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为何SpaceX的Starship没有逃逸系统?

2020-01-22  金刚光

大成若缺,其用不弊。大盈若冲,其用不穷。

——《道德经·第四十五章》

本文是YouTube原视频 https://www.youtube.com/watch?v=v6lPMFgZU5Q 的文字版翻译。原文地址 https://everydayastronaut.com/starship-abort/ 。

视频烤肉版在

SpaceX(以下简称“太空叉”)的Starship的真面目最近已经进入了公众的视野,它将是人类发射过的最大、推力最强劲的火箭,能够运送100人往返火星。此外,这枚火箭还是完全可回收的——这是一个能让航天市场洗牌的技术,一个开创人类航天新领域的技术。

但大家都在为Starship而兴奋的同时,我们也会发现,Starship貌似缺了点什么——逃逸系统。如果它不能在发生故障的时候让乘员逃逸,它怎么能说是安全的呢?发射逃逸系统(Launch Escape System),也叫发射中止系统(Launch Abort System),可以将乘员带离即将爆炸的火箭,在即将发生灾难性事故之前拯救乘员的生命,在全世界的载人火箭家族中几乎已成为一种“标配”。

就在前不久进行的载人龙飞船发射中逃逸测试

所以Starship这种没有任何可弹出的、自带推进器并能返回的舱室的设定是否合理?毕竟历史上,同样没有逃逸机构的航天飞机曾发生过两起空难,总共导致14名乘员遇难。Starship会重蹈历史覆辙吗?我们能够信任一枚火箭不会出故障吗?

这又是一个无数人问过我的很好的问题,尤其是最近我们看到了太空叉的载人龙飞船飞行中逃逸测试。

炸飞顶盖的MK1

与之关联更大的事情是我们在Boca Chica亲眼目睹了Starship原型机MK-1发射台上压力测试时炸飞了顶盖,如果上面有人会怎样?为啥太空叉不考虑在上面安装发射中止系统?

有的粉丝们可能已经看过我之前一期视频介绍了为何太空叉的载人龙飞船和波音的星际线飞船都选择了液体火箭发动机推式逃逸系统,而没有选择传统的固体火箭发动机推式逃逸系统。如果大家想复习一下逃逸系统请先去看看那个视频!应该会让大家对现代逃逸系统有一些额外的看法。

对于不小心点进来的读者,先告诉您一声本文挺长的。我又不喜欢蜻蜓点水浮光掠影,我寻找答案过程中喜欢一路深挖下去,顺便讲讲历史说说数据。所以本文将涉及大量细节、图表、数据,我们将了解火箭的认证、火箭发动机的可靠性、Starship设计的风险与好处,并纵观整个人类航天史,让大家了解到逃逸系统到底拯救了几条飞船上的人命。到了结尾,也不会是我对于Starships没装逃逸塔是好是坏的单纯的观点,而是一个分析性的总结。

逃逸系统工作原理

我们先大致讲讲逃逸系统,其实原理很简单,火箭是世界上最精密、最复杂的工程产物,要承担自身和载荷重量,忍受恶劣的环境、温度,同时还要保证自身越轻越好,上百万个零件能协同工作,不出问题简直是奇迹。

而当你把一个大活人放在由上百万个零件组装起来的能正常运转的巨型窜天猴顶端时,在发生意外时有一个备份方案总是件好事。

纵观人类航天史,有一种方案几乎统治了所有发射逃逸系统,那就是固体火箭逃逸塔。这种塔型结构放置在乘员舱的顶部,大家可能在水星号、联盟号、阿波罗,乃至NASA的猎户座飞船上都看过。

很多飞船都有逃逸塔

个别的飞船比如东方号,双子号和早期的航天飞机使用弹射座椅作为其逃逸系统,但甭管是弹射座椅还是逃逸塔,还是现代的液体火箭推式逃逸系统,概念都是一样的:如果逃逸系统检测到推力减少、飞行路径严重偏离,甚至检测到燃料箱的破裂,都会触发逃逸系统工作。

阿波罗飞船逃逸测试

早期的火箭——可能还有一些现代火箭,这点我不是太确定——有三条传感器连出的线缆沿着燃料罐走行。一旦任意两条之间断开,就表明燃料罐出现了破损,就会触发逃逸系统。发射逃逸系统也可以由宇航员在发现了系统没有检测到的致命故障时手动触发。

当逃逸系统被触发时,逃逸发动机启动,分级系统让逃逸系统把飞船带离火箭。逃逸发动机启动后,给乘员舱的加速度相当大——真的相当大的G值,至少10G。

发射逃逸系统是公认的保证乘员安全的最好选择,但如果你把整个火箭系统造得更加安全呢?如果你有足够的冗余系统,每个零件都为了更高的安全裕度而"过设计"呢?

航天飞机的安全裕度

航天飞机

设计一款像民航客机一样安全可靠的火箭正是NASA当年设计航天飞机时候的初衷。他们认为,如果航天飞机的每个零件都进行过设计,那么飞船和乘员的损失就会降低,低到可能会比额外加装运动部件与系统从而构建有效的逃逸系统还要更安全。

在阿波罗那个NASA好像钱多得没处花的时代,他们找到了通用电气做了一个“人类能够安全登月并返回地球的全数值概率风险评估”。

通用电气得到的数字是5%,人类成功登月并安全返回的成功率只有5%!NASA的局长詹姆斯·韦伯当时很不满意,而他并没有去修改火箭或任务本身,而是决定改变他们处理风险的工程设计方式。需要指出的是这不一定是坏事,他们研发了"故障模式"(Failure Modes)和"影响分析"(Effects Analysis)两大功能,可以识别可能会导致灾难性情况的设计和硬件。

"故障模式"和"影响分析"对各种故障作出的分类

它们被分类成关键一级:可能威胁乘员生命与飞船运行;关键二级:可能威胁到任务的成功和关键三级:可能威胁其他事情,还在零件和设计分析中为冗余系统添加了标注后缀R的级别。

在人类成功登月后,NASA的预算开始减少,同时国会对即将到来的航天飞机计划支持率也有所降低,NASA不得不把航天飞机的卖点定为一款廉价可靠的主力飞船,甚至还要计算确切风险值才能发射像伽利略号木星探测器这种钚燃料的探测器。

测试复杂系统的可靠性,其流程包括先将系统作为整体进行研究,找出潜在的故障点,然后收集不同环境条件下这些故障点的极限在哪。现在还可以使用统计模型和计算机模拟进行测试,并对其进行迭代以确保计算机模拟满足真实世界的性能需求,从而确定成功率是否满足阈值需要。

每个零件都有设计规范和一定的安全系数,以界定它需要承受超出设计规范多大范围。火箭上绝大多数零件的安全系数是1.5,意思是如果某个零件需要承受10牛顿的力,那在测试时,它需要承受15牛顿的力且不会失效。但当零件没有良好测试或以往数据经验的话,通常会将安全系数提高到2.0,也就是要承受两倍于需求的力。

SLS储箱压力测试 2.6倍设计压力坚持了5小时才炸

要真正实际去验证一个系统,有时就是把系统整体放到极端环境下进行测试,而不是单独测试每个部件。整体测试一个系统的过程称为“全面测试”(All-up testing),这是NASA在阿波罗时代搞出来的东西。从长远来看,相比于进行更多地面测试、分析和使用以往数据进行认证,全面测试可能是验证系统更快的方法。

可以发现如今两家商业公司在认证方法上就有这样的不同:太空叉选择在飞行中测试 认证他们的逃逸系统,而波音选择通过对各个零件进行更严格的认证来验证其逃逸系统。

在航天飞机计划开始的时候,灾难性故障发生概率估计值范围在小于1%到小于0.001%,安全性的估计范围上下限差了几个数量级。

虽然当时NASA迷之乐观,他们还是给航天飞机前四次发射装了弹射座椅,不过之后就取消了,因为使用案例非常有限,而且实际上,只有上层的乘员可以弹射出去,其余中层的乘员只能等死。

NASA曾考虑过的弹射舱

但在挑战者号空难后,NASA的确考虑过使用弹射舱,可以让全体成员从航天飞机弹射出去,有点像F-111s和早期B-1原型机那样。但它太复杂、太重了,需要大量改装才能让它派上用场。

事后看来,我们知道航天飞机135次飞行有两次失败,一次在发射中、一次在再入大气中,成功率只有98.5%,和最初估计的安全性中最保守的估计值都差得老远。

也可能是因为航天飞机的教训,NASA改变了他们商业载人航天计划的认证系统,需要在上升时乘员损失率为1:500、返回时为1:500、在轨时故障率为1:270。

既然航天飞机和Starship都没有逃逸系统,那么航天飞机有哪些非常危险的设计考虑因素?Starship又有同样的缺陷吗?

航天飞机的危险因素

STS-107 哥伦比亚号

造成航天飞机有点危险的因素有几个,我们先从固体火箭助推器开始。安装在外挂燃料箱两侧的巨大白色固体火箭助推器,起飞时提供了超过60%的推力。

固推一旦被点燃就不能关闭,你总得飞到哪去,还得赶快!而且希望飞的时候是头朝上尾焰朝下。

这意味着无论多么严重的故障,任何逃逸系统都得让火箭忍到固推烧完。所以升空后127秒内,一旦出现任何问题,上面的人都得默念老天保佑一定要坚持住。

主要原因是如果在这期间逃逸,无论是让轨道器和外挂燃料箱分离,还是直接跳机,你都会被固推的尾焰吞没,生还几率渺茫。

挑战者号空难

但不幸的是,对于有些故障,火箭真的忍不到固推烧完的时候。就像1986年1月28日挑战者号的第十次太空飞行,结果大家可能早就知道了,固定固推某段的O型圈发生泄漏,导致之后固推和外挂燃料箱的连接处断开,最终导致火箭彻底解体、七人全部遇难的悲剧。

但挑战者号空难的最大问题并不是它硬件的缺陷,而是飞行计划管理上的漏洞与当时急于发射所带来的压力。因为他们早就知道发射条件处于固推所允许的飞行包线之外,并且建议取消当天的发射。

尽管使用液体燃料助推器也不会消除所有隐患,而且可能还不如固推可靠,但液体火箭助推器至少能做到随时关机,可以提供更多的逃逸选项。

黑色代表GG

来看看这个表格,观察黑条区域,这些就是发射中如果损失二或三台发动机会导致完全失控或结构完全损毁的区域。所以如果你挂了两台或者三台发动机,你基本上就完蛋了。这还没算进固推和其他别的东西的故障。

但在挑战者号空难后,NASA的确增加了很多应急措施,比如备份跑道,和标志性的橙色先进乘员逃生服,用于在发生意外时供乘员逃生,字面意思的“逃生”。

黑色代表GG 灰色代表跳机

这是新版的逃逸流程,注意到当中灰色的区域。这些区域意思就是让乘员跳飞机!大致就是先小心地和外挂燃料箱分离,让轨道器进入稳定滑翔状态,解开安全带,炸开舱门,伸出一根杆,保证你跳出去的时候不会撞上机翼,然后就跳吧!

航天飞机“跳机”流程

说到撞上机翼,就要说到航天飞机另一大缺陷了。轨道器是挂在运载火箭侧面的,导致乘员舱和脆弱的隔热层直接暴露在碎冰、泡沫的冲击范围内。

橙罐里装有低温的液氢液氧,外有大量绝热层用于给燃料保温。你几乎能在所有液体火箭发射的时候看到碎冰噼里啪啦往下掉,NASA对此早有了解,甚至也看到过大块泡沫从航天飞机外挂燃料箱上掉落,但NASA后来慢慢接受了这个事实。

碎冰噼里啪啦往下掉

当你将大块绝热泡沫和航天飞机脆弱的热防护系统两个因素结合到一起,你就会得到一个潜在的事故征候——这也正是哥伦比亚号空难的罪魁祸首。

在起飞过程中,一大块绝热泡沫击中了哥伦比亚号的机翼前缘,在左翼的增强碳纤维热防护区上打出一个大洞。七名乘员坐着航天飞机,带着那个会在返回时置他们于死地的大洞,继续完成了为期15天的任务。

2003年2月1日,在哥伦比亚号再入地球大气时,机翼上的大洞让高温气流摧毁了机翼,并导致轨道器解体,七名乘员全部遇难。

除了轨道器被挂在火箭侧面会遭受掉落碎片的袭击外,航天飞机的热防护层本来就很脆弱,又进一步加剧了危险性。航天飞机的两万四千多块硅隔热片是一块块粘在轨道器铝制机身外壳上的,覆盖整个机身底部。

脆弱的机身不但让人头疼,还会上演各种惊魂一幕。最著名的就是STS-27任务中飞行到第85秒遭受的碎片撞击。撞击导致一块绝热瓦彻底脱落,连带伤及其他七百多块绝热瓦!幸运的是,脱落的瓦片下方刚好是L波段天线的钢制安装板。钢的熔点又稍微比铝制机身高,最后轨道器极其幸运地活过了再入阶段,没有酿成十五年后哥伦比亚号的灾难。

STARSHIP与航天飞机的不同之处

现在我们知道了航天飞机的一些主要设计缺陷,我们来看看Starship在设计上的不同之处。一眼就能看出 Starship是放在超重型助推顶端,而不是挂在侧面的。这对于乘员舱来说显然是更加安全的位置,避免了很多潜在的碎片撞击风险。

但我们还要知道的是,Starship两侧也有机翼,在再入大气时起着关键作用,这意味着Starship上面级液氧和甲烷燃料罐外的冰块仍然有风险会砸中Starship机翼前缘。

这时,不锈钢机身和热防护板栓接的特性相比于脆弱的绝热瓦和增强碳纤维覆盖的铝制机身就有着极大的优势。

太空叉放在Starship机身上测试用的隔热材料

同时,Starship的机翼前缘和下表面会作为热防护罩。与航天飞机的绝热瓦不同,Starship的绝热瓦应该更加耐久,是与机身栓接在一起,而不是粘上的。

我们已经见过太空叉在Starhopper上测试了隔热罩的栓接与材料的选择,把它们放在了极端环境、震动、温度下。太空叉还在货运龙飞船的外面放了几块小型Starship隔热罩材料,观察其在再入时的表现。

太空叉放在货运龙飞船上测试用的隔热材料

不锈钢机身外壳栓接TUFROC(Toughened uni-piece fibrous reinforced oxidization-resistant composite, 强化单层纤维增强抗氧化复合材料)的某种改型应该会比航天飞机更加灵活。不锈钢允许形变、不会像增强碳纤维那样破碎、更不会像绝热瓦那样噼啪往下掉。同时,就像让死里逃生的STS-27任务一样,不锈钢的熔点比铝高也是很好的性质。

再入大气的Starship(CG图)

不锈钢的Starship有着比铝制机身的航天飞机更高的耐热性。事实上,Starship甚至可以在没有任何附加热防护的情况下完整撑过再入,因为其他不锈钢部件在再入后几乎都是完好无损的,不过没有额外隔热装置的话,事后外观看上去会比较惨,而且可能达不到复用条件。

这也是为什么太空叉从最开始的碳纤维改成了现在的不锈钢,因为当你考虑到需要用多少隔热罩时,不锈钢的优势就体现出来了,因为它能在失效前耐受更高的温度。

碳纤维虽好 但还是太难驾驭了

所以希望不锈钢机身加上更灵活的栓接热防护系统外加Starship是放在火箭顶端的特点,能够让其避免重蹈哥伦比亚号空难的覆辙。

那它下面的火箭又如何呢?火箭下面可是装了至少37台世界最先进最复杂的发动机——全流量分级燃烧循环的猛禽发动机!相比于没有任何运动部件的两枚固推,这怎么能让火箭更安全、故障更少呢?

发动机的可靠性

这就是太空叉更加擅长、更加有经验的地方了。他们的猎鹰九号火箭在火箭家族里可不太一样,它的一级使用了九台小发动机而不是一两个大发动机,这让它允许发生多个发动机失效的故障。

相比于其他火箭,猎鹰九号的九台发动机可以基于哪台发动机、在发射何时发生故障作出调整,从而为自身提供大量额外的安全裕度。在环形网状结构(Octaweb)中,每个发动机都相互隔离放在防爆仓内。

猎鹰九号底部发动机所在的环形网状结构

这样即使某一台发动机失效,也不会影响到其他发动机。再加上现代传感器和计算机的快速反应,火箭应该会在发动机发生严重故障之前就把它关闭。

太空叉的梅林发动机已经相当可靠了,实际上迄今为止,上天的800多台梅林发动机只有一台在飞行中出问题,更不用说那次还是在很早以前的猎鹰九号遥四火箭执行CRS-1任务中。从那之后,梅林发动机的可靠性是100%。

CRS-1任务79秒 猎鹰九号一级一台发动机推力丢失 火箭像什么也没发生一样继续飞 最终任务圆满成功

所以总的算下来,梅林发动机可靠性为99.88%,再加上一级的冗余度,你会得到一枚无比可靠的一级火箭。更不用说猎鹰九号一级上的某些梅林发动机,每次发射还要额外点火两三次来进行着陆。

也从来没有发动机在再入点火和着陆的时候发生故障,虽然着陆结果不是每次都完美,但如果你认为缺少点火剂不算发动机故障的话,那黑锅就不应该由梅林发动机来背。

接下来说点好玩的,给你们看看历史上其他火箭发动机可靠性如何。不过提前说好,可靠性这东西可不好说,因为相关因素太多了。比如发动机重新点火、比如缺点火剂之类的。不过这些数字还是能给我们一个 液体火箭发动机可靠性的大致概念。

几种发动机的可靠性对比

回过头来,太空叉的梅林发动机目前在发射中可靠性为99.88%,比航天飞机主发动机RS-25的可靠性略高——后者也在飞行中关机过一次。航天飞机135次任务,每次三台发动机,最终算下来可靠性是99.75%。

接下来是RD-180,在86次飞行中有一次提前四秒关机,可靠性98.83%。但你说它可靠性100%也没毛病,因为那次任务中OA-6飞船仍然入轨并且任务成功了,有惊无险。所以看大家怎么定义可靠性了,我在图中就把98.83%和100%都写上了。发动机提前关闭是一种故障,如果那次再提前一秒关机,任务就彻底失败了。但对于Atlas V火箭来说,任务还是成功的,因为半人马上面级救回来了。

那毛子的另一个发动机呢?——安装在联盟号上的RD-107和兄弟型号RD-108。联盟号这个火箭种类繁多,发射次数太多了。跟早期的联盟号火箭相比的话有点不太公平,何况那时候的数据也不好找。

所以我们只统计21世纪使用RD-107和RD-108的267次飞行,一共1335台发动机,只有一台发生故障,可靠性99.92%。

而上过天的最可靠的发动机,实际上是助力土星五号的F-1发动机,土星五号13次飞行,所有65台F-1发动机全部100%成功。

是不是有人想问“阿波罗13号中央的F-1发动机不是失效了吗”?错,失效的是二级的J-2发动机。在F-1的可靠性上貌似有一股曼德拉效应,包括我自己也总记成F-1在发射的时候出过故障。

别再记错了 人家可靠性是纯粹的100%

那么我们假设,既然Starship上有很多猛禽发动机,将来就会有大量的数据,并且随着Starship几次飞行之后,太空叉最终会让它的可靠性和梅林发动机多发失效的冗余度看齐,Starship的一级将会非常可靠;

我们还假设,太空叉会像猎鹰九号那样保证发动机失效时不会影响其他发动机,还会保证不犯N-1的错误;

那么多发并联的确可以让火箭有极高的鲁棒性和可靠性。

好,既然发射时采用多发并联可以让一级火箭安全可靠,可还有一个更大的问题摆在面前:为了让Starship能安全载人返回,Starship自己不但要进行一个非常酷炫的着陆机动,还要依靠底部三台猛禽发动机中的两台进行反推着陆。

Starship着陆流程

这安全吗?人类能相信反推着陆的可靠性吗?我们再次回到猎鹰九号,毕竟它是历史上去过太空又是反推着陆的唯二的火箭之一。不过猎鹰九号和Starship不同的是它不会达到轨道速度,所以我们只谈它着陆点火使用发动机进行反推着陆的部分。

至今,太空叉回收尝试54次,成功46次。这个数字听上去不咋地,可你别忘了,在他们第一次着陆前,大家都说这是天方夜谭!他们第一次成功的时候感觉简直牛逼疯了!如果我们只看2017年之后的回收尝试——因为从那之后他们的回收更加游刃有余了——我们能够得到非常惊人的数据。

2017年之后,他们进行了45次回收尝试,只有三次着陆失败,三次中没有任何一次是因为梅林发动机自身的故障——当然具体来讲还是很复杂的。

猎鹰九号/重型猎鹰回收成功、失败统计

按顺序来,2018年2月6日太空叉的重型猎鹰首飞,除了芯级以外两枚助推回收成功,芯级用光了给发动机点火的TEA-TEB。听起来解决办法很简单,都不用多加TEA-TEB,而是调整一下获取TEA-TEB的罐子以及执行时间即可。

重猎遥一 芯级回收失败

然后是当年年底,2018年12月5日,CRS-16任务全新的Block 5构型猎鹰九号一级着陆失败。原因是控制格栅舵的液压系统发生卡阻,加个放气阀就能轻松解决。那次梅林发动机没出故障,所以它还是能进行控制,让火箭缓缓落水,箭体都是完整的,还能直接拖回港口。

(译注:原作者出过一期视频专门讲过这次回收失败 我也翻译了)

最后是上一次重型猎鹰的发射,2019年6月25日,STP-2任务芯级着陆尝试又失败了。但太空叉压根没指望它能活过再入,因为速度太快,已经达到箭体能承受的极限了。据我们所了解到的,发动机仍然点火,运转良好,但推力矢量控制系统在再入高温的摧残下被玩坏了,导致着陆时火箭没有足够精确的控制。

重猎遥三 芯级回收失败

所以发动机没问题,但推力矢量控制出问题了,所以……很难评价。既然这次是因为芯级火箭已经超出可承受的限制了,那真想着陆的时候别这么莽就可以解决了。如果这是Starship的载人任务,他们肯定会留足了安全余量,保证Starship在安全可操控范围内飞行。更不能接受或者设计一个让Starship逼近设计极限的任务。

所以人类会相信反推着陆吗?以后肯定会的。就常规使用来讲,只要留足冗余就行了。三发点火、允许一发失效就是个不错的开始。

那Starship上的其他系统呢?两边巨大的 来回扑棱的机翼怎么说?要是液压系统发生故障导致翼面卡阻,重蹈CRS-16覆辙了怎么办?这个问题只要想想民航客机和航天飞机就行了。

这就是冗余发挥作用的地方。民航客机在液压系统故障时会失控,会无法放下起落架,航天飞机也同样。正因如此,才会有备份发电机、备份的泵、备份的管线,几乎所有系统都有冗余备份。

拿CRS-16的液压故障来说事其实很不公平,“哎呀呀这要是放在Starship上那不完犊子了!”因为猎鹰九号的一级着陆对任务本身没有影响,对人的安全更没影响,所以他们为了系统的简化就故意没加冗余。

但有一样大家伙没法冗余,而且一出事就是大事,后果很严重的那种大事!那就是燃料罐。讲道理,这才是我最关心的问题,而且这也正是太空叉一次又一次翻车的地方。

猎鹰九号的第一次失败是由于一个用来给燃料和液氧罐加压的装氦的碳纤维缠绕压力容器(COPV)在2015年6月28日CRS-7任务中发生破损,摧毁了上面级的液氧罐,导致火箭迅速解体,船箭俱毁。

CRS-7发射失败

第二次就是2016年9月1日臭名昭著的AMOS-6,上面级的氦气罐再一次出问题导致压力过高,让加满燃料准备在发射台上进行静态点火测试的火箭原地爆炸。

AMOS-6任务徽章(雾

然后是2019年4月20日的载人龙飞船爆炸。当时太空叉打算在地面测试逃逸系统,一块结冰的四氧化二氮射穿了钛合金阀门,导致系统发生破裂、飞船原地爆炸。

测试中原地爆炸的龙飞船

离现在最近并且最吓人的就是2019年11月20日Starship MK-1原型机的事故,在压力测试中直接把顶盖崩飞。但是这枚火箭和进行的测试和未来实际工况相差甚远,太空叉想对该原型机进行远超设计极限的压力测试,原型机也是非常早期非常粗制滥造的版本,它不能代表未来、改良后的成品火箭。但一想起未来装满燃料没有逃逸系统的载人Starship难免感觉有点慌。

Starship逃逸系统可选方案

估计接下来有人会问 Starship可以有哪些逃逸方案?我们已经讲过它在设计上为避免遇到航天飞机相同设计缺陷的考虑因素,可它还是没有实打实的逃逸系统,那它能进行逃逸吗?

我们先讲清逃逸的种类:发射台逃逸、发射中逃逸、逃逸入轨、终止任务之间是有很多区别的。

发射台逃逸是火箭还在发射台上的时候把飞船带离火箭,这个时间段还是很危险的,因为火箭加满了高压易爆的燃料。那么Starship能进行发射台逃逸吗?

能,也不能。如果故障出在Starship上面级自身,比如燃料罐损毁之类的,那显然答案就是不能。但如果故障出在一级火箭?

如果一级火箭突然爆炸,Starship的上面级可以紧急执行猛禽发动机的快速点火,可以避免Starship飞船跌落进一级火箭爆炸后的火海当中。

KSP模拟Starship发射台逃逸

如果将包括真空版本发动机在内的所有发动机一起点火,Starship可以有刚好足够的推重比慢慢离开发射台,转移到安全的着陆区域。这个前提是损毁的一级并没有严重伤及Starship的飞行能力。

大家可能还会问:真空发动机能在海平面点火吗?大气性质相差太多,应该很难点火才对啊。根据老马所说,他们会有双钟形喷管的设计,并且让喷管固定在飞船底部从而保持稳定。总之,点得着。你可以在紧急情况下在海平面给真空发动机喷管点火,但很有可能会失败。可如果其他方法都不能用,这个方法总该试试。

马一龙答网友问

所以,发射台逃逸……可能……或许大概……反正至少比航天飞机在发射台上完全没法逃逸的强多了!发射中逃逸亦同理,顾名思义 就是火箭在飞的时候进行逃逸。

同样假设上面级没炸,Starship理论上有能力将自身带离火箭并执行所需机动,然后再入、找个地方着陆。最坏的情况,也可以进行海上紧急软着陆。同样比航天飞机有更多的选择、更多的机会。

当Starship和一级分离后,如果燃料不足以入轨,那除了执行再入流程以外也没别的选择了。不过幸运的是Starship的操控面可以让它有更充分的气动性能,从而进行安全可控的再入。

相比于不能改变形状的返回舱,这样的优势就很大。实际上,返回舱的形状面积还会让工程师们在发射流程上加入额外考虑。目前来讲,如果用标准的单发RL-10半人马上面级发射波音的星际线飞船,发射流程中会有很大一部分时间段在逃逸再入的时候可能会有致命的巨大过载。

因此波音和ULA决定使用双发动机版本的半人马上面级,发射流程更加安全,整个发射过程中的逃逸窗口也更加安全。

当然,再入的时候也没有其他逃逸的选择了,再入必须成功。即使有那么种再入中使用的逃逸选项估计也没啥大用。当然,虽说被动稳定的返回舱加上简单的防热大底出错的概率极低,但控制翼面的冗余液压系统和能承受高温的结构也应该能为Starship的再入提供不错的缓冲。

逃逸系统是否真的会让火箭更安全?

终于到了本文的干货了!火箭上安装逃逸系统会更安全吗?想要回答这个问题我们快速回顾一下所有逃逸事件和人类航天的事故,看看逃逸系统到底有没有用。

纵观整个人类入轨级的航天飞行史,只有18人在航天飞行活动中死亡。第一起是1967年非常早期的联盟号任务,降落伞故障,宇航员弗拉迪米尔·科马洛夫遇难。逃逸系统在这起事故中无用。

下一起悲剧是1971年发射的联盟11号,飞船失压 三名宇航员遇难,这是迄今为止唯一一起人类在卡门线外的死亡事故,逃逸系统在这起事故中无用。

下一起是刚提到过的1986年挑战者号空难,如果有逃逸机构的话,或许会挽救那七名乘员的生命。

最后是2003年哥伦比亚号空难,又一次是七名宇航员全部遇难,逃逸系统在这起事故中应该不会有用。如果有自带防热罩的逃生舱或许还有机会,但在再入的时候逃逸本身就不是啥好主意。

接下来我们看看逃逸系统启动的案例,数量非常少。迄今为止,逃逸系统只启动过三次。第一次逃逸系统的启动实际上是在联盟号的一次无人试飞任务中。1966年,联盟号7K-OK飞船一枚助推器点火失败,发射重置。地面小组前去查看火箭情况,结果在发射取消后27分钟,逃逸塔突然启动,因为由于地球自转 箭载陀螺仪检测到8度的偏差。逃逸系统的尾焰使火箭第三级起火,之后导致火箭整体在发射台爆炸,一名地面小组成员遇难。在这起案例中,逃逸系统引发了事故,并导致一人死亡。

联盟T-10-1号飞船的发射台逃逸

逃逸系统的第二次启动是唯一一次载人的发射台逃逸。1983年9月26日,联盟T-10-1号飞船从在发射台起火的火箭上逃逸。在安全逃逸并在四公里外着陆后,救援队见到他们时发现他们受了轻伤且吓得不轻,赶紧让他们抽两口烟喝口伏特加压压惊。这个案例中,显然逃逸系统救命了。

MS-10任务助推器分离故障

最后一次逃逸系统启动是2018年联盟号MS-10任务,助推器分离出现故障,导致助推器破坏了芯级,触发了逃逸系统——不是用的逃逸塔,因为它几秒前就抛掉了——而是用的整合在飞船整流罩上的小型逃逸系统。

这个例子中,逃逸系统也救命了。但如果逃逸系统没有启动,单纯关闭发动机、分离飞船应该也是足够逃生的。

任务终止的例子只有两个,第一次是1975年联盟号7K-T-39任务,在逃逸塔分离后任务终止,逃逸系统肯定显然无用,毕竟逃逸塔都扔了。

然后是唯一一次航天飞机的任务终止,1985年STS-51-F任务,在一台RS-25发动机关机后,它执行了逃逸入轨机动。这次逃逸系统还是没帮上忙,因为没必要。

所以总的来看,迄今为止逃逸系统只救过两次命。它或许能阻止一次悲剧,但它又导致了一次悲剧。所以在人类迄今为止320次航天飞行当中,只有三次任务是实打实地需要使用逃逸系统,占载人航天发射的1%;还有三次发射逃逸系统根本无用;还有两次任务终止,没有用上任何逃逸系统。

如果我们只看最近30年的 从90年代开始,180次飞行中只有一次用上了逃逸系统,所以只有大约0.5%的飞行会让逃逸系统带来一点点好处。

如何提升无逃逸系统火箭的安全性

在回答"逃逸系统是必需的吗"之前,我们先谈谈另一件事情:我们如何提升火箭整体的安全性到不需要逃逸系统的地步?

我认为这个问题的答案是:我们要多射几发,多射很多很多发!我们要反复使用我们的系统很多次才能找到缺陷在哪,才能让安全性有所突破。我们来看一下飞机的安全性,这张图展示的是商业航空旅行中,平均每飞行多少公里才会出一次事故。不幸的是数据只有1929年之后的,再早期航空旅行更为所欲为的年代数据都没有显示。但在不到一个世纪的时间里,航空业的安全性提升了三个数量级。

民航飞机安全性(1929-2017)

我真的希望能看看人类航空界最开始三十年的安全数据,但很可惜那些数据找不到了。不过应该趋势上不会离这个表格差太多。接下来是每年入轨级发射的成功率,注意到人类很快就把成功率提升到了90%以上,但之后就停滞不前了……

民航飞机和火箭的成功率对比

我们把航空业同样时间的数据也画在这张表格上。没错,当时人类航空技术已经很厉害了,所以只有你把表格放大上万倍才能看到飞行成功率的进步,毕竟之后就是在追求概率里有几个9了。

上一张图放大以后是这样的

我认为这当中有几条原因。首先,人类入轨级的发射还不到6000次,相比于2018年一年近四千万次的商业航空飞行,你会发现航天发射仍然是太少了。

我敢说前六千次飞机的飞行尝试成功率肯定和航天的一样惨。6000次飞行可能很快就能完成,毕竟造飞机的门槛比造火箭低多了。

我觉得如果我们达不到一周发射几十次的频率,看不到哪个零件会最先出故障,无法知道要改进哪里,那我们就永远看不到火箭可靠性逼近99.99%甚至航空工业那样的突破。

所以我们如何让火箭更加可靠?答案很简单:多射几发、多回收、多复用、射完别扔。只有这样,我们才能不断靠近航空业的可靠性。

逃逸系统对载人航天的必要性

终于到了总结的时候了。发射逃逸系统,它们是必需的吗?它们会让宇航员更安全吗?它还会继续存在吗?如果会,我们未来会经常用到它吗?还记得发射逃逸系统一共拯救过多少次乘员的生命吗?记得那个数字有多小吗?诚然,对于现在的火箭,我仍然认为有逃逸系统是好的。尽管NASA、太空叉和波音都知道猎鹰九号和AtlasV火箭很可靠,但他们还是缺少有说服力的数据来证明它们足够安全、可以完全不用逃逸系统。

但别忘了,逃逸系统也会增加系统复杂度,自身也会出问题。记得太空叉的载人龙飞船逃逸系统测试时的自爆吗?而且波音的逃逸系统也在发射台上发生过起火事件。你把更多的零件和一个小型火箭作为了一个额外系统装在了飞船上,它同样会出故障。

的确,为了让它们更安全我们下了很多功夫,但你解决火箭问题的办法是在上面再加一个小火箭。这就好比在747肚子里放一架塞斯纳螺旋桨飞机,当747出故障的时候,你可以开塞斯纳逃跑。你与其另买一架塞斯纳还不如好好保养你的747让它更可靠!

这就好像总有人会问“龙飞船上的Super Draco逃逸发动机可以作为降落伞故障时的备份吗?”你非这么问,那理论上讲它当然可以啦!但你有那功夫测试逃逸系统、流程,让逃逸发动机越来越安全可靠,你为啥不先保证你降落伞不会出故障,让降落伞越来越可靠呢?

同样,你愿意呕心沥血开发这套逃逸系统、流程、飞行包线及其子系统,还是专注于让整个火箭更加可靠呢?

航空业用不到一个世纪的时间,用每年上千万次的飞行实践、用无数从业者的专业知识与敬业奉献、用多次奇迹生还后总结的经验、用那些悲剧性的空难后认真吸取的教训换来了如今全世界最安全的交通工具。我们完全有理由相信,总有那么一天,未来的人会像当年天真地问“飞机上为什么没有降落伞”一样杞人忧天地问“为什么这款载人火箭没有逃逸塔”。

正如马一龙在2019年Starship更新发布会上表达的想法:

没有部件就是最好的部件。

大成若缺,其用不弊。

The best part is no part.

没有流程就是最好的流程。

大盈若冲,其用不穷。

The best process is no process,

没有那个部件,就没有它的重量,就少了它的成本,更不会出新的故障。

it weighs nothing, costs nothing, can't go wrong.

这就是所说的,没有部件就是最好的部件。

此所谓,大成若缺,其用不弊。

So as obvious as that sounds, the best part is no part.

我印象最深的是在太空叉设计会议中说的,“你们没有设计什么?”

The thing I'm most impressed with when I have design meetings at SpaceX is what did you un-design?

没有设计就是最好的设计。

Undesigning is the best thing.

直接放弃掉,就是最好的选择。

Just delete it, that's the best thing.

(译注:前两句话着实把我难了好久。对英语有所了解并且看懂之前作者想表达的思想的话,理解这句话的含义应该不难,但想把这句话传达的思想用汉语表达出来就又有种无从下手的感觉,直译又显得呆板。几句话表达的思想让我想起了老子的无为而治的主张,于是我翻了整本《道德经》,在第四十五章中找到了一句比较恰当的话作为意译标红,直译内容标蓝,供大家参考)

所以我觉得问题应该是我会敢坐没有逃逸系统的Starship吗?目前来讲,不会。我觉得起码得看到它无人飞行个几十次吧,这样应该能看到它的极限在哪。或许会失败那么一两次,等我们看到它能连续飞十多次不出任何故障,我或许会考虑去坐坐。但我自己又有点胆小,我应该不会让它缺斤少两就上天哈哈哈。

但我的确相信将来会有人愿意冒险在计划早期乘坐Starship,而如果NASA的宇航员要坐,那他们肯定会强制要求安装逃逸系统,尤其太空叉很可能像猎鹰九号那样让Starship一边加燃料一边上人,这意味着乘员会在燃料流动的时候登船。

总的来讲,燃料流动、加压的时候,比它加满以后停在那更危险。所以除非太空叉会为Starship更改加注流程,我觉得NASA肯定不会很快同意让他们的宇航员登上一个没有逃逸系统的火箭。

你不可能解决你无法预知的问题,就像太空叉发现超低温下COPV会出问题时有多震惊一样,就像太空叉发现钛合金阀门竟然也能爆炸一样。有时在那个故障出现之前你就是完全发现不到它。

这也是为什么我认为,让火箭多射几次,多射很多很多次是非常重要的。只有这样我们才能有足够多的可靠性记录让我们相信它已经安全到不需要逃逸系统了。

那么大家怎样看逃逸系统?你对逃逸系统的未来怎样看呢?你会去坐没有逃逸系统的火箭吗?

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