深度:SpaceX当年成功发射并回收火箭颠覆航天业,马斯克如何做到

2021-04-25 11:53:59 科学声音

马斯克的猎鹰9号火箭升级到了1.1版本,开始进行真实的回收试验,他每次都搞“搭便车”。也就是发射客户的载荷以后,一级火箭办完了正事儿以后,还有余力,那就多带一点燃料来做回收试验。

你想啊,火箭如果从卡纳维拉尔角发射的话,肯定是朝着东边打,东边是海。火箭走的接近抛物线,等一级火箭快烧光了,这时候一级火箭的速度没有达到第一宇宙速度,就在这个时候,一级和二级分离,二级火箭加把力气,再推一把,把载荷加速到第一宇宙速度,进入预定的轨道。

一级火箭呢这时候已经完成任务了,速度也没达到第一宇宙速度,所以一级火箭还是会走抛物线弹道,落进大西洋。马斯克搞火箭回收试验,就需要在预定的落点放一艘平板大船,在那儿等着。一级火箭需要做的就是调整自己的姿态,屁股朝前,张开栅格舵,精确调整自己的弹道,千万别落歪了。

等到了合适的时机,发动机再次点火。利用剩余的燃料,开始反推减速。一台梅林1D发动机的推力是提高到了67吨。火箭的空壳子其实没多重。所以,9台发动机只开一台都嫌多,必须把油门开小。而且回收过程之中,火箭剩余的燃料也是越烧越少,整体重量越来越轻,发动机必须跟着变,精确控制能力也是至关重要的。

到最后,火箭已经很轻了,发动机推力要控制在只比重量小一点,火箭可以缓缓地降落在平板大船上。但是说起来容易,实际做起来却非常的难,因为稍有差池就完不成回收。比如说歪个几十米,火箭就掉水里了。即便是对准了平板大船,下来的时候细长的火箭不垂直,稍微歪一点,结果就没站住,最后摔在平板大船上,或者速度控制不好,直接砸坏了大船,早期这种事儿也没少发生。

2015年的4月份,猎鹰9号的回收试验就是这种情况,火箭歪了,最后倒在了船上爆炸了。所以马斯克领着手下的工程师们就盼望着下一次回收试验,火箭能稳稳当当地站在船上。

下一次是6月28号,猎鹰9号发射龙飞船。这一次出动的平板大船是“我依然爱你如故”号,这艘船上的工程师们左等火箭不来,右等火箭还是不来,后来才知道。哪知道,这一次根本没有任何做回收实验的机会,猎鹰9号火箭升空以后3分钟就炸了,万幸的是龙飞船马上和火箭分离,开降落伞落在水里,里面运的货物没什么大的损失。

SpaceX自己当然是展开了调查,他们认为是外包厂家做的火箭二级液氧储箱氦气瓶支架螺栓不合格,导致氦气瓶泄漏,液氧储箱压力过大而破裂。NASA调查了足足3年才给出了报告,他们认为不仅仅是外包厂家的问题,而是SpaceX发包的时候是按照工业标准选用了螺栓,而不是按照航天标准下达的要求,你要什么样的货,人家就给你造什么样的,这事儿怪不得别人。

针对这个缺陷,SpaceX很容易采取补救措施,但是,这个思维方式是改不了的,因为用便宜的工业级标准,而不用昂贵的航天级标准,这是SpaceX的既定方针。

猎鹰9号全推力版

马斯克他们足足憋了半年多没有再发火箭。他们的特点就是快速迭代。猎鹰9号全推力版本正式亮相了,长度已经拉长到了70米,近地轨道运载能力达到了22.8吨。我们的长征5B运载火箭近地轨道运载能力是25吨。也就是说,猎鹰9号的运载能力已经接近长征5B这种大火箭了。人家全推力版本起飞重量是550吨,长征5B是八百多吨,我们的火箭比人家大好多,但是近地轨道的运送能力大不了多少。这就是因为猎鹰9号在减轻自身重量上下了死功夫。我们的火箭设计方案并没有那么激进。

不过呢,长征5B是一级入轨,没有第二级,猎鹰火箭是有第二级的,猎鹰9号的第二级只有一台真空版梅林发动机,相对弱一点,所以如果是打GTO轨道,也就是同步转移轨道,只能打8.3吨,而长征5号能打14.5吨。

梅林1D发动机也进行了改进升级,推力可以在大范围内进行调节,甚至可以超水平发挥,推力达到额定值的110%,也就是86吨。假如猎鹰火箭的9个发动机有一两个熄火了,没关系,其他发动机超水平发挥,也照样把载荷送进轨道。

梅林1D发动机

你别说,SpaceX的迭代速度是真的厉害,当年梅林发动机是一个稀松平常的弱鸡,推力也就30多吨。现在经过一次次升级,不但推重比空前绝后,达到了190,比冲已经接近分级燃烧的发动机,推力居然上升了将近3倍,达到86吨。全世界哪个火箭发动机也没有这种脱胎换骨一般的变化。

猎鹰9号全推力版本还有一些其他改进,比如安装了回收用的支撑腿,也为载人龙飞船留下了接口。当时美国已经没有了载人航天能力,要去国际空间站必须搭人家俄罗斯的联盟号,别提多不爽了。NASA给SpaceX开出的要求是等到货运版龙飞船稳定下来了,性能良好,那就可以升级成载人的版本。NASA还是比较稳妥的,不像马斯克那么激进。

到了2015年的年底,新的实验机会来了,首先这次发射的载荷质量比较小,一共是11颗立方星,总重量只有1.9吨重。对于全推力版猎鹰火箭来讲,这点载荷真的不算什么。那么也就是说,可以留出不少燃料搞回收试验。马斯克和工程师们算计了一下,燃料足够一级火箭倒飞回发射场,就不要在大西洋里的平板大船上着陆了,这下可以避免很多不必要的麻烦。比如海上的大风,船只的晃动。

当然,工程师们很仔细地检查了所有的环节,特别是一二级之间的分离机构。过去,火箭的分离喜欢用爆炸螺栓。但是猎鹰9号的一级火箭是要重复使用的,不能一炸了事,要采用能够重复锁闭的装置。燃料也要重新调整配比。

猎鹰9号 flight 20发射/回收的长曝拼接照片

这次发射经过多次延期,一直拖到了12月21号,晚上8点半。火箭发射其实是非常快的,几分钟以后,火箭的一级就和二级分离了,上面该干什么干什么去。火箭的第一级开始返回试验。这一次是返回发射场,所以空中要兜个圈子,掉头180度。

马斯克的粉丝多啊,卡纳维拉尔角附近到处都聚集着观看火箭发射的人群。估计能有10万人吧,在网上看直播的人更是难以计数。大家眼睁睁地看着这个火箭划出半个抛物线,然后一扭头原路返回。一级火箭顺利地逆风点火,开发动机反推,到了靠近地面的地方,支撑腿完全伸开,火箭缓缓的落在了着陆场上,稳稳的站住。大家爆发出海啸一般的欢呼声。SpaceX终于创造了历史,人类第一次在实际发射过程中,垂直回收的一级火箭获得成功。

猎鹰9号第一次陆上回收成功

不过呢,从实验角度来讲,还有大量的数据要去分析。最后大家得出一个结论,如果要让火箭的第一级倒飞回到发射场,要预留15.3~17.1%的燃料,运力损失在53~57%之间。如果是不回头,走抛物线落在海上的平板大船上,那么只要预留7%的燃料,运载能力损失29%,相对来讲,还是可以接受的。

所以,还是在海上回收更划算。在平板大船上回收成功是必修课。2016年的1月份,要从加州范登堡发射Jason-3海洋观察卫星,马斯克还剩下最后一颗猎鹰9号1.1基础版,就用这颗火箭发射吧。这一次火箭是在海上回收,平板大船又出动了。这一次火箭倒是准确的落到了船上,但是4条着陆支撑腿有1条没锁定,火箭最后还是摔倒了,最后导致了爆炸。就差这最后一哆嗦了,还是没站住。

没关系,后面还有一次发射任务,还可以做实验。这一次要发射的是一个同步卫星,代号SES-9,足有5吨重,需要打进同步转移轨道。这是当时SpaceX接到的最重的一颗卫星。

SES-9卫星就在整流罩里

正因为这颗卫星很大很重,所以,接近了猎鹰9号的极限。要预留下火箭回收的燃料,必然是捉襟见肘。为了多装一点燃料,不得不拿出压箱底的招数,那就深冷加注技术,也就是把液氧的温度再降低一点,降到沸点以下几十度。热胀冷缩,过冷的液氧体积缩小,原来的那个燃料罐可以多装一点。蚊子腿也是肉,能多装一点就多装一点吧。

但是,好事多磨,原本计划2月末发射,结果因为各种原因一再推迟。特别是2月28号,本来都要发射了。结果有艘船误闯了降落区,不得不延期35分钟发射,煤油倒是无所谓,液氧被冷冻到零下200度,在发射台上傻站着,迟迟不发射,温度升高了是要产生气泡的,结果发动机果然推力不足,故障检测系统及时自动停止了发射。

一来二去,一直到3月2号也没能实现发射。火箭都傻站了一个礼拜了,不得已,拆下来送回厂房检修。马斯克下了死命令,3月4号必须发射。横竖就赌一把了,如果这颗卫星没有在规定期限内发射,不但钱赚不到,还要支付违约金。马斯克的资金什么时候宽松过?早期都是紧巴巴的。

一直到3月4号夜里的23:35,猎鹰九号从卡纳维拉尔角的40号工位拔地而起,起飞4分钟以后,火箭实现一二级分离,一级的任务就完成了。这一次,一级火箭姿态控制平稳,天气条件也非常好,火箭逆风点火也没问题。但是就在最后关头,火箭居然熄火了。从几百米的空中落下,砸在了平板大船上。

我依旧爱你如故号带着摔扁的火箭残骸回家了

不过,砸归砸,这次倒是没有爆炸的痕迹,因为火箭最后之所以熄火,是因为燃料烧光了。也就是说,这一次发射,几乎逼近火箭的运载极限,用来返回的燃料是死磕死的,一点余量都没有。最后关头,燃料烧光了,结果就砸在了船上。

这些问题都不是不可克服的,在4月8号,猎鹰9号把龙飞船送上了太空,火箭一号也顺利的在海上平板大船上站住了,这次海上回收终于宣告成功。至此,马斯克的第一阶段回收试验结束,重点解决的问题就是火箭能不能安全可靠的反推落地。最后,这个技术终于被SpaceX掌握了。

猎鹰9号终于在海上回收成功

火箭的反推回收,实际上是有不少窍门的。我国的长征8号其实也考虑回收再利用。编号应该是长征8R,具体搞出来到底是个什么样子,这个现在也说不准。但是我们遇到的问题就是发动机推力太大了,超过了一级火箭壳子的重量。长征8号带有两个助推器,索性助推器就不分离了,挂在一级火箭上当配重,这样回收的时候能增加一些重量。

要知道,发动机的推力大,要想回收也不是不可能。那就只有严格控制开机时间。让火箭做自由落体,下落时间长一点,这样速度就快一点。快到地面的时候,发动机2次点火,这等于是急刹车一样。分寸拿捏要非常的精确,刚刚好速度降为0的时候落地。如果反推时间长了,火箭就会由下落转为上升,这也就回收不回来了。

所以,长征8号一级火箭使用的YF100发动机推力还是太大了,足足有120吨,所以改成可以严格控制油门的版本也是很有必要的。猎鹰9号就赚便宜,9台发动机开一台就行,开小油门,早早的开始减速,减速时间够长,一切都可以从容不迫,有足够的时间去慢慢调整。

蓝色起源的新谢泼德火箭

到现在为止,真正把火箭回收搞成熟的,也就是马斯克一家。贝索斯的蓝色起源也在搞火箭垂直起降,但是他的目的是搞太空旅游,载人飞到亚轨道高度兜一圈,体验3~5分钟的失重感,然后载人的飞船分离,开降落伞落海,火箭倒退着飞回去降落。这并不是真正用来发射卫星的火箭。

新谢泼德垂直回收

蓝色起源的火箭叫“新谢泼德”,谢泼德不是美国第一个实现亚轨道飞行的人嘛,这东西就是用来搞太空旅游的,这个火箭外形比较猥琐,多少有点显得少儿不宜。

当然,蓝色起源也有正经八百的大火箭,叫“新格伦”,格伦美国一个进入环绕地球轨道的宇航员。当然,后续的还有“新阿姆斯特朗”火箭的计划,不过到现在为止,新格伦还没发射过,新阿姆斯特朗只停留在PPT上,八字还没一撇呢。

所以,除了当年NASA带着培养出来的那些老牌的防务承包商,比如波音和洛克希德,新兴的私营航天企业里面也就是马斯克的SpaceX正经八百的研发出了有竞争力的运载火箭。后来,猎鹰9号越来越成熟,回收也就越来越顺利,如今人家的火箭可以重复使用10次,大大降低了发射成本,如今猎鹰火箭的成本比我们长征火箭还要低呢。

不过,马斯克还在按部就班的推进下一代重型火箭的研发,毕竟猎鹰9号的潜力基本上已经挖的差不多了,再大的卫星他们也打不了。要想用最快捷的方式搞出一枚重型运载火箭,马斯克又一次拿出了他的绝招。我们下次再说。

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