飞船Mk1上安装了许多强大的电机和电池。当整个鳍翼在运动时，所需的电量是非常庞大的。更多关于这方面的信息，请关注9月28日的更新。”

如上所述，大约400千瓦时的电池需要为驱动星际飞船巨大控制表面的电机提供动力，包括支持两个巨大的尾翼和两个鳍翼（或称前置副翼）。马斯克解释称，星际飞船进入大气层和着陆时的“稳定性是由尾翼和鳍翼的快速运动控制的”，这意味着飞船将需要不断调整控制表面，以保持稳定的飞行。

图3：这张官方发布的图片涵盖了星际飞船奇特的飞行和着陆方法

到目前为止，SpaceX面临的最大挑战是确保星际飞船能够在以轨道速度重返大气层时幸存下来，而且几乎没有磨损，这是保持其成本效益的必要条件。在低地轨道，星际飞船将在进入大气层时以不低于7.8公里/秒的速度飞行。简而言之，从轨道速度到着陆地球的减速过程，包括将绝大部分动能转化为热能。正如马斯克所指出的那样，这种情况是难以避免的，但在人们希望以多快的速度将动能转化为热能方面，有些灵活方案可选。

飞船到达地球的最快路径就是直接潜入大气层，但这会大幅增加航天器表面的峰值热负荷，以至于飞船表面需要极端奇异的热防护和热保护系统。SpaceX希望找到适合星际飞船的再入大气层方案，即利用其气动控制表面和机身产生升力，在15分钟以上的时间里，飞船缓慢而小心地将自己降落到地球大气层中。

马斯克指出，这极大地降低了峰值热负荷，同时也增加了星际飞船需要消耗的总能量，这有点儿像在烤箱中以300度高温烹饪食物30分钟，而不是在600度高温下烹饪10分钟。

从某种程度上说，星际飞船进入大气层的场景与美国宇航局现已退役的航天飞机非常相似，后者从进入大气层到着陆大约需要30分钟。而SpaceX预计，星际飞船从轨道到着陆大约需要20分钟。这是因为，一旦降至较慢的速度，星际飞船的着陆方式就会发生巨大变化。

马斯克在2018年9月和最近几周都描述了这种情况：星际飞船基本上会进入自动失速状态（机翼产生的升力突然减少，导致航天器飞行高度快速降低），之后它将以腹部朝上的方式坠落，并用它的尾翼和鳍翼像跳伞者那样机动。而航天飞机会像滑翔机那样降落在跑道上。

星际飞船这种不寻常的着陆方式让SpaceX无需为其安装巨大机翼，大大减轻了重量负载，而航天飞机则以其巨大的、瓦片覆盖的三角翼和前缘热防护装置闻名。

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能够在重返大气层后继续飞行1600多公里。这极大地限制了航天飞机的设计，而且这种设计从未被用于预期目的。

图4：“奋进号”航天飞机在2007年8月的一次在轨检查中展示了主隔热层

星际飞船没有这样的强制要求，相反，它将延续SpaceX垂直着陆的传统，垂直降落看起来有点儿像高空跳伞，用鳍翼和推进器翻转身体，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，而航天飞机则依赖于铝合金，每寸船体表面都需要热保护。钢材的熔点几乎是铝合金熔点的两倍，这意味着星际飞船能够在迎风的那一半只使用瓷砖，从而节省重量、金钱和时间。在完成首次20公里高空飞行测试时，SpaceX很可能将重点转向验证星际飞船在高超音速下的性能。（小小）