美国SpaceX公司的S30星舰飞船技术升级解析

航拍

前言：2024年10月13日，美国太空探索技术公司(SpaceX)成功进行了超重-星舰(Super Heavy-Starship)第五次飞行测试，这是这家公司在航天技术上的又一重大突破。其中，SpaceX首次尝试使用超重助推级的“筷子”捕获回收系统，并取得了成功，进一步验证了这一创新技术。此外，星舰的海上溅落也达到了预期的十米级精度，展示了SpaceX在精密控制和航天器回收方面的卓越能力。这次试验的顺利进行意味着SpaceX在航天器的可重复使用技术上取得了突破进展。

一、测试与技术升级概况
此次测试是SpaceX超重-星舰的第五次飞行测试。试飞的是第30号星舰飞船(S30)和12号超重助推器。此次发射引人注目，因为这是火箭首次在半空中被“夹住”。但关于星舰飞船本身，S30与S29相比有显著升级，特别是采用了新的热防护系统。SpaceX表示，第五次飞行测试的热防护系统强度会提高一倍，下方还有一层新的烧蚀保护层。
二、贮箱压力控制
首先是新型甲烷贮箱排气口，30号飞船的液态甲烷贮箱增加了一根新的排气管，从前穹顶顶部延伸出来。这与超重助推器顶部的四个排气口类似，它们从舱壁顶部附近排出气体。



新排气口

其次是新型液氧贮箱排气口，飞船的液氧贮箱上增加了一个新的排气口，与飞船之前使用的相比，该排气口还采用了新的阀门设计。飞船外部的排气口附近还有一些额外的硬件。这与超重型助推器上的新排气口非常相似。



液氧罐上的新排气口

三、通信与天线

星舰S30重新设计了无线电天线。原本星舰鼻锥上的天线已被拆除并更换。飞船上实际上有两个这样的阵列，另一个与背风侧的阵列呈180度放置。由于它位于隔热罩下方。这些天线右侧的焊缝现在也消失了。



从鼻锥拆除的无线电天线



安装隔热瓦前，背风面的无线电天线



安装隔热瓦前，迎风面的无线电天线

天线现在被集成在有效载荷舱部分，呈长条状，仍用隔热瓦覆盖。同样，在飞船的另一侧隔热罩下方也有一个天线，但飞船完成安装后就看不见了。



有效载荷舱部分上的新型无线电天线装置，29号飞船(左)和30号飞船(右)

这种新设计看起来与超重助推器的级间上看到的非常相似，后续也有报道称30号飞船使用了与超重助推器相同的无线电天线设计。



安装天线瓦之前，新天线用胶带覆盖



超重助推器上的通信天线

四、机载摄像头

星舰S30飞船有效载荷舱上的三角形摄像头块(安装有两个摄像头)已被移除。在之前的飞船上，一个摄像头可以查看前襟翼和后襟翼的铰链，但似乎这不再是必要的，或者已被转移安装至更隐蔽的位置。



三角形摄像头块已拆除，29号飞船(左)和30号飞船(右)

五、热防护

由于第四次飞行测试的重返大气层情况不太理想，SpaceX宣布在第五次飞行中对飞船的热防护进行更换——更换飞船上的整个隔热瓦、增加烧蚀保护层、隔热瓦下方加入一层毛毡、更换隔热瓦粘合剂、增加填充材料。

①新增烧蚀保护层、隔热瓦下方加入一层毛毡

当SpaceX拆除30号飞船的隔热板瓦片时，也拆除了部分原来的毛毡，但隔热板左右两侧大约13块瓦片宽的毛毡区域没有被拆除。



30号飞船的原始隔热瓦被拆除



30号飞船的穹顶部分，保留了一块原始的白色毛毡

未移除毛毡的区域会直接安装新隔热瓦。这些区域是隔热瓦延伸至飞船后侧的区域，这意味着这些区域可能经历的加热程度要低得多，因此，这些区域很可能不是隔热瓦缺失会导致破裂的区域。



30号飞船侧面原有毛毡部分安装隔热瓦

新烧蚀层是一块黑色材料，上面有孔，可以插入隔热瓦固定销。这种材料被涂在飞船的中央部分、飞船襟翼的表面以及襟翼和飞船机身之间间隙的区域。



一部分黑色烧蚀材料被应用于前翼



30号飞船的鼻锥，黑色烧蚀材料放置在中心区域



30号飞船前襟翼静态启动装置，表面采用烧蚀材料



30号飞船油箱部分，在飞船中央部分涂有烧蚀材料，位于两块未移除的毛毡区域之间



30号飞船尾部底部，黑色物质延伸至襟翼



后襟翼和静态启动元件上的烧蚀材料





有媒体给出了渲染图，显示了中央部分的黑色烧蚀材料和侧面部分的白色毛毡

黑色烧蚀材料比原始毛毡薄得多，于是SpaceX在每个安装了黑色烧蚀材料的表面上都安装了一层额外的薄毛毡层，这意味着不仅飞船的襟翼区域和中心部分涂有新的烧蚀材料，而且实际上还有一层额外的毛毡来提供一些保护。

这样一来，一层比原始毛毡薄的黑色烧蚀材料加上一层额外的薄毛毡层，厚度与之前的保持一致。



黑色烧蚀材料顶部有一层额外的毛毡



后襟翼烧蚀层增加了一层毛毡



升级后的鼻锥，在隔热瓦下方可见烧蚀层和薄毡层

从外观上看，在飞船船体上加上一层额外的毛毡后，它看起来与以前基本相同。白色毛毡层覆盖了使用连接销钉的隔热的位置。

②新的隔热瓦

除了更新隔热罩底层的配置外，SpaceX还更换了飞船的绝大部分隔使用三个固定销的隔热瓦。



新型隔热瓦背面

但SpaceX没有更换用粘合连接的隔热瓦，例如筒段接缝、襟翼气动盖、襟翼边缘等，可能SpaceX已经确定这些区域的热防护已经足够。



未拆除区域

③粘合剂升级

与29号飞船类似，两片外部纵梁和鼻锥尖端的粘合瓦片被更换，并换上了新的粘合剂。这次升级实际上不是第四次飞行测试的结果，而是从第三次飞行测试中吸取的经验。



30号飞船鼻锥部分移除防热瓦



将防热瓦从前穹顶外部纵梁上拆除

④额外的间隙填充物

与SpaceX对之前飞行器鼻锥尖端和襟翼气动罩的处理类似，解决瓦片间隙问题的有效方法就是在有问题的区域添加一堆填充材料。在这种情况下，有问题的区域似乎是粘合的隔热瓦和前襟翼区域。

如前所述，这些隔热瓦的填缝剂本质上是在缝隙之间添加毛毡，毛毡通常会粘在原处。下图显示了修整前的一些填缝剂。





隔热瓦上的填缝剂

技术人员在所有四个机身襟翼的边缘以及连接襟翼和飞船机身的静态空气弹簧上添加了额外的间隙填充物，然而，后者仅适用于前襟翼。



四个襟翼边缘都加了间隙填充物



前襟翼静态气动装置中添加了间隙填充物

总结

星舰S30的技术升级主要集中在热防护系统的改进，以满足更高的温度要求。此外，还增加了一些细节设计，旨在优化飞行器飞行器的性能和安全性，并为未来可重复回收任务提供了更多有力支持。

主要参考资料
[1] SpaceX launches its most ambitious Starship test flight yet. Here’s what to know.

[2] Moving into the Thirties: What's New on Starship 30?

[3] Just Don't Melt: Flight 5's Upgraded Heat Shield.

[4] SpaceX Catches a Super Heavy Booster During a Milestone Flight 5.

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