騰訊太空 喬輝
北京時間2021年3月4日7時許，SpaceX星艦原型（代號SN10）在得克薩斯州博卡奇卡（Boca Chica）成功進行了高空飛行測試，這是SpaceX星艦原型第三次挑戰10公里級高度，也是首次成功軟著陸，具有重要的里程碑意義。
首先星艦飛行到最高點，隨后進行姿態調整，使腹部沖下，借助腹部增大與空氣接觸面積，加大空氣對星艦的阻力，然后星艦徐徐向地面飄落，在距離地面一定高度時，發動機再次點燃，使星艦重新直立起來，靠發動機的反推成功進行了軟著陸。
在本次試驗之前，2020年12月10日和2021年2月3日，星艦原型SN8和SN9分別進行了10公里級高度的測試飛行，發射和返回的前期都非常成功，但都是在最后著陸階段發生了觸地爆炸。其中SN8未能成功著陸的原因是飛船的燃料箱壓力不足，發動機推力不夠，未能讓飛船成功軟著陸。SN9的三臺發動機在著陸的最后階段只有一臺點火工作，推力不夠，發生粉碎性爆炸墜毀事故。
圖注：這是之前SN8觸地爆炸畫面。
圖注：這是之前SN9觸地爆炸畫面。
從完成度上講，SN8甚至比SN9還要更好一些。SN8雖然發生了爆炸，但已經非常接近成功，SpaceX團隊放出消息稱，該拿到的數據都已經拿到，可看作是一次成功的失敗。然而，誰也沒想到的是，后續的SN9失敗的還要更慘烈一些。因此，在本次SN10測試之前，馬斯克也變得謹慎的樂觀，稱成功的概率只有60%。
2021年2月24日，SN10成功進行了第一次發動機靜態點火測試，并發現了一臺發動機存在故障。
2021年2月26日，在重新更換發動機之后，SN10成功進行了第二次發動機靜態點火測試，三部火箭發動機持續運轉了幾秒鐘時間。
實用版SpaceX星艦什么樣子？
從SpaceX給這艘航天器起的名字就可以看出其用途，這是一種能夠重復使用，兩級入軌的重型火箭發射系統。目標是能夠搭載大宗物資往返地球和太空、地球和月球、甚至地球和火星之間，終極愿景甚至支持火星殖民。
圖注：星艦飛船與超重獵鷹的組合體（藝術圖）。
目前，我們在提到星艦這個稱呼時，特指第二級的飛船部分，就是目前正在測試的部分。飛船部分高50米，直徑9米，重約1300噸，安裝有3臺真空版猛禽發動機和3臺海平面版發動機。托舉飛船的是一枚更加強大的超重火箭（Super Heavy），這種火箭高72米，直徑9米，重達3500噸，安裝有28臺猛禽發動機。飛船部分加上超重火箭后的總高度達120米，近地軌道運載能力超過100噸，一次性可將100名乘客送上太空。
星艦的核心部件：發動機
圖注：星艦飛船原型SN9內部結構（來源：SpaceX）。
星艦使用的是以液氧甲烷為燃料的大推力發動機，單臺最大推力可達2000多千牛，換算成直覺理解，就是能托舉起200多噸的重物，相當于4節載滿50噸貨物的火車車廂。本次測試使用了3臺這樣的發動機，上面我們也有提到，完整版的星艦將裝有6臺這樣的發動機，超重火箭則將安裝有28臺發動機。你可以自己估算一下總推力，非常驚人。
圖注：星艦飛船的核心部件：猛禽發動機。
為什么要采用液氧甲烷發動機？
為了深入了解這個問題，我們首先要簡單了解一下有關火箭的小知識作為鋪墊。
從大類上來分，火箭發動機分為固體發動機和液體發動機。固體火箭發動機是目前小型火箭、火箭炮彈藥、多數軍用導彈的主流動力源，其燃料易于工業制成，同時便于存儲和運輸，基本沒有揮發性和借助空氣傳播的毒性，所以安全性比較好，而且壽命很長，能夠存儲十多年，而液體燃料最多三個月就會變質。但固體火箭發動機的燃燒比沖較小、燃燒延續時間較短、同時整體的燃料質量很大、又受到固體燃料燃燒性質的影響，所以用途受到限制。
液體火箭發動機的優勢在于燃料易于制取、通常從石油或化工原料中可以直接制成，燃燒的比沖大、推力強勁、持續性好，所以，世界上多數的大推力運載火箭都使用液體燃料發動機作為動力，像我國的長征系列運載火箭，絕大多數都使用液體發動機作為推進系統，少量采用的固體推進器也只是輔助手段。
主流的液體火箭通常使用的燃料包括，四氧化二氮/偏二甲肼；液氧/煤油，以及液氫/液氧，甚至液氧甲烷。
圖注：SpaceX猛禽發動機試車畫面（來源：SpaceX）。
目前，SpaceX星艦的猛禽火箭發動機，貝索斯藍色起源公司的BE4火箭發動機以及中國民企藍箭航天的天鵲火箭發動機都是液氧甲烷發動機。
液氧甲烷發動機有什么優點呢？首先，液氧甲烷發動機相較于液氧煤油發動機比沖要大，比沖是火箭發動機常用的衡量指標，其物理意義是，消耗單位質量的燃料，火箭所能獲得動量的多少，顯然這個數越大越好。其次，甲烷容易燃燒，不容易產生積碳，有利于火箭的重復利用。液氧甲烷發動機相較于液氫液氧發動機則易于設計和維護，而且物美價廉，非常令商業航天公司青睞。值得一提的是，廚房家用煤氣罐里儲存的就是甲烷。
圖注：飛往火星的星艦飛船（藝術圖）。
甲烷發動機或許是未來真正能用于星際旅行的發動機。我們知道，近幾年不斷傳來在火星上發現甲烷的消息，這對人類未來登陸火星是個積極的信號。另外，未來登陸火星的宇航員或許能夠在當地利用二氧化碳和水制造甲烷作為火箭的燃料。除了火星外，土星的衛星“土衛六”上甚至布滿了甲烷湖泊，燃料簡直是現成的。當然，要想利用那里的甲烷是非常遙遠的事情了，只能暢想一下。
星艦測試的重要節點事件
2019 年 7 月 26 日，SpaceX對最早的星艦原型機 “星蟲”（starhopper）進行了高度20米的自由懸浮測試。
圖注：SpaceX星艦原型“星蟲”完成150米高度飛行。
2019年8月27日，SpaceX再次對“星蟲”進行測試，成功飛行到150米的高度并安全著陸。
2020年8月5日，星艦原型SN5完成了高度150米的自由懸浮測試。由于沒安裝頭椎，SN5外觀看起來就像是一個30多米高的圓柱形不銹鋼大水塔。
圖注：SN5測試畫面。
2020年8月25日，星艦原型SN6同樣完成了高度150米的自由懸浮測試。
圖注：SN6測試畫面。
2020年12月10日，星艦原型SN8進行了12.5公里高度的測試飛行，在最后落地的時候發生墜毀爆炸。
2021年2月3日，星艦原型SN9再次進行了10公里高度的測試飛行，仍然是在最后落地的時候發生墜毀爆炸。
其他的星艦原型要么在地面測試中炸毀，要么完成歷史使命，退出了歷史舞臺。目前，準備建造的星艦原型，已經排到了SN19。
