马斯克玩儿多机并联,业内人士不看好,猎鹰九号天赋异禀

2021-04-04 10:22:57 科学声音

作者:吴京平

2008年,马斯克的SpaceX公司研发的猎鹰1号终于取得了成功,在此之前马斯克经历了很多次失败,当时正好碰上金融危机,大家都不肯借钱给他,不得已,他把自己家的豪宅给卖了,支持了SpaceX和特斯拉两家公司的运营。当时马斯克的压力也很大,到处筹钱又不够用。但是最苦的日子终于熬过去了。

不过,尽管猎鹰1号火箭已经算是成功了,而且已经开始赚钱了。但是,SpaceX公司却宣布猎鹰1号不卖了,这看上去有点不合逻辑。

其实我们不妨算算账,猎鹰1号是个小火箭,一次打不上去多少东西。可是这个领域需求很强,大学里面鼓捣一个小卫星似乎也不是难事。猎鹰1号价钱不贵,按理说接单子会接到手软。马斯克为什么不做这个生意呢?道理很简单,他忙不过来了。因为猎鹰9号已经同期展开,这是一个比猎鹰1号复杂得多的火箭。如果猎鹰1号不停,接单子接到手软,分出一个团队来管这一摊的事情,还要搭配销售和测试团队。SpaceX哪有那么多人手呢?根本忙不过来。

再说了,当时马斯克的火箭还不能回收再利用。打一发就浪费一发,成本不低,利润不高,即便是把全世界的小卫星的单子都接下来,能有多少利润呢?没多少。如果换个思路,集中力量把猎鹰9号火箭拿出来,这个东西运载能力就强多了。用一颗大火箭,带着一大堆小卫星上去,那就划算多了。

不过呢,这都还不是最重要的因素,更重要的一件事是2008年12月份,NASA给了SpaceX一个价值16亿美元的合同,要他们给国际空间站提供商业补给。说白了就是发射货运飞船,猎鹰1号这样的小火箭是根本无法完成这样的任务的。16亿美元啊,这是多大的一笔单子啊。

那么好了,到底是一笔一笔做小单子,培养一个销售团队,一年赚它一个“小目标”合算呢?还是憋足劲搞一个真正实用的大火箭,去赚大钱呢?这是个“技工贸”还是“贸工技”的问题,马斯克选择了前者。

说来也是巧了,当时的NASA局长正是当年差点就加入了SpaceX的格里芬。格里芬不想搬家到西海岸的洛杉矶,喜欢东海岸这边的生活。所以也就没能进入SpaceX,不过他后来回到政府部门任职,成了NASA的局长,也算是功成名就。也不知道他是妒忌马斯克还是怎么的,他当时对马斯克的公司不是太支持,但是他的手下跟马斯克的关系很好。马斯克也想动用自己的人脉打打擦边球,从政府捞到一点生意做,毕竟当时手头缺钱。格里芬大概是对此不满。不过呢,架不住下边的人说好话,格里芬也就同意把这个合同给了马斯克,给了马斯克一个非常重要的机会。

过去呢,NASA就像是一个指挥部,他们负责协调各家公司的工作。他们出题目,各家公司提供解决方案,就此带着一大票军工企业成长起来。对于SpaceX来讲,这个公司不是NASA带出来的。NASA只是花钱卖服务而已。你爱用什么火箭,NASA不管,反正把补给飞船打上去就行。用什么飞船,你自己看着办,你打一次,拿一次钱。

马斯克当然乐意这么搞,公司上下干劲十足,全都扑到猎鹰9号这个项目里边来了。有人可能会有疑问,怎么直接就从猎鹰1号跳到猎鹰9号了呢?编号怎么不连续啊?其实这是用发动机的数量来命名的。猎鹰1号是一台发动机。猎鹰9号是9台发动机,没办法,推力不够,必须用9台来推。

其实马斯克同时开了好几个火箭型号,猎鹰1号、猎鹰5号和猎鹰9号三条线就是同时开的,猎鹰5号顾名思义就是5台发动机。马斯克曾经夸下海口,即便是坏掉一两个引擎,其他发动机多推一会儿,照样可以把载荷发送到太空,当年的土星5号就有这个能力。此后的美国是没有哪个火箭有这个本事的,航天飞机没这个本事,发动机都不够多。

猎鹰5号设计

猎鹰5号在夸贾林环礁和加州的范登堡空军基地发射过。其实马斯克更喜欢加州的范登堡空军基地,这个地方面对太平洋,和大西洋沿岸的卡纳维拉尔角是互补的,都是美国最重要的火箭发射基地。这个地方离得近,比较方便。

猎鹰5号后来被猎鹰9号代替了,但是技术都是相同的。使用的都是梅林发动机。最开始,猎鹰9号的发动机排列成了3x3的方格子,一共9台,其实就是猎鹰1号和5号的放大版,技术指标也很普通,不是怎么太出色,发动机的性能也不是很出色。

虽然都叫梅林发动机,但是这个发动机的迭代速度是惊人的。甚至有点让人瞠目结舌。最早的梅林1A发动机的推力是很小的,只有34.7吨。涡轮泵是从别的公司买来的。穆勒对别人的东西不满意,要在买来的东西上做很多再次加工和改装,这才能满足梅林发动机的要求。

梅林1B发动机做了改装,推力提高到了38.8吨,这个推力即便是和几十年前的产品相比也是惨不忍睹。当然,火箭发动机有几个指标很重要,首先是推力,这个大家好理解。然后是比冲,比冲就类似于百公里耗油这个概念。火箭发射卫星的过程,我们打个比方说吧,就好比是一辆车,看看把油烧光为止能爬上多高的山。你到底是装个什么样的发动机呢?是推力小烧的时间长好?还是推力大快点烧完好呢?这可就不一定了。要看具体的环境和要求。

NK-33发动机

梅林1B发动机海平面比冲是261秒,真空中的比冲是303秒。当年土星5号的F1发动机的比冲大概也就是这个数值。所以说燃气发生器是很费油的。苏联使用的高压补燃技术就是为了获得高比冲,NK33发动机的海平面冲是297,真空比冲是331,比美国人高了一大截。液氧煤油发动机上的功力,苏联人是更胜一筹的。我们长征5号用的YF-100发动机也用了高压补燃技术,也差不多就是这个数值。

还有一个重要的指标是推重比,一辆车能把5吨的总重量送上1000米的高山,可是这辆车自己重4吨,那还能拉多少货呢?拉不了多少了。当然是推力不变的情况下,自己越轻越好。这就要看火箭的推重比了,发动机也要看推重比,这几个数值都是体现出一台火箭发动机水平的。苏联NK33发动机的推重比是137,那是相当厉害的。F1发动机推力很大,但是推重比就不灵了,只有82。

RD170发动机

苏联的RD170有4个喷口,从结构上讲比F1单喷管要吃亏。而且高压补燃发动机结构更复杂,发动机更重也是合情合理的。一般来讲,燃气发生器发动机比高压补燃发动机推重比要占便宜,即便如此,RD170的推力指标和推重比指标也和美国F1持平,说明RD170系列是真厉害。

不过,日后梅林会在推重比这个数值上独占鳌头,弄得别人望尘莫及的。

梅林1A和1B这两种发动机其实都没能上太空,真正上了太空的发动机是梅林1C,猎鹰1号和早期的猎鹰9号装的就是这个发动机,推力提高到了48吨,梅林1Cblock2的推重比达到了96,也算是有不少的提高了。

梅林1C发动机

猎鹰9号是一枚2级火箭,一般来讲,一级火箭考虑的主要目标是快点起飞,要对抗地心引力,要对抗空气阻力,推力大点好,猎鹰9号捆绑9枚发动机解决了问题,可是火箭的第二级就不是这么考虑问题了。那时候火箭已经到了太空,不考虑空气阻力,这时候换用高比冲的发动机是最合算的。一般都是用氢氧发动机,氢氧发动机的比冲一般都在4百多。高出液氧煤油发动机一大截。比如说,长征8号的第2级用的2台YF75就是氢氧发动机,比冲高达438。

那么猎鹰9号该怎么办?马斯克没有氢氧发动机。马斯克只有在梅林1C的基础上改进出真空管版发动机,想尽办法提高液氧煤油发动机的比冲。最简单的办法就是加大喷管。我们的长征5号火箭,中央芯级用的是两台YF77发动机。你想加大喷管,没地方,空间不允许,两台发动机的喷管要磕碰的。可是猎鹰9号就不一样了,第二级只有一台发动机,喷管可以尽量加大,比发动机本身都粗好多。这一招果然是变态,真空板梅林1C发动机的比冲高达336,比很多号称高比冲的高压补燃发动机都要高。你别忘了这只是个燃气发生器的发动机哦。

梅林1C真空版发动机,喷口明显大一号

SpaceX公司在设计火箭构型的时候,充分考虑了各方面的收益。全部都用一种发动机,这样省事,而且上下10台发动机的零部件是通用的,这样也省钱。

当时很多航天业内的人都不看好猎鹰9号,因为大家对这么大一捆发动机是没有信心的。还记得当年的N1火箭吗?教训是血淋淋的,发动机太多的话根本就无法管理,管不过来嘛,各种振动交织在一起,太复杂了,增加了出事儿的可能性。N1火箭4次爆炸,问题都出在第一级,谁叫第一级捆绑了30个发动机呢?

其实做成带助推器的版本,也是一个合理的办法,当初长征2号运载能力不够,捆上4个助推器不就够了吗?起码发动机不装在一个壳子里,不至于一个出了毛病,影响到别的发动机。可是SpaceX的工程师权衡了好久,还是把9台发动机装在一根又细又长的火箭上。你别忘了,马斯克曾经夸下过海口他的火箭,即便是有一两台发动机失效了,其他发动机多努努力,也能把载荷照样送进太空轨道。如果火箭做成了长2捆那样的助推器结构,就没有办法实现这个目标了。

马斯克和他的团队都是经过深思熟虑的,猎鹰9号全都使用同一种发动机,如果这一型号发动机经过改进,性能有了提高。那么火箭上上下下全都可以获益。如果你用了好几种型号的发动机, 即便是发动机有了改进,也是个局部的改进。

马斯克他们和NASA签了合同,要完成3次演示飞行,NASA要购买SpaceX的服务,也要先验验货吧,要看看马斯克有没有本事把龙飞船打进太空轨道。打1次还不行,起码3次,这时候NASA的心里才有底,你这个服务商是可靠的。马斯克也拍胸脯打包票,猎鹰9号和龙飞船2009年就能首发。可是经过一而再,再而三的跳票,逐渐推迟到了2010年的6月初。

猎鹰9号这一次是在卡纳维拉尔角发射,这里可是航天界的圣地,当年登月火箭和航天飞机就是从这里发射升空的。现在猎鹰9号使用的40号发射工位就曾经发射过很多枚大力神运载火箭。远处的39号工位就是土星五号起飞的地方,如今马斯克的火箭也矗立在了这里的发射架上。6月3号,马斯克带着手下的工程师来到了发射现场。

卡纳维拉尔角刚刚遭遇了瓢泼大雨,这在夏天的佛罗里达很常见。工程师们发现火箭的第二级的无线电信号非常的弱,看来雨水还是对火箭造成了影响。马斯克到达这里的时候已经是晚上了,火箭已经从垂直状态放躺下来了,变成了水平状态。如今该怎么办?是换掉火箭上受潮的电子仪器,还是把火箭拉回厂房,检修好了再发射?一切都看马斯克如何决断了。最后,还是工程师们想出了一个另类的办法——用烘干机把电子设备烤干就行。

马斯克手下的工程师们胆子是真大,因为他们采用的这个办法, 就跟修理进水的无线电收音机差不多,拿电吹风吹吹就OK了。要换成了波音或者洛克希德·马丁这些长期跟NASA打交道的公司绝对不敢这么干,传出去都让人笑话。

其实,当时马斯克承担的压力还是很大的,如果这一次发射成功了,NASA肯定还会继续合作,继续给钱,如果发射失败了,怀疑者的口水都能把他喷死。不过,马斯克还是很信任他手下的工程师。等电子设备彻底烘干以后,用硅胶封上,第二天照常发射。

到了第二天,火箭第二级的无线电信号不像设计的那么强,但是已经足够用了。发射照常进行,发射精度已经超出了大家的预期。马斯克当时要求并不高,只要载荷入轨,别闹出笑话,别把40号发射台炸掉就好了。

后来有人去采访马斯克,马斯克说,用烘干机烘干火箭还不是最疯狂的事情,最疯狂的事情是在猎鹰9号的第2次发射。他们的举动把NASA吓了一跳……

欲知后事如何,关注我的账号,下周接着说。

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