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研究种类： SpaceX, Rocket Engines
原文作者: Austin DeSisto
贡献者：xinyang309@DAOrayaki
原文: Starship Belly Flop
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By Austin DeSisto on April 23, 2021
星舰正在执行从未尝试过的机动动作。这是一个宽9米、高50米的火箭，它从空中水平落下，然后翻转并垂直着陆。
到目前为止的着陆测试引起了很多提问。
- 他们为什么要做腹部翻转的动作？
- 他们为什么要在离地面这么近的地方做翻转动作？
- 这对人类来说是否足够安全？
- 他们为什么不早点开始翻转动作，确保出错时有足够的时间弥补？
- 体感重力能否承受？
- SpaceX是否应该改用猎鹰9号一级火箭的着陆方式？
本文将讨论影响星舰着陆机动的不同方面。
- 着陆时发动机组合的不同选择
- 终端速度
- 重力阻力
- 推力/重量比
- 发动机节流
在之前的视频和文章中，《每日宇航员》报道并回答了所有关于星舰的问题。"星舰权威指南：星舰相比猎鹰9号的升级和改进"
星舰从腹部翻转到垂直下降的过程
星舰的着陆动作是一种新颖的、独特的火箭着陆方式。星舰先是以腹部朝下的姿态降落，在自由落体的过程中尽可能地减速。在大约500米（1640英尺）的高度，它将启动两个猛禽发动机，将其完全倾斜，并折叠后襟翼，从水平方向摆动到垂直方向，这样它就可以尾部向下降落在其着陆腿上。
当后襟翼逐步收起，与尾部相比，头部受到的阻力大大增加。配合猛禽发动机的启动，尾部下摆，火箭变成垂直姿态。在未来的某个时候，SpaceX可能会增加热气推进器来帮助更好地转体。
由于星舰水平启动猛禽发动机，发动机必须从被称为“头部贮箱”的特殊油箱接受推进剂。这背后的原因是发动机不能吸入任何空气。如果它们继续从主油箱中吸收液态甲烷（CH4）和液态氧（LOX），发动机最终会摄入空气，这可能会导致发动机快速意外解体(RUD, Rapid Unscheduled Disassembly）。
星舰油箱内部。(Credit: C-Bass Productions)
推进剂沉降在星舰的腹部
由于火箭的水平方向，推进剂沉淀在星舰的腹部或迎风一侧。这是因为火箭被不断变厚的大气层所减缓，这就把推进剂堆到了肚子上。
由于从油箱到猛禽发动机的供料管位于火箭底部，在腹部翻转期间，如果发动机试图从主油箱中输送推进剂，就会收到大量空气。这些头部驻箱位于机鼻部分，在星舰的两个主箱之间。直到机动着陆前，它们几乎保持满载。头部驻箱上的排料口被安装在低角度位置，以适应机动操作。
在水平方向启动发动机会产生很大的水平速度，使火箭受控旋转，以抵消施加的水平速度。
火箭着陆时的终端速度
腹部翻转机动的目的之一是，通过被动摩擦，尽可能多地降低速度。另一个目的是控制星舰重返地球轨道的峰值温度和方向。一般来说，火箭的终端速度越低，着陆推进越晚，因为发动机不再需要做那么多功来抵消速度。
星舰的终端速度
终端速度的定义是：一个物体在空气等流体中下落时达到的最大速度，或者当向下的力/重力等于阻力时的速度。终端速度随着物体周围条件的变化而变化。当气压增加，大气层变厚时，终端速度会变慢，因为物体会遇到更多的阻力。
星舰的动作可以与跳伞运动员在自由落体时的动作相比较。当跳伞运动员腹部向下时，他们的身体受到的阻力最大，这意味着他们的终端速度是最低的。如果他们翻到脚或头着地方向，那么空气作用于跳伞者的表面积就会小得多。
降落中的星舰，此时作用于飞船的重力和向上的阻力相等，达到终端速度。
(Credit: Everyday Astronaut)
同样，星舰有能力改变其朝向，并利用襟翼向外伸展的程度来改变终端速度。在这种情况下，襟翼类似于跳伞运动员的胳膊和腿。如果襟翼更多的伸展，飞船的阻力将增加，如果它们被折叠，阻力将减少，从而使终端速度更快。这一点，在猎鹰9号一级火箭和星舰的下降过程中，能看出明显的差异。猎鹰9号在穿过大气层下降时的速度要比星舰快得多，因为能增加阻力的表面积较小（发动机朝下）。
猎鹰9号与星舰的对比
FlightClub网站的Declan Murphy可以对火箭发射和降落进行高精度模拟计算，也包括SpaceX的下降剖面。Flight Club能将SN8的飞行剖面与猎鹰9号的NROL-108任务进行比较。模拟显示，SN8是以150米/秒（约490英尺/秒）的最大速度下降的，然后，由于大气层不断变厚，减慢到只有90米/秒（约250英尺/秒）。终端速度会更高点。但其在翻转机动前的速度仍然很慢，足以进行安全降落。
猎鹰9号和星舰在着陆推进前的速度对比。(Credit: Declan Murphy and Everyday Astronaut)
另一方面，猎鹰9号更早开始着陆机动，但它的终端速度更高。因为猎鹰9号在更高的高度就开始了降落进程，所以需要在终端速度为310米/秒（约1020英尺/秒）时，重新启动它的发动机。与星舰相比，猎鹰9号有更高的速度，因为它引起阻力的表面积更小。同样的，一支铅笔的下落速度会比一张纸快，因为铅笔的表面积远远小于一张纸。
星舰在水平和垂直姿态下的表面积对比。(Credit: Everyday Astronaut)
尽管220米/秒（约720英尺/秒）的差距，跟轨道速度7800米/秒（约17500英里/小时）相比不足为道，腹部翻转机动似乎影响不大。然而，当考虑推重比的要素，以及各种推重比下需要多少推进剂时，每一米/秒都很重要。
推力与重量的比率
假设没有大气层，为了使火箭能够悬停，它必须产生与它的重量相同的推力。一个质量为1公斤（2.2磅）的物体在地球上的重量为9.8牛顿。在这个例子中，假设火箭的重量为1,000牛顿（1,000N或1kN），在相反的方向有1,000牛顿的推力，这意味着推力与重量的比例将是1：1。于是，该飞行器的净加速度将为零，因为火箭的推力正好抵消了地球对它的拉力。
一架悬停中的火箭，推重比TWR为1：1。(Credit: Everyday Astronaut)
当火箭产生900N的推力而重量为1000N时，推重比降至0.9：1。在火箭处于这个推重比的每一秒钟，它都会加速下降。此时，如果火箭恢复到1:1的推重比，它并不会悬停，而是以目前的速度继续下降。推重比为1:1，只是意味着火箭的当前速度没有变化，无论是悬停还是运动。
同样是1：1的推重比，但之前处于加速下降状态，此时速度不为零。
(Credit: Everyday Astronaut)
回到悬停状态
为了回到悬停状态，火箭必须将其推重比增加到1:1以上，以抵消下降的速度。在这个例子中，火箭将把推力增加到1,100N，一旦达到零速度，它将恢复到1,000N的推力。
相反的方向同样适用。假设没有大气层，如果悬停的火箭将其推力与重量比增加到1.5:1，它将向上加速。为了回到悬停状态，火箭必须产生低于1:1的推重比，直到其速度再次为零，这时它可以回到1:1的推重比，以维持零速度。
着陆时的节流
推重比是着陆时对发动机进行节流的原因。以猎鹰9号为例，在其最小节流设置下，仅一个发动机的推力已经过大，无法悬停。为了使猎鹰9号实现着陆，它将在70%的节流下开始着陆推进，因此它可以调整过快或过慢。利用机载计算机和其他各种仪器，猎鹰9号的目标是在到达零米高度时速度为零，达到伪悬停效果。
用汽车制动来演示
在下图显示的这个例子中，停车标志是地面，汽车是下落的火箭。一辆汽车以50公里/小时（31英里/小时）的速度接近停车标志。我们的目标是不踩油门且不松刹车的情况下将车停在停车标志前。
全力踩下刹车相当于火箭在100%的节流设置下重新启动发动机，而不踩刹车则是最小的节流设置。踩油门就相当于根本没有重新启动发动机。
不松开刹车（相当于100%节流），直到准确在停车标志（相当于陆地）停下。(Credit: Everyday Astronaut)
由于内燃机汽车的发动机制动，或混合动力汽车和电动汽车的再生制动，放开油门就像启动火箭的发动机。特斯拉汽车可以选择再生制动的强度，这类似于火箭发动机的不同节流设置。
用汽车节流来演示
低强度的再生制动相当于最低的节流设置，而高强度的再生制动相当于高节流设置。低节流设置将需要提前松开油门，而高节流设置将需要推迟松开油门，因为汽车会更快地减速。
由于再生制动的强度设置太高（相当于高节流设置），车子在离停车标志
（相当于陆地）还有一段距离停下了。(Credit: Everyday Astronaut)
对刹车施加不同的力，类似于对火箭发动机进行节流。如果一辆汽车提前开始刹车，那么它可以对刹车施加较小的压力，使汽车更接近停车标志。然而，如果汽车在完全松开刹车后离停车标志还有一段路程，那就相当于火箭在到达地面之前达到零速度，然后继续下落。
通过调节刹车力度，准确地停在停车标志（相当于陆地）处。
(Credit: Everyday Astronaut)
在了解了推重比，以及如何在着陆时调整发动机节流后，就更容易了解重力损失如何决定最佳推重比，以最大限度地利用剩余的推进剂。
降落过程中的重力损失
重力损失是指火箭用发动机来对抗重力的情况。在这个例子中，火箭开始时的推重比为1:1。每一秒钟发动机产生的推力与火箭的重量相同，它只是在浪费推进剂而没有加速。
为了使火箭减速，推力与重量之比需要高于1：1。在推重比为1.1:1的情况下，火箭目前使用的推进剂有91%是用来对抗重力的，而另外9%是用来把火箭送到它需要去的地方。
如果推重比为1.5:1，2/3的推进剂用于对抗重力，而1/3的推进剂用于加速。通过这样做，与推重比为1.1:1的火箭相比，火箭的推力增加了36%，净加速度增加5倍。推重比为1.1:1时，净加速度为0.1G，而推重比为1.5:1时，净加速度为0.5G。
着陆推进时效率和净加速度的图表。(Credit: Everyday Astronaut)
再高一点
将推重比提高到2:1时，50%的推进剂用于对抗重力，另50%用于加速飞行器。与推重比为1.5:1的火箭相比，推力只增加了33%，但加速度是2倍大小。
在推重比为3:1的情况下，只有1/3的推进剂用于对抗重力，而其他2/3的推进剂则用于加速飞行器。推力增加了50%，而火箭的加速度增加了一倍。除非没有重力，否则总会有推进剂因对抗重力而损失。
以猎鹰9号及其着陆推进为例，在推重比仅为1.1:1的情况下，它将不得不在更高的高度开始着陆推进，因为它只在0.1G的净加速度下减速，这将导致浪费大量的推进剂，因为发动机将不得不运行更长的时间。
如果在这个例子中，猎鹰9号的推重比为2:1，它的净加速度为1G，便可以在离地面更近的地方开始着陆推进，并且会浪费更少的推进剂，因为发动机不需要运行那么久。
星舰在不同高度上的翻转
星舰如此接近地面翻转的第一个原因是，为了尽可能地降低终端速度。因此，这将减少发动机为使星舰软着陆而必须做的减速工作。
安装在星舰底部裙边内的三个猛禽发动机，每一个都可以在最大油门的40%到100%之间进行节流。可以通过每个发动机不同的节流设置，来实现不同的推力组合。单个发动机可以产生880千牛到2200千牛的推力，两个发动机的推力上升到1760千牛到4400千牛，三个发动机都运行时，推力上升到2640千牛到6600千牛之间。
星舰上不同数量猛禽发动机的推力组合。(Credit: Everyday Astronaut)
对于翻转机动，不同的发动机和故障保险组合有可能产生相同的结果。如果三台发动机以40%的最小节流运行，推重比约为2：1。这比一个猛禽的全推力要大，为了不让火箭在垂直速度被抵消后继续上升，着陆推进会更晚进行。
如果星舰失去了三个发动机中的一个，剩下的两个发动机可以运行在更高的节流下，以赶上三个发动机的推力输出。在只运行一个发动机的情况下，可以更早地开始着陆推进，然而，这时候最大推重比将只有1.6:1。与运行所有三个发动机，甚至两个发动机相比，这会需要更多的推进剂。从应急的角度来看，如果单发动机组合在运行中发生故障，将没有足够的时间重新运行另一个发动机。
不同的翻转高度选项
星舰在执行翻转机动的起始高度上有各种不同的选择。它最早可以在2.5公里（1.5英里）的高度上进行翻转机动，在翻转过程中先使用两台发动机，然后关闭一台，并将另一台保持在几乎最低的节流设置。
星舰可以开始翻转机动的最低高度是300米（980英尺），这需要所有三台猛禽发动机处于最高节流设置。在这个高度上，星舰和它的乘客在着陆机动中会经历4.5个G的压力。
星舰也可以在2.5公里和300米之间的任何地方翻转。在550米（1800英尺）的高度，星舰可以关闭不同数量的发动机，同时不会有漫长而低效的着陆推进。
在2.5公里（1.5英里）的高空翻转，比在550米（1800英尺）开始需要多370米/秒（1200英尺/秒）的delta-v（速度变化）。由于进入轨道需要大约7800米/秒（17500英里/小时），这370米/秒（1200英尺/秒）用于着陆将占用有效载荷容量。在高出2公里的地方做翻转动作，可能意味着进入轨道的有效载荷质量减少20吨。这是因为用于着陆的这370米/秒减速没有被用于将有效载荷送入轨道。
星舰执行翻转机动的不同高度选项以及相应的delta-v要求。(Credit: Declan Murphy and Everyday Astronaut)
翻转机动过程中的乘客
由于SpaceX的最终计划是将人送上火星，完成这一任务所需的着陆机动还没有成功。目前，猛禽发动机仍处于早期开发阶段，还需要进行很多测试。随着发动机可靠性的提高，着陆机动的可靠性也将提高。星舰在进行载人飞行之前，必须成功地完成众多测试。
体感重力
在翻转操作过程中的峰值G力（G force）只有2.5G，或者说是2.5倍地球重力。在从水平方向翻转到垂直方向的过程中，乘客可能会感到有点迷失方向，但他们身体上的压力不会高于他们在大多数过山车上所经历的。SpaceX未来可能会安装旋转座椅，以帮助将身体上承受的G力保持在一个方向。
从SN10的飞行剖面看星舰的加速度（G力）。
(Credit: Declan Murphy and Everyday Astronaut)
事实上，尽管尾部猛地从水平方向摆动到到垂直方向，星舰的机头并没有惊人的移动量。与星舰相比，猛禽9号在着陆过程中可以达到五个G。
星舰机头和尾部的相对运动轨迹。(Credit: Everyday Astronaut)
结论
星舰正在进行一种崭新而独特的着陆机动。从来没有其他人尝试过如此复杂的火箭回收方法。为了找到最佳的翻转高度，我们必须从终端速度、重力阻力和重力损失的影响和角度综合考量，达到效率和安全的平衡。
SpaceX的结论是，开始星舰翻转机动的最佳高度是550米左右。在这个高度，星舰利用的250米/秒的delta-v有着最佳效率，同时也有能力在一台发动机故障的情况下安全降落。在这个高度，星舰的陆推进可以使用1.6:1的最佳推重比来减速和降落。
星舰可以送入轨道的有效载荷的质量，也可以由它执行翻转机动的高度决定。着陆时使用的delta-v越小，意味着可以使用更多delta-v将物体和/或人类送入轨道。毕竟，SpaceX的总体目标是利用星舰最终将人类送上月球、火星和其他地方。
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DAOrayaki对DAOrayaki第一阶段的回顾--去中心化媒体的先驱
DAOrayaki ｜DAOrayaki 开启去中心化治理2.0时代
