唐驳虎：发射场下起的水泥雨，是星舰发射失败的元凶？

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核心提要：

1. “星舰”首射的事故，某种程度上也反映了SpaceX的“企业文化”——爆炸。SpaceX创立20年来，就是从一次又一次的试射爆炸中走来的，这种“以飞代试”的思路最终让其成功跑通了火箭回收模式，包揽了全球商业卫星发射市场。

2. “星舰”的起飞重量为5000吨，这是人类航天史上最大的火箭，它还可以全回收、快速复用，是SpaceX商用航天市场的未来。为了把如此大的火箭送上太空，“星舰”采用了33台并联的发动机并大量使用低成本商用级不锈钢。

3. “星舰”虽然发射失败，但整体来看，它的不锈钢箭体结构撑过了动压极值，证明其箭体的坚固程度超出人们的预期，也证明了“星舰”的动能没有问题，可以承载如此体量的火箭。“星舰”这次失败，面临的可能是航天技术中的一个经典难题：多台发动机聚拢产生的不可控的振动和可靠性问题。

4. 具体来看，“星舰”发动机遭遇故障的原因，是因为发射时巨大的推力把发射台地面的水泥喷溅出了“碎屑雨”，反弹导致发动机故障。这反映“星舰”面临的问题是，发射场选址不佳和没有财力修建导流槽和喷水降温系统等。从这个角度来看，这些方面的成本节约，间接导致了“星舰”的发射失败。

作者｜唐驳虎 凤凰新闻客户端荣誉主笔

马斯克的“星舰”（Starship）尝试首次发射，并在空中失控引爆。这是这几天最重要的新闻，第一次拥有了出圈的关注度，想必公众都知道了。

但背后的诸多细节，普通公众还是不了解。而且这件事毫不意外地在中文互联网继续变成情绪和口水乱飞的战场。看了看，全是毫无意义的口水。所以还是讲一讲吧。

首先，经过4月17日的“泵被冻住、推迟发射”的三天后，不少了解马斯克的人认为，4.17的推迟发射，和4.20的真实发射时间，都是马斯克故意选的，目的是造势、噱头和示威一把。

因为2018年8月，马斯克突然发布推文称，准备以每股420美元的价格（溢价20%）把特斯拉私有化退市。但半个月后又改称资金并没有到位，取消计划。

一群投资者指控马斯克随意的推文和波动的股价让他们损失惨重，对马斯克发起了集体诉讼。还有人怀疑马斯克是抽了大麻精神不正常才乱发的推文，因为在美国420就是大麻的代号。

总之马斯克因为这条推文被迫放弃了特斯拉执行董事长的职位，并且公司和个人一共向美国证监会支付了4000万美元的和解费。所以很多人认为4月20日发射就是马斯克一种无言的示威。

言归正传，美国中部时间4月20日上午8点33分（北京时间20日晚上9点33分），这枚巨大火箭从SpaceX在德州紧邻美墨边境的博卡奇卡（Boca Chica）村建设的自有发射场“星际基地”」（Starbase）发射升空。

“星舰”注满燃料后的重量超过5000吨，是人类航天史上最大火箭——3000吨重的“土星五号”（准确译名应是“农神五号”）火箭的1.7倍。

而即使“土星五号”这样的火箭，上一次发射也已是整整50年前（1973年5月发射“天空实验室”）或者35年前了（1988年11月苏联“能源号”发射“暴风雪”号航天飞机，系统重2400吨级）。

“星舰”不仅大幅刷新人类沉寂已久的巨型火箭体量纪录，还将有可能重新开创人类航天的新时代， 是一次和以往不同的大变革。因此在航天业界的关注度极高，并最终也必然外溢到公众视野。

但是，“星舰”起飞时便有5台发动机不工作，火箭推力不足，起飞就有些费力迟缓，飞行过程又灭了一台。在起飞2分钟120秒后，火箭高度20公里以上，速度达到每秒500米，

起飞约150秒，火箭飞行速度达到最大的每秒600米，此刻高度30公里。按照预定程序，火箭应在此时一级关机，并进行一二级分离。但此时火箭飞行姿态开始出现异常。

起飞约200秒后，火箭达到高度约40公里的最高点，而后就是视频看到的，姿态逐渐反转，变成“倒栽葱”，并在空中翻滚了好几圈。

40秒后（起飞4分钟），SpaceX的指挥中心发出自毁指令，火箭在30公里高度自爆解体。SpaceX在家观看发射的员工爆发出一阵欢呼声。

咋了？还庆祝上了？对，马斯克和业界都认为，“星舰”首飞只要不在发射架上把发射场炸没了，就完成任务了。

对SpaceX而言，爆炸已经成为研发必不可少的一部分。这家公司20年来就是一路炸炸炸过来的。这次“星舰”首射，不炸才怪呢。这是关于SpaceX的基本常识。

SpaceX的前科

马斯克的SpaceX（正式中文名是“太空探索技术公司”）从第一代单台“梅林”发动机的“猎鹰-1”号小型火箭闯进航天界，火箭最初三射三炸，到第四次才惊险成功，把公司从死亡线上拉回来。

随后就是快速扩大为第二代并联9台“梅林”发动机的“猎鹰-9”号大型火箭，进军商业发射市场，并随即开始人类从未有人正式尝试的火箭着陆回收尝试。

当时绝大部分人都认为这是天方夜谭，2015年经过2次回收失败，到年底一级首次成功着陆。2016年初再失败2次后，一级火箭成功在距离发射场700公里的海上驳船着陆，奠定了迄今独有的火箭回收模式。

SpaceX并由此大幅降低火箭发射成本，包揽了全球的商业卫星发射市场。2017年后，“猎鹰-9”号及三联版“重型猎鹰”的发射全部成功，发射数量也开始飞速提升。

2022年，SpaceX公司共发射61次，平均6天一次。发射入轨的重量，占当年人类航天发射入轨重量的比例超过60%。

2023年，这个比例预计将提升到80%（一季度为78%）， SpaceX一家的发射载荷相当于全世界（包括美国在内）其他公司、机构的4倍。

自2017年来，“猎鹰”系列已连续发射成功接近200次，连续成功回收超过100次，是世界上最可靠的火箭。

“猎鹰”已成功完成9次载人航天发射任务，用自家的“龙”飞船运送34名航天员进入太空（主要是国际空间站）。

同一枚“猎鹰”火箭一级复用次数最多的纪录是15次，已有2枚火箭达到这一指标。两次复用间隔最短的纪录是21天，其中用于翻修的时间为9天。

2017-2021年“猎鹰”系列尝试回收97次，失败5次。2022年至今尝试回收83次，全部成功。在2022年的61次发射中，仅有5次用了新一级，复用任务占比92%。

时至今日，全球其他国家和公司，依然没有拿出能够复用的轨道级火箭。SpaceX开创了火箭复用的航天新时代，在航天发射领域取得了一骑绝尘的领先位置。

但在SpaceX看来，可回收的“猎鹰”已是“过时、落后”的产品，全回收、快速复用的“星舰”才是未来的方向。

“超重”“星舰”

在2016年的国际宇航大会，这时“猎鹰-9”已经成功回收，SpaceX名声鹊起。 马斯克在大会压轴的演讲上公布了更大的运载火箭——

行星际运输系统（Interplanetary Transport System，简称ITS），并宣布他的梦想就是登陆乃至移民火星。 当然，大家都是听完之后一笑而过，没人拿马斯克画的大饼当真。

随后，火箭又先后改名为“大猎鹰火箭”（Big Rocket Rocket，简称BFR）和沿用至今的“星舰”（Starship）。“星舰”设计理念非常激进，包括：

1、一级集成33台“猛禽”发动机，单台发动机推力230吨，可优化到250吨以上。33台并联在一起，提供7590吨的推力。

2、“猛禽”（Raptor）发动机是第一款正式应用的液氧甲烷发动机。

3、箭体材料主要采用因为密度过重而航天极少应用的低成本商用级不锈钢。

4、第二级安排防热瓦，可再入大气层返回着陆场；“星舰”成为第一款全箭可以完全重复使用的火箭。

设计方向确定后，从2019年开始，SpaceX开展了原理样机的密集试飞。和10年前的“猎鹰”回收试验时期一样，SpaceX利用一贯的“快速迭代”和“以飞代试”模式，一路炸炸炸。

如10公里试飞阶段就四飞四炸，直到第五次原型机才成功着陆。其他原因炸掉或报废的各类试验件、原型机更是数不胜数。

但这些实验主要集中在火箭的第二级“星舰”回收上，庞大的第一级没有实射机会，只能通过仿真计算，在正式实射中才能验证。

火箭第一级被称作“超重型助推器”，一般简称“超重”，高近70米，加注推进剂3400吨。

第二级“星舰”实际上是特殊的飞船，高50米，加注推进剂1200吨。

二级共使用了3台大气层版“猛禽”，以及3台扩大喷管、真空推力增加到285吨的真空版“猛禽”，总推力1500吨。

由于第二级完成使命后已经进入环地球轨道，需要以类似航天飞机的姿态返回。为此在一侧贴有隔热瓦，以承受再入大气层的上千度高温，进入大气内滑翔并垂直降落。对于SpaceX来说，这也是一个考验。

33台发动机

“星舰”第一级还有一个引发很多争议的设计，那就是密密麻麻地安装了33台“猛禽”发动机。

这超过了苏联四射四炸的N-1登月火箭，是目前人类并联发动机数量最多的火箭。

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当然，第二名第三名也都是SpaceX自己的，那就是三联装27台发动机的“重型猎鹰”和单芯级9台发动机的“猎鹰-9”。

SpaceX搞“猎鹰-9”时很多人就质疑会失败，从一开始就不看好这个方案。

这次很多人怀疑SpaceX最后还是搞不下去，因为并联数的大幅上升会带来振动、结构、散热、可靠性等一系列问题，重蹈苏联N1火箭的覆辙。

不过，实际上，即使是航天业界，很多人也不清楚当年苏联N1火箭究竟失败在了哪里——

其实主要并不是物理力学问题，而是鲜为人知的电子控制问题。

巨型火箭使用大量小推力发动机，有几台发动机故障其实不影响推力，因为设计上有推力冗余。但是在控制上则需要及时调整火箭姿态控制系统，避免发动机不均一带来力矩偏转，最终引发火箭翻转。

而苏联的最短板就是电子工业，当时的控制系统和算法又相当羸弱，唯一的办法就是把30台发动机轴对称布置，那一台有问题，就关掉对向的发动机，以保持平衡。

N-1登月火箭的几次失败，测控数据都有完整回传，都是因为有发动机故障，结果火箭姿控系统无法应对，甚至因为电子设备可靠性问题关错发动机，最后快速导向失败的。

而21世纪的电子元件和控制算法、计算能力与50年前相比早已天翻地覆，“猎鹰”系列已至少两次在一个发动机故障的情况下圆满完成任务。

但这次“星舰”多台发动机不工作，并最终像苏联N1火箭一样折戟，很多人认为，看来SpaceX还是遇到了苏联N1火箭的困扰，把33台发动机密集塞在一起不可行。振动、热防护、可靠性难题无解。

低级错误

观察发射全过程，遥测数据显示，起飞时一级至少有3台发动机熄火，起飞推力降为额定的91%。 而后在起飞后40~60秒最外圈又熄火至少2台，推力下降到85%。

另外起飞后100秒，最外圈再熄火1台发动机，但在11秒后，这台“猛禽”又重新点燃。

另外，根据摄影师拍的照片，至少还有另外2台发动机存在推力下降的情况。也就是至少有8台发动机工作异常

（也有人认为是火箭自动控制对位发动机关机或者节流，以保持平衡）。

所以推力很可能最终无法支撑箭体向上，速度也不够，最终姿态失稳，一二级也不能分离。

究竟是不是发动机本身可靠性的问题后面再说，但火箭在这样的情况下，冲过了最大动压点，说明箭体结构是合格的。

火箭飞行过程中不断爬升加速，空气阻力Q也快速增大（与空气密度p成正比，与飞行速度V的平方成正比）。但火箭继续向高空和外太空爬升，空气也逐渐稀薄乃至接近阻力消失的宇宙真空。

这其中会有一个空气密度×速度平方的最大值和时刻。这个动压Q的极值点，就叫做Max-Q，此时的火箭结构受力最大最复杂，发生事故的概率也是最大的。

比如2020年SpaceX公司的“龙”载人飞船逃生救援测试，选择的就是在Max-Q点关闭九台梅林发动机，同时龙飞船开启推进系统，成功实现逃逸。

其实，这次“星舰”首飞遭遇的极端工况环境，说明了用不锈钢打造的箭体不仅合格，甚至坚固得令人吃惊。

要知道，以“星舰”5000吨的起飞重量，在高空来了个三圈半的大回旋，其他发动机还在工作，这其实并不寻常。

因为高悬空中（30~40公里高空）失去了距离感，人们不能理解，这就是一艘铁皮打造的薄壳核潜艇，正在以两倍以上的音速在天上旋转啊……

在以往类似案例中，火箭姿态失控，很快就会结构解体、空中爆炸。因为按火箭的干质比，燃料与储箱箭体的厚度比例，比装啤酒的易拉罐还要薄10倍，很脆弱。

而“星舰”则整整高空转圈了40秒，是见所未见的 （SpaceX应该是在想尝试看看，有没有翻盘机会）。如果SpaceX指挥中心不下达自毁指令，不知它还能在30公里高空转几圈？

另外，在发动机空中停车时，发动机还发生了轻微的爆炸，闪过火光。说明一般的故障能够隔离，不会引发连锁反应，这些容错能力必须是有的。

那么，究竟是什么搞砸了好几个发动机呢？ 看监控视频和事后影像，火箭升天黄沙爆炸，周边观看监测发射的大量汽车、设备在飞沙走石中被破坏。

顺带给整个发射场区下了一场“碎屑雨”，连距离发射点10多公里外的地方都收到了来自“星舰”的“馈赠”，实在是太污染环境了！

至于“震中”，看发射过后的发射场地面，犹如一场浩劫。发射台混凝土结构还在，但是之前铺的混凝土地面全都喷没了，还冲出一个巨大的坑，目测差不多有4米厚的地表土壤被喷飞。

所以，那几台不工作的猛禽发动机，大概率是被吹起和反弹的地面碎屑，尤其是水泥块崩坏了，所以才集中在火箭边缘外圈。

考虑到几百米外的汽车都被碎石砸坏，在这样的情况下，发动机和火箭整体依然安稳，皮实程度确实还不错，就是下次别这样了。

基地问题

于是，懂行的人都在问，SpaceX为什么不挖导流槽呢？ 人类史上最大的、推力也就是喷力7600吨的火箭竟然敢不挖导流槽？ 导流槽和降温水系统，这是航天发射架基本的构造啊。

其实，马斯克首先就是为了省钱，就搞了一个高架发射台，拉远一点距离，但是根本不够，这可是7600吨的冲击力啊，开什么玩笑。

马斯克2年前拍板德州建发射基地的时候就说了一句：“希望Boca Chica不需要导流排焰设施，但这可能是一个错误。”结果一语成谶。

现在，最重要的事应该是快速设计和建造导流槽和喷水降温系统？需要几个月？不不不，一连串的麻烦事来了。

首先，这里的地形地质其实不适合建设发射场， 沙质土壤，地下水位很高，缺少坚硬的地面容易沉降。

但是马斯克就是看中了美墨边界东端、德州最南端也是美国大陆最南端之一的地理位置——纬度越低越靠近赤道的地方越适合火箭发射，可以提高发射载荷。

而另一个佛州南端——迈阿密就是NASA的肯尼迪航天中心了，可以租可以建，但不是自己的地盘，放不开手脚。

早在2011年SpaceX就开始和德州洽谈人烟稀少的Boca Chica的土地租用事宜，得到了比较热情的答复。

最终双方在2014年达成协议，德州政府给了3000万美元的补贴和最大程度的法律宽松。

比如湿地公园的环保纠纷等等，德州税低，政府相对宽松，最后马斯克把特斯拉也全部带到了德州。

SpaceX花了一两年运输土壤改造这里的地貌，又花了一年多等待土壤的自然沉降， 直到2018年末，才开始工厂施工。

后来又决定原位建发射基地，搞成太空港，投入的成本已经很大了。

现在要挖导流槽，但关键是怎么挖，这里滨海地下水源源涌出，很有可能建不了。

肯尼迪航天中心同样离海岸很近，办法就是彻底加高了发射台，修了一个巨大的混凝土平台，里边直接开的导流槽。

按肯尼迪中心的这样标准重搞一个基座，浇筑工程量就大了，怎么也得大半年吧……

而且还有导流槽的寿命问题，以巨型火箭的威力，即使修了导流槽和大流量喷水系统，发射后大规模的维修是不可避免的。

而且这只是暴露的问题之一而已，还好几个可能需要彻底大改的问题暴露了出来。

连火箭本身怎样怎样，都还没说呢，这才哪到哪啊，下一篇再接着讲吧。

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