重型猎鹰火箭发射精彩瞬间,挑战技术的偏见和极限

作者:上海市宇航学会 原创作者:空天松鼠 来源:卫星与网络 2018-02-08 10:48


You've really made the grade!《Space Oddity》中的一句歌词,献给马斯克和SpaceX
发射视频图片资料来源 | 航天爱好者(ID:hangtianfans)

       美国东部时间2月6日下午约15:48(北京时间2月7日约04:45),美国佛罗里达,卡纳维拉尔角LC-39A工位,重型猎鹰首飞发射成功!成为全球现役运力最大火箭!
       请记住这些让人热血沸腾的视频和照片,它们必将载入人类航天史册。并且在十年后、几十年后甚至百年后,它们仍会作为太空探索、星际情怀的极致案例,不断被人们回忆和提及。(小编只想吼一句:我们也是见证过历史的人了!)


火箭起飞瞬间,2000吨的起飞推力确实不是震撼两个字所能形容的
(感谢这些摄影作者,具体来源详见水印,一并致谢了)


火箭起飞后,此时火箭芯级(中间)已经出现节流迹象,火焰相较助推器更弱


这张图中的芯级节流非常明显
       最关键且最危险的的助推器分离阶段,火箭冷分离机构工作正常
       依旧是排山倒海的欢呼声!致敬这些勇敢创新的工程师们!

      
 助推器正在返回着陆场的路上


两枚助推器同时回收不再只是宣传片上的动画,而是真实发生的一幕
SpaceX火箭回收饱受争议和质疑,一路走来日渐成熟,如今已经鲜有人再怀疑了


当然,网友么,还记得这辆要送往火星的特斯拉跑车么?

       没错,它已经顺利飞出大气层了,现在正在绕地球旋转,5小时后,在演示完长时间滑行性能后,火箭二级将进行最后一次点火,这辆特斯拉将正式进入地球-火星转移轨道
       马斯克在车上设置的彩蛋,Don't panic!不要惊慌!
物美价廉的重型猎鹰

       重型火箭并不罕见,不要说时间久远的美国土星五号和苏联N-1,目前美国SLS火箭已研制多年并将于2019年首飞,中国也计划研制重型火箭。不过重型猎鹰的确是与众不同的,一般来说,研制重型火箭都不惜血本,比如土星五号单价有媲美航母造价的奢侈,但重型猎鹰火箭却不按牌理出牌得让人嗔目结舌:它的发射报价只有9000万美元!不是9亿美元,只有9000万美元!这是什么概念?它比主流的欧洲阿里安5、日本H-IIA、美国宇宙神5和德尔塔4都要便宜,50吨以上运力的重型火箭,价钱比20吨级的大型火箭还便宜,真是让人大跌眼镜。


表1:几款大推力火箭运力对比
猎鹰九号及猎鹰重型火箭发射报价(来源:SpaceX官网)
挑战技术的偏见

       重型猎鹰火箭性价比如此之高,难道有什么逆天黑科技?其实,重型猎鹰火箭的技术并没有超越时代的黑科技,它的成功是挑战人类航天技术偏见与极限的产物。
       偏见1:火箭发动机越多越不可靠!在一些讨论中,中国长征火箭的发动机数量受到非议,被认为“太多了”!长征五号火箭芯级和助推器共有10台发动机,长征七号也有6台,而美国德尔塔4火箭和宇宙神5火箭都是单台液体发动机,重型德尔塔4火箭也不过是三发并联,甚至有人认为,这是中美火箭差距的体现!拥有30台发动机的苏联N1火箭、


N1火箭四射四炸

       说到多发并联可靠性低,一般都会举出苏联N-1重型火箭的例子。N-1火箭第一级30台发动机,结果是四射四炸——每次发射都有发动机出问题引发爆炸。一些观点由此认为,火箭的多发并联是条邪路,单台大推力发动机才是正道,重型猎鹰一级多达27台发动机的设计,自然不被看好。然而,事实真的如此么?飞机上的情况为什么恰恰相反呢!早年民航为了保证远程航线飞行的安全性和可靠性,四发客机大行其道,但随着航空发动机可靠性的提高,如今已是双发客机挑大梁,凭什么火箭发动机多可靠性反而差?
       马斯克和SpaceX团队不信这个邪,他们认为多发并联火箭可靠性更高。根据概率论分析,如果火箭发动机的故障率相同,多发并联的火箭比单台发动机的火箭更容易出现一台发动机故障的情况,但多发并联能实现推力冗余设计,让单台发动机故障不影响火箭的正常飞行,而单发的火箭无论出现什么样的故障,发射都要以失败告终。
       总而言之,只要发动机不发生爆炸这类灾难性故障,多发并联冗余设计的可靠性自然更高,所谓火箭发动机越多可靠性越差,只是一种成见。马斯克挑战这种成见,也是有例可循的,美国历史上土星一号和土星五号都是多发并联的火箭,在单发甚至双发出问题时仍然成功入轨。

 
美国土星五号火箭一级巨大的发动机

 
       偏见2:降成本必须放弃追求高新技术。
       重型猎鹰火箭的另一个反常之处,是它使用了一系列高新技术,但价格却相当便宜。
       先看看传统发射商。冷战远去,各国航天工业界均进入精打细算过日子模式——欧洲阿里安6火箭为了降低成本,将共底氢氧储箱改成非共底的独立储箱,高大上的超临界氦增压技术也放弃了;美国SLS火箭尽量用原有成熟技术,主发动机SSME干脆改进设计换成一次性的版本。总之,各家的设计思路都是用较低的技术换取更低的成本。
       猎鹰火箭设计上却截然相反,它追求低成本不假,但手段却是反其道而行,使用高技术通过创新来降低成本。
       重型猎鹰火箭的Merlin 1D+发动机推重比高而且具备多次重复使用能力,要为多次使用增加制造成本;重型猎鹰火箭的三枚第一级箭体都要回收和重复使用,从软件都硬件都要为回收复用增加成本;共底储箱一向加工难度高、废品率高,带来更高的制造成本,但重型猎鹰火箭却使用了昂贵的铝锂合金共底储箱……
       重型猎鹰火箭可以说颠覆了传统的火箭设计思想,不过这也并不奇怪,机械和材料工业在不断发展,新工艺和3D打印等新技术的出现,让很多过去质高价更高的技术走向物美价廉,加上猎鹰火箭设计上极力追求廉价化,通过使用商用货架电子设备以及减少不必要冗余设备等多种手段降低成本,最终结果就是,使用了一系列高技术后的重型猎鹰火箭,即使一次性发射成本也比现有火箭低得多。
挑战技术的极限

       重型猎鹰火箭运载系数极高,但却没有使用高比冲发动机,而是挑战了火箭减重的技术和工艺极限。
       传统火箭设计中,世界各国为了提高火箭性能绞尽脑汁,提高运载系数(指载荷质量占火箭总质量的比例)的主要办法是使用高比冲发动机,毕竟齐奥尔科夫斯基公式中,提高发动机比冲将带来性能指数级的提高,而减轻火箭结构重量效果就差多了。有资料显示,发动机比冲提高7%,两级半火箭的运载系数提高30%,因此各家不惜重金研制高比冲的高压补燃闭式循环发动机,还不怕危险和麻烦使用液氧液氢推进剂。
       全液氧液氢的重型德尔塔4火箭的运载系数高达3.9%,对其他火箭形成碾压之势,不过面对重型猎鹰火箭却要自愧不如了,重型猎鹰火箭起飞重量1421吨,运载系数高达4.49%!重型猎鹰完全靠超高推重比的发动机和超轻的火箭储箱实现了这样的高性能,它的Merlin 1D+发动机的推重比已经达到了188,而推重比世界排名第二的NK-33发动机只有136而已,重型猎鹰火箭的铝锂合金超轻共底储箱贡献更大,第一级火箭干质比接近30,第二级也超过20。虽然降低结构重量的效果不如提高发动机比冲,但重型猎鹰火箭的箭体实在太轻了,有计算发现,猎鹰火箭第一级加上整流罩都能直接发射入轨,重型猎鹰火箭运载系数超越全氢氧的重型德尔塔4火箭,是挑战火箭制造技术极限的结果,让人震惊却在情理之中。
箭指火星的浪漫情怀

       重型猎鹰火箭是马斯克和太空探索技术公司遥望深空的产物,重型猎鹰火箭的首次发射,它的载荷从被公布之初就吸引了全世界媒体及航天迷的关注:马斯克本人的座驾!一辆午夜樱桃红特斯拉Roadster电动敞篷跑车。这辆特斯拉的驾驶座上还有一个穿着SpaceX设计的太空服的假人,而车上的播放系统将循环播放David Bowie的《Space Oddity》,这是一首发表于1969年的流行音乐,同年,阿波罗计划成功将人类第一次送上月球表面。
       虽然人类登陆火星遥遥无期,但重型猎鹰首射这充满怀旧主义及浪漫英雄主义的一幕,还是预示了马斯克的雄心壮志。
And the stars look very different today
连今天的星星看起来都非常不同
For here
在这儿
Am I sitting in a tin can
我待在船舱里
Far above the world,
远在地球之上
Planet Earth is blue
看着蔚蓝的地球

       这是《Space Oddity》的部分歌词。特斯拉跑车上装置的摄像头传回的照片,体现的不正是这个意境吗!而歌词中的一句,送给此时此时的“钢铁侠”马斯克和SpaceX,再合适不过:
You've really made the grade 

       马斯克将用重型猎鹰火箭干什么?它当然有很多商业用途,比如发射大型通信卫星和政府/军用卫星,这可能也是它今后数年的主要任务。
       目前重型猎鹰任务列表上已经有了发射沙特通信卫星Arabsat 6A和卫讯公司VisSat-3商业通信卫星的合同,今年它还将发射美国空军的STP-26颗小卫星,充分发挥重型猎鹰的强大运力,将它们送入6个不同的轨道面。重型猎鹰首次发射还将试验6小时滑行(目前仍在滑行中),为将来实现直送静止轨道的能力做试验,以重型猎鹰的强大性能,即使直送静止轨道也能有数吨运力,未来可以用于竞争发射美国军方高度机密的信号情报卫星(SIGINT)。
       重型猎鹰火箭发射报价9000万美元,起飞级三枚箭体全部回收复用,同步转移轨道运载能力仍有8吨之多,能够发射当今世界所有的大型商业通信卫星。猎鹰九号火箭的同步转移轨道运力只有约5.5吨,只有一次性使用才能达到8.3吨,复用的重型猎鹰火箭覆盖了一次性猎鹰九号火箭的运力,通过重复使用降低成本和报价,提高了商业竞争力。然而,如果仅仅是为了抢占商业航天发射市场,一次性的猎鹰九号火箭已经够便宜了,何必要耗费巨资研制重型猎鹰火箭呢?如果没有理想和情怀,马斯克还真不会节外生枝,他不惜代价研制重型猎鹰火箭,即使多数用于发射商业卫星,但初衷始终是飞向火星。
       马斯克拥有这样伟大的理想和情怀,并且真的一步步付诸行动。从猎鹰一号到猎鹰九号火箭再到重型猎鹰火箭,外形和性能天壤之别,不变的是对火箭重复使用降低成本的追求,马斯克认为要将火箭发射成本降低至少一个数量级,才能让人类真正进入太空,开展他的星际殖民大业。重型猎鹰火箭虽然不是努力的终点,但仍是这个伟大理想承上启下的重要一步。
       话说回来,重型猎鹰火箭的确和火星有缘,且不说它首飞就要把特斯拉打向火星轨道,马斯克还曾表示将使用重型猎鹰火箭发射“红龙”飞船。“红龙”飞船基于载人龙式飞船,将超音速反推直接垂直着陆火星表面进行实验,尤其是原位资源利用(ISRU)实验,为在火星表面大规模制取返程燃料打前站。另外世界各国对火星探测兴趣有增无减,重型猎鹰发射“红龙”飞船搭载NASA或其它国家的探测载荷,也是严肃讨论过的目标。
       现在“红龙”计划已经取消,因为SpaceX研制中的更大型的星际运输工具——真正的火星殖民船BFR进度很快,试验性的“红龙”价值越来越低。即便如此,重型猎鹰与火星的缘分未断,美国官方的“深空门户站”(DSG)正在加速推进,DSG的舱段和猎户座载人飞船打算用SLS火箭发射,不过NASA也有意引入商业航天公司,现在看来重型猎鹰火箭正是发射货运和载人龙式飞船,为DSG深空站提供物资和人员补给的首选。NASA计划未来将从DSG出发前往火星轨道,如果后续发射顺利,猎鹰重型同样有机会为美国官方的火星计划添砖加瓦。


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