“星舰”增加喷水系统，改进技术剑指入轨飞行

今年4月20日，“星舰”首飞点火产生巨大噪声，并对发射台和周围设施造成相当大的损坏。为防止这种情况再次发生，近日，SpaceX公司在美国得克萨斯州的发射基地进行了一次重要的喷水降噪试验，试验对象是“星舰”的超重型火箭助推器，编号为Booster 9。这次试验SpaceX公司在发射台下增加了喷水系统——一个喷水的钢板，用于减弱超重型火箭助推器33个猛禽发动机产生的巨大能量。

发射噪声大 防护措施多

在“星舰”发射过程中，发动机燃烧的尾焰会产生高速、高温气流，猛烈冲击发射台，从而产生轰隆隆的喷流噪声。也许有人会问，声音大点就大点，能有什么影响？可实际上，火箭发射产生的噪声已经远远不是“大一点的声音”那么简单的事情了。根据科学家的计算，美国的土星五号运载火箭在发射的时候，噪声高达220分贝。

这是什么概念呢？我们日常生活中能够听到的最大声音大概是飞机起飞时的噪声，当你贴着飞机站立时，噪声大概有140分贝。有人会说，火箭的噪声是飞机的1.57倍。如果这么计算就错了。声音分贝的提高代表了声音能量按照指数增长，火箭噪声比飞机噪声高80分贝，代表火箭噪声的能量是飞机的108倍——也就是1亿倍。显然，220分贝的声音已经不是声音了，而是剧烈的能量波，远远不是击碎耳膜那么简单。这么强烈的能量不仅对身处运载火箭顶端飞船中的航天员来说是致命的，而且在设计时已充分考虑各种恶劣环境的火箭结构和仪器设备也容易被击碎。

比如说美国航天飞机的“处女飞行”任务——STS-1，就因为这种剧烈的噪声导致机身表面的隔热瓦脱落。虽然最后航天飞机在降落过程中有惊无险，但还是出现了飞行器局部过热的情况，足见噪声的可怕。因此，对于“星舰”这种起飞规模比“土星五号”和航天飞机更大的运载器，非常有必要采取有效的防护措施降低噪声量级。

飞天先“洗澡” 降噪效果好

可以看出，升级之后的全水冷却钢板比原来的混凝土更加坚固，这个新的喷水系统似乎表现得很好，大量的水向上喷向点火的猛禽发动机，有效降低了发动机点火产生的噪声，同时带走了一部分热量，试验取得圆满成功。

其实，采用喷水降噪方法并非“星舰”首创，国内外很多款运载火箭都采用喷水的措施抑制起飞噪声。于是有科学家就提出了以喷水的方式来吸收这些噪声。其中的原理也很简单，就是利用空气中的水分子吸收声波的能量，把空气的振动转化成水分子的热运动，自然就化噪声于无形了。

喷水降噪系统也叫“点火过压保护/噪声抑制系统”，也就是说，在火箭发射台上喷水除了可以降温、防止火箭的尾焰烧坏发射台之外，最重要的一个功能就是抑制火箭燃烧产生的巨大噪声。那么超过飞机启动噪声1亿倍能量的超级噪声需要多强悍的噪声抑制系统呢？

比如说针对航天飞机的发射，美国就改进了肯尼迪航天中心的航天飞机发射台的噪声抑制系统。改造后的系统可以在短短41秒内喷射出高达1300吨水，从而将作用在航天飞机上的声压减小了50%。

而美国为下一代太空发射系统火箭专门设计了新的点火过压/噪声抑制系统，这个系统比老系统更加“刺激”，它可以将1700吨水喷射到30米高的空中。这次不只是洪水了，简直就是海啸。

有了喷水降噪措施保驾护航，“冲着凉，哼着歌”，“星舰”可以“舒舒服服”升空了。

全面升级助力入轨飞行

“星舰”加装地面喷水系统只是其改进的冰山一角，马斯克说，为确保“星舰”成功入轨，SpaceX公司对“星舰”进行了数量巨大的技术改进，改进次数远远超过1000次。那么有哪些比较重要的改进技术呢？

首先是大推力大节流比高性能发动机总成技术。“星舰”的单发猛禽发动机推力在200吨以上，超大推力对发动机使用维护性、安全性、可靠性和重复使用的经济性提出了严酷考验。为了兼顾回收性能，SpaceX公司还需要突破大范围发动机节流技术。目前“星舰”系统使用第一代猛禽发动机，第二代“猛禽”已在制造，推力可达230吨。二代猛禽发动机喉部更大，面积比下降，这会使得比冲减少约3秒，但会大大增加推力，在减少重力损失的同时提高了发动机效率。

其次是多机并联复杂环境控制技术。“星舰”起飞时多机并联工作,各发动机燃气喷流、振动、冲击、压力脉动等作用相互耦合，力、热等环境十分复杂。尤其是单位面积内发动机数量更多、布局更紧凑、耦合更严重，力热环境控制难度较现役运载火箭更大。因此需要进一步开展多机并联火箭精确环境预示及控制技术，结合各级发动机布局特点开展力、热等环境分析，实现复杂环境的高精度预示，提高环境设计准确性，并针对环境适应性薄弱环节采取改进措施。

然后是多约束返回着陆的制导与控制技术。“星舰”为入轨级，相比超重再入具有更高的飞行速度，因此更加具有挑战性，需要更准确地选择再入点火时机，才有可能降落到期望位置，且再入轨迹需要综合考虑气动热约束、能量约束、动压约束、控制约束及环境因素等。除按照预先设定好的轨迹飞行之外，在偏差过大时，还需要进一步通过多约束在线轨迹规划完成制导与控制，以解决大范围初始参数散布以及不确定性系统偏差等问题。

最后是故障诊断与容错重构技术。健康管理系统负责完成待发段及飞行阶段的全箭数据综合、故障诊断、健康管理，辅助控制系统完成重构操作，同时在火箭发生不可挽回的故障时发出逃逸指令。自主飞行控制重构技术已经在龙飞船和猎鹰9火箭中大量使用，相信在“星舰”中将进一步改进，通过自主飞行重构技术具备故障模式下的任务适应能力，保证重型“星舰”能够进行在线自主决策与快速规划，充分利用火箭的剩余能力，在必要时转入任务降级等备用任务，以保证有效载荷及人员的安全，提高飞行的可靠性和安全性。

“星舰”是SpaceX公司技术能力的集中体现，虽然“星舰”入轨过程并非一帆风顺，但该公司从失败中吸取经验教训，正在让产品逐渐从“纸上”走向现实。“星舰”一旦投入使用，必将加速推动运载火箭向重复使用方向大踏步迈进，对航天运输系统、商业发射市场、地表远距离快速投送、行星与深空探索领域产生深远影响。（作者：徐振亮 图片来源：SpaceX公司 把关专家：中国航天科技集团科技委副主任 江帆）