SpaceX星舰第二次发射将采用热分离，或重蹈苏联火箭悲剧？
以下转载自 @JF科技 的知乎文章《2023-06-25：马斯克星舰二发将采用热分离，或重蹈苏联火箭悲剧》（https://zhuanlan.zhihu.com/p/639526701）。
哈哈，标题党一次。^_^
引言
昨天（2023-06-25），马斯克在一次在线采访中透露，星舰二次发射会和失败的首发有一个很大的工程设计上的变化，就是采用一、二级热分离（hot staging)，而不是首发中的冷分离[1]。
今天就来详细科普一下火箭箭体分离的故事。
所有入轨火箭都采用两级或多级设计。所以，箭体分离就成了必不可少的发射中的一部分。下面讨论中火箭假设是两级设计，所有论点对三级火箭一样适用。
冷分离
一般火箭一、二级分离的过程是：
一级发动机关机，确认完全关闭后，
一、二级之间固定连接的装置打开，确认后，
一、二级互相推开，确认有一定距离后，
二级点火开机。
为什么这么麻烦，要小心再小心，确认再确认？因为，两级分离时候，如果没有完全分离，藕断丝连（如 2015 年俄罗斯军用 Kanopus-ST 卫星发射失败[2]），或分离了但产生碰撞（2008 年 SpaceX 的猎鹰 1 号火箭第三次试射失败[3]），发射肯定会失败。下面对每一步详细展开。
第一步：一级发动机关机
上面第一点无需多说，就是得小心确认是真的完全关机了，要不然一级还有推力，而二级在点火之前没有推力，这样在分离后，一级会追上并撞上二级，就完蛋了，如上面提到的猎鹰 1 号发射失败[3]。
第二步：分离
分离装置，有好多种[4]：有用固定爆炸螺栓，把固定两级的螺栓杂碎，使得两级分离；有使用条状低能炸药的，把原本是一体的的火箭从当中炸开，当然在预定的地方是有划痕和爆炸导向槽的，不会炸得乱七八糟；跟多的是使用卡钳，各种型号式样的卡钳都试过、采用过，如下图中的 V 形卡钳。
这里的关键点是可靠性：在不分离的时候一定不能分离，在分离的时候，一定要成功、干净、快速的分离！像前面说的俄罗斯的发射事故[2]，就是因为一个卡钳没打开，一二级拴在了一起，发射失败。同时，爆炸螺栓或定向炸药一定要小心，因为它们都是用电信号触发引爆的，如果不注意屏蔽，有可能会在地面或飞行中因为外界电磁信号而触发引爆，那也就芭比 Q 了。还有一点，如果采用爆破式分离，一定要有爆炸碎片包裹保护措施，否则高能碎片会破坏到其他设备。
第三步：一、二级推开
推开装置，也试过、采用过好多种[4]。有采用二级辅助小发动机（ullage motor）的，有采用一级反推（thrust reversal）的，有采用弹簧的（^_^），还有采用空气或液压活塞推动装置的。下面介绍其中的几种。
二级辅助小发动机（ullage motor）。这种设计很流行的，原因如下。在一级关机后，整个火箭是处于无动力向上抛物线的自由落体状态，简称：失重 ^_^。在这种情况下，二级火箭里的燃料都是处于失重状态，这时候点火，势必造成发动机涡轮抽取燃料不稳定。如果在分离之后，二级点火之前，启动二级辅助小发动机，给二级一个很小但足够的推力，这样，不但一二级会拉开距离，而且推力加速度会使二级燃料摆脱失重状态，有利于点火。一举两得。看下图中的土星 5 号的辅助小发动机。
另一种是 SpaceX 猎鹰 9 所采用的空气冷推装置。在猎鹰 9 号一级火箭的顶端，有个用三脚架支撑着的空气活塞推离装置，下图：
它是如何工作的呢？说着也挺吓人的。在一、二级合体的时候，二级发动机的喷口是在一级箭体里面的。而这空气活塞就是插在二级发动机喷口最里面狭窄的喉咙（throat）处，见下图：
在分离推开的时候，这根活塞推杆用箭载高压氦气驱动，伸展出来，推着二级发动机的喷喉，把整个二级火箭推开。
还有一种是火箭实验室（Rocket Lab）的电子号火箭（Electron）的弹簧冷推装置，更简单，见下图：
可以看到，在一级箭体四周有 6 根棍子，下面装有压缩好的弹簧。在推开时，继电装置松开弹簧，弹出这 6 根棍子，把二级推开。好简单，好可爱的。
第四步：二级点火
到了这一步，危险已经过去了。没啥好多说的。
热分离
一二级热分离和上述的冷分离不同于第一，第三，和第四步。在热分离设计中，第一步的一级关机不是必要的，尽管还是要降低推力，避免分离后，一级因为重量突然减轻（二级飞走了嘛）而大大加速，追上二级发生碰撞。而第三、第四步则合二为一：二级直接点火，暴力把二级从一级上面推开。
因为二级点火的时候，其发动机喷口还在箭体里面，所以一定要有火焰发泄设计，同时还要有一级顶部保护措施，如果一级是要用来回收和复飞的话，见下图：
根据上图可以想象分离的过程：
一级发动机减推，
二级点火，等到其推力足够时，
一、二级卡钳打开，二级飞走，同时一级继续减推，准备回收飞行。
现实世界里，热分离技术是前苏联火箭的最爱，比较符合他们的暴力美学。但他们最著名的采用热分离的登月火箭 N1 四发四炸，所以才有了这个吸眼球的标题。^_^
冷、热分离比较
冷分离的优缺点：
坏处 1：过程长，至少在 5 - 6 秒种之内，火箭处于无动力状态，损失动能巨大；换种说法，冷分离会减低有效入轨载荷重量。
坏处 2：更多的推离机构（第三步）：如辅助发动机，或液压/气压活塞推杆，弹簧等等。只要一个装置不工作，两级就无法来开距离，此时点火，直接芭比Q。
坏处 3：还是第三步，因为要把一、二级推开，推离机构和箭体的重量息息相关。如果箭体巨大，将不得不采用更重更大力的推离机构。
好处：一步一步清晰，控制容易，经验丰富，因为绝大多数火箭都用这种设计。
热分离的优缺点：
好处 1：机构简单，去除了第三步的推离装置。
好处 2：一级不关机，二级点火无缝衔接上，动能损失少，不会有那个 5 - 6 秒钟自由落体的过程。换句话说，有效入轨载荷质量提升。
好处 3：对箭体重量不敏感，因为本来发动机就要足够强大来推动二级的，所以，再大的火箭箭体都没问题。
坏处 1：一不小心，把一级点着了，一起炸了。即使不把一级炸了，也有可能损坏一级，造成无法回收或无法重用。而且火焰有可能反弹到二级发动机或箭体上造成伤害或发射失败。
坏处 2：时序控制要很精确。第二步里卡钳一打开，一级发动机要推动的重量立刻大大减少（因为此时二级已经和一级没有物理连接了），所以一级加速度大增，有可能会撞上正在飞离的二级。
坏处 3：导焰栅格，一级顶部保护等等，会加大重量。
大家的选择
为啥现在几乎所有人都不用热分离（除了老型号火箭，导弹）？
因为大家其实对分离和推离装置的稳定性都没问题，而且没有哪个火箭像星舰这般如此巨大，所以对于这么暴力的直接在一、二级之间的箭体内部点火，都觉得没这个必要。即使是俄罗斯，现在新型火箭也都采用冷分离设计。
星舰的选择
但马斯克为啥现在要选择热分离？以下是我的猜测：
通过首发，大家知道了星舰是如何一、二级分离的，这是一种很诡异、很独特的冷分离方法，和前面说的传统冷分离不同，世界上没有人用过：
在准备分离之前，通过一级发动机变向，造成整个火箭开始旋转（yaw 方向上）。
等火箭有足够的角速度的时候，一级关机，同时一、二级卡钳打开。
这时候，二级会被离心力"甩"出去。
为啥要这么“华丽”？
大家知道满载燃料的二级有 1200 吨重！！！比长征 5 号整个火箭通通加起来还重（长 5 一共满载燃料才不到 850 吨）50%。而且别忘了，推离装置是要把一二级推开，一级这时候也还是挺重的，因为还有剩余燃料需要去做返回飞行。这么重，啥推离装置能够稳定、快速地使之分离？即使可行，也会加上好多（在马斯克看来）无用的重量。
所以来个华丽的旋转，让离心力帮一下忙。^_^
但首发大家也看见了，这个华丽的创新没成功，不管什么原因吧，老马决定，换方法！采用热分离！
用二级开机，直接暴力分离。这样以后再重的二级都没问题。同时，热分离还能保持箭速，不损失动能。据马老师说，会带来 10% 的有效载荷的提升（这个说法，我实在是不太相信的哈，有提升，但没有那么多）。还有，少了那个惊心动魄的旋转。
另一个大好处是：星舰最终是要用来载人的，它被人一直指责的一大问题是没有发射逃逸装置，而热分离解决了这个问题。原先的冷分离，如果一级出事，载人的二级是无法逃逸的。而现在的热分离，使得二级在任何时候都可以暴力挣脱，带着宇航员逃生。
坏处是增加了重量，和分离时爆炸或受损的危险。
但他们衡量过了后，觉得还是应该试试，毕竟从长远来说，这对于星舰这样的史无前例的巨型猛兽，热分离看着像是一条正道。创新不易，还是走着瞧吧！
参考
SpaceX 在未来第二次试射中，将试验一、二级热分离。 https://spacenews.com/spacex-changing-starship-stage-separation-ahead-of-next-launch/
2015 年俄罗斯军用 Kanopus-ST 卫星发射失败。事故原因是 4 个一、二级固定卡钳中有一个没能打开，一、二级无法分离，造成发射失败。 https://www.space.com/31307-russian-military-satellite-kanopus-launch-failure.html
2008 年 SpaceX 的猎鹰 1 号火箭第三次试射失败。原因是在一、二级分离的时候，一级发动机并没有完全关机，使得一级箭体在分离后，又追上二级，发生了碰撞。 https://www.space.com/5707-spacex-traces-rocket-failure-timing-error.html
NASA《火箭分级分离装置》论文。 https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19710019510/downloads/19710019510.pdf
