SpaceX 的星際飛船最終將不得不以軌道速度進入地球大氣層，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全尺寸星際飛船(Starship)原型進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 小時左右的時間里在 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，星際飛船在進入大氣層時由于溫度急劇升高而發(fā)光

　　目前，SpaceX 的技術人員已經(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 機頭內的子組件上，提供高達 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，最近馬斯克詳細描述了這一點。他說：“我們會配置許多強大的電動機和電池。所需的力量是巨大的，因為整個鰭翼都在移動。9 月 28 號會有更多關于這方面的信息更新。”

　　如上所述，大約 400kWh 的電池需要為驅動星際飛船巨大控制面的電動機提供動力，包括兩個巨大的尾翼和兩個前方的鰭翼。根據(jù)馬斯克的說法，星際飛船的穩(wěn)定性“是由進入大氣層和著陸過程中尾翼和鰭翼的(非常)快速運動控制的”，這意味著飛船將需要不斷調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，星際飛船將在進入大氣層時開始以不低于 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)動能轉化為熱量。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化為熱量方面，還是有些靈活方法的。

　　最快到達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系統(tǒng)。SpaceX 希望為星際飛船找到一個中間地帶，在星際飛船中，航天器使用其空氣動力學控制面和機身來產(chǎn)生升力，在 15 分鐘以上的時間內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，但代價是增加了星際飛船必須消散的總能量，有點像在 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：“一點兒沒錯。對于可重復使用的隔熱罩，請盡量減少峰值熱度。對于燒蝕/消耗性，將總熱量降至最低，以便可重復使用，就像星際飛船需要在高速進入大氣層時的升力，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，星際飛船進入大氣層的情況實際上與美國宇航局現(xiàn)已退役的航天飛機非常相似，后者從進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，這是因為一旦它達到較慢的速度，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失速，直到它的前進速度接近于零。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動。而航天飛機則像水泥包裹的滑翔機一樣降落在跑道上。

　　這種不同尋常的方法允許 SpaceX 避開對巨大機翼的需要，防止星際飛船在它很少需要的空氣動力學表面浪費更多的質量。航天飛機以其巨大的、瓷磚覆蓋的三角機翼和部分導致哥倫比亞災難的前緣屏蔽而聞名。然而，一個鮮為人知的事實是，機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在進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的設計，而且從來沒有用于其預期目的。

“奮進號”航天飛機在 2007 年 8 月的一次在軌檢查中展示了它的主隔熱板

　　幸運的是，SpaceX 沒有“美國空軍”的強制要求。取而代之的是，星際飛船將繼續(xù) SpaceX 垂直著陸的傳統(tǒng)，垂直降落有點兒像跳傘運動員(或磚頭)以肚皮朝上，用鰭翼和推進器翻轉自己，實現(xiàn)推進式垂直著陸。這樣一來，星際飛船就不需要像航天飛機那樣成為“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，而航天飛機依靠鋁合金，并需要在其船體的每寸表面上進行熱保護。鋼的熔化溫度幾乎是航天飛機合金的兩倍，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 可能會將重點轉向驗證星際飛船在高超音速下的性能，最終達到以軌道速度進入大氣層的水平。
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