據外媒報導，美國太空公司SpaceX很快就會對其首批兩艘全尺寸星際飛船（Starship）原型進行一系列越來越具有挑戰性的試飛，最終將搭載超重運載火箭（Super Heavy）實現首次軌道發射嘗試。

圖1：SpaceX的星際飛船最終需要以軌道速度返回大氣層，這對大型航天器來說是極其困難的挑戰

在過去幾天中，SpaceX首席執行官埃隆·馬斯克（Elon Musk）通過Twitter，回答了粉絲許多關於星際飛船如何從軌道返回大氣層並著陸的問題。迄今為止，航天器重返大氣層是其需要經歷的最危險時期，毫無疑問也是SpaceX必須解決的、最具有挑戰性的工程問題。

圖2：在這張官方渲染圖中，星際飛船在重新進入地球大氣層時因溫度急劇升高而發光

最近有照片顯示，SpaceX的技術人員正將特斯拉Model S和Model X的電池組連接到星際飛船原型Mk1的子組件上，該組件最終將安裝在Mk1的鼻端，提供最高400千瓦時的儲電能力。這些電力需求與Mk1的重返大氣層和著陸方法直接相關，最近馬斯克提及到了這一點。

馬斯克在Twitter中稱：“星際飛船Mk1上安裝了許多強大的電機和電池。當整個鰭翼在運動時，所需的電量是非常龐大的。更多關於這方面的信息，請關注9月28日的更新。”

如上所述，大約400千瓦時的電池需要為驅動星際飛船巨大控製表面的電機提供動力，包括支持兩個巨大的尾翼和兩個鰭翼（或稱前置副翼）。馬斯克解釋稱，星際飛船進入大氣層和著陸時的“穩定性是由尾翼和鰭翼的快速運動控制的”，這意味著飛船將需要不斷調整控製表面，以保持穩定的飛行。

圖3：這張官方發布的圖片涵蓋了星際飛船奇特的飛行和著陸方法

到目前為止，SpaceX面臨的最大挑戰是確保星際飛船能夠在以軌道速度重返大氣層時倖存下來，而且幾乎沒有磨損，這是保持其成本效益的必要條件。在低地軌道，星際飛船將在進入大氣層時以不低於7.8公里/秒的速度飛行。簡而言之，從軌道速度到著陸地球的減速過程，包括將絕大部分動能轉化為熱能。正如馬斯克所指出的那樣，這種情況是難以避免的，但在人們希望以多快的速度將動能轉化為熱能方面，有些靈活方案可選。

飛船到達地球的最快路徑就是直接潛入大氣層，但這會大幅增加航天器表面的峰值熱負荷，以至於飛船表面需要極端奇異的熱防護和熱保護系統。SpaceX希望找到適合星際飛船的再入大氣層方案，即利用其氣動控製表面和機身產生升力，在15分鐘以上的時間裡，飛船緩慢而小心地將自己降落到地球大氣層中。

馬斯克指出，這極大地降低了峰值熱負荷，同時也增加了星際飛船需要消耗的總能量，這有點兒像在烤箱中以300度高溫烹飪食物30分鐘，而不是在600度高溫下烹飪10分鐘。

從某種程度上說，星際飛船進入大氣層的場景與美​​國宇航局現已退役的航天飛機非常相似，後者從進入大氣層到著陸大約需要30分鐘。而SpaceX預計，星際飛船從軌道到著陸大約需要20分鐘。這是因為，一旦降至較慢的速度，星際飛船的著陸方式就會發生巨大變化。

馬斯克在2018年9月和最近幾週都描述了這種情況：星際飛船基本上會進入自動失速狀態（機翼產生的升力突然減少，導致航天器飛行高度快速降低），之後它將以腹部朝上的方式墜落，並用它的尾翼和鰭翼像跳傘者那樣機動。而航天飛機會像滑翔機那樣降落在跑道上。

星際飛船這種不尋常的著陸方式讓SpaceX無需為其安裝巨大機翼，大大減輕了重量負載，而航天飛機則以其巨大的、瓦片覆蓋的三角翼和前緣熱防護裝置聞名。

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，這意味著軍方希望航天飛機能夠在重返大氣層後繼續飛行1600多公里。這極大地限制了航天飛機的設計，而且這種設計從未被用於預期目的。

圖4：“奮進號”航天飛機在2007年8月的一次在軌檢查中展示了主隔熱層

星際飛船沒有這樣的強制要求，相反，它將延續SpaceX垂直著陸的傳統，垂直降落看起來有點兒像高空跳傘，用鰭翼和推進器翻轉身體，實現推進式垂直著陸。這樣一來，星際飛船就不需要像航天飛機那樣成為“被迫飛行的磚頭”，它只需要能夠穩定地墜落，并快速地從水平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，而航天飛機則依賴於鋁合金，每寸船體表面都需要熱保護。鋼材的熔點幾乎是鋁合金熔點的兩倍，這意味著星際飛船能夠在迎風的那一半只使用瓷磚，從而節省重量、金錢和時間。在完成首次20公里高空飛行測試時，SpaceX很可能將重點轉向驗證星際飛船在高超音速下的性能。（小小）