星際飛船如何從軌道返回地球？馬斯克給出了解釋

騰訊科技訊 9月26日消息，據外媒報導，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）共同完成軌道發射嘗試。

SpaceX首席執行官埃隆·馬斯克(Elon Musk)在過去48小時左右的時間裡在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歷的最艱難時期，無疑也是SpaceX必須解決的最具挑戰性的工程問題。

目前，SpaceX的技術人員已經開始將大量特斯拉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號會有更多關於這方面的信息更新。”

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。根據馬斯克的說法，星際飛船的穩定性“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定飛行。

到目前為止，SpaceX面臨的最大挑戰是確保星際飛船能夠經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於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，以至於航天器需要極端奇異的隔熱罩和熱保護系統。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。對於可重複使用的隔熱罩，請盡量減少峰值熱度。對於燒蝕/消耗性，將總熱量降至最低，以便可重複使用，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，所以著陸後不會太熱。”

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已退役的太空梭非常相似，後者從進入大氣層燃燒到著陸大約需要30分鐘。根據上面的信息圖，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，就會採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於零。之後，這艘巨大的飛船將向地球俯衝，使用尾翼和鰭翼像跳傘者那樣機動。而太空梭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。太空梭以其巨大的、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於美國空軍對跨距離性能的要求，這意味著軍方希望太空梭在進入大氣層和飛行過程中能夠飛行1600多公里。這極大地限制了太空梭的設計，而且從來沒有用於其預期目的。

幸運的是，SpaceX沒有“美國空軍”的強製要求。取而代之的是，星際飛船將繼續SpaceX垂直著陸的傳統，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，實現推進式垂直著陸。這樣一來，星際飛船就不需要像太空梭那樣成為“被迫飛行的磚頭”，它只需要能夠穩定地墜落，並快速地從水準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，而太空梭依靠鋁合金，並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太空梭合金的兩倍，這意味著星際飛船能夠節省許多重量、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準。（騰訊科技審校/金鹿）