深度:马斯克猎鹰重型搭载跑车飞向火星,是最强火箭还是绝佳营销

2021-05-09 09:23:30 科学声音

作者:科学声音 吴京平(平哥)

2016年,马斯克终于搞定了一级火箭的回收,他算是开创了历史。以前他搞的东西都是前人已经做过了的,他只是追赶。但是火箭的垂直回收再利用,他是第一个做到的,可以说马斯克开创了历史。

猎鹰9号火箭虽然性能极佳,发射一般的卫星没问题,但是要发射重型的航天器,发射深空探测器,那就有点力不从心了。马斯克想去火星啊,猎鹰9号是完不成这个任务的。

所以,猎鹰9号改进到Block5就定型了,不再大幅度改进,用来挣钱,用来维持现金流已经足够用,马斯克要把注意力转到其他方面去。

要想增加运载能力,最简单的办法就是捆绑式,像长二捆那样,效果立竿见影。但是马斯克不喜欢捆绑式,因为助推器这东西说大不大,说小也不小。扔了可惜,装回收装置吧,没地方,不合算。

在马斯克看来,“蚊子腿也是肉”,能回收尽量回收。即便是火箭整流罩,那也要花上百万美金,扔了也可惜啊。

整流罩也是有重量的,所以呢,火箭起飞以后,飞出稠密大气层,马上就会把整流罩给扔了,这样可以减轻重量。可以在整流罩上装降落伞,降落伞可以通过拉绳子来操纵。所以呢,SpaceX弄了一艘大船,张开一张大网,在指定的海域等着整流罩掉下来。你就看吧,整流罩从天上慢慢飘下来,在风的作用下不一定往哪边跑,海面上那艘大船来回乱转悠,死跟着降落伞跑。好不容易赶上了,整流罩掉进大网里了,但是风一吹,降落伞被吹起来,把整流罩给拽到了水里,这下白忙了。所以啊,及时切掉降落伞是很重要的。

(如今,经过不断的迭代,SpaceX已经不再用船来张网捕捉整流罩,干脆让整流罩掉海里再捞)

当然啦,我们的长征2号和长征4号从发射场发射,比如从山西发射的长征4号通常发射的是极轨卫星,竖着绕地球转悠。飞起来以后朝南飞,到了湖北或者重庆这一代,刚好要扔整流罩。结果就被农民捡回去当了车棚的顶,您放心,浪费不了。

本着多快好省的精神,重型猎鹰火箭最后采用的办法就是把三根一模一样的一级火箭捆在一起,加装了捆绑锁闭机构。三枚火箭的起飞推力达到了2200吨,近地轨道的运送能力达到了64吨,同步转移轨道的运送能力达到了27吨,火星轨道的运送能力达到了17吨。

火箭一起飞,中间的芯级火箭就开始憋小油门,主要靠两边的助推器来用力。两边的助推器飞不了多久就烧光了。这时候火箭离发射场没多远,助推器可以调头飞回发射场降落。

等两边的助推器扔掉了,中间的芯级火箭开始开足马力把载荷往上送。等一级火箭烧光了,下边的平板大船正在大西洋上等着呢。按照一般的流程降落在平板大船上,这样一级火箭全部回收。

我听到这个消息的时候,心里咯噔一下。因为重型猎鹰终于要去触碰那个航天界最重要的禁忌了,那就是多发动机并联。当年的N1火箭就是因为协调不好30个发动机的振动,因而导致燃料管被振坏而爆炸。

猎鹰9号是9个发动机也还不算离谱,我们的长征5号算上助推器,发动机也有10个呢。但是重型猎鹰的发动机数量是27个,乖乖,快赶上当初的N1了。这要是行的话,科罗廖夫的棺材板要压不住了。

其实吧,马斯克本来就是并联狂魔,特斯拉电动车的电池就是几千颗圆柱电池凑在一起构成了动力系统,管理这上千的电池充放电能搞定,难道27个发动机就搞不定?尽管如此,马斯克也并没有十足的把握,低调,尽量低调一点。

过去新版火箭的第一次发射,要是慎重考虑的话,一般是放配重,装个无线电信标,能发回一些数据就够了。马斯克脑子多好使啊,干脆拿来做广告了。重型猎鹰第一次测试的载荷只有一辆红色的跑车,当然,当时并不是去火星的发射窗口,按照理论计算,跑车的重量不超过2吨。一口气送到火星轨道是没问题的,但是当时火星并不在这个位置,所以跑车是遇不上火星的。没关系,能说明问题就够了。

重型猎鹰火箭的第一次发射也是一推再推,最后推迟到了2018年的2月。马斯克粉丝多啊,好多人都盼着重型猎鹰火箭能成,因为这是当时世界上现役的最大的火箭。一家私企超过国家队的水平,在航天界这还是件破天荒的事儿。

你别说,重型猎鹰火箭还是真发射成功了。当27颗梅林发动机点燃,推着火箭冉冉上升的时候,有无数人在欢呼。

两枚助推器先烧光了,分离以后,一掉头,返回了发射场,而且还是两枚,齐刷刷地站在那里,就像是双人跳水一样动作整齐。

中间的芯级火箭在完成任务之后,本来要在船上降落,但是这次没搞定,芯级火箭掉进了海里,好在也不是什么大事儿,有一点美中不足而已。二级火箭顺利地把特斯拉跑车送进了去小行星带的轨道,这次是遇不上火星了,下次争取。

至此,重型猎鹰火箭算是获得了成功,也就是说,在现代的技术条件下。多个发动机并联也是可行的,而且是安全的。这也就为人类制造超大型火箭奠定了基础。我们不必去研发超大型发动机了,可以用相对较小的发动机来并联。

重型猎鹰火箭的发射次数不多,因为这个运载能力高不成低不就。运载一般的商业卫星用不着,运载登月舱这样的载荷吧,又不够。除非是攒下足够多的货物一次性全都运上去。即便如此,重型猎鹰也是目前来说,运载能力最大的火箭了。

从此,SpaceX开始把其他的航天企业甩在后边,包括当年NASA带着一起成长起来的那些供应商,比如波音和洛克希德·马丁。它们都是军火巨头,在国际上都是响当当的。

洛克希德拥有宇宙神系列火箭。目前主打的是宇宙神5,第一级用的是俄罗斯的RD180发动机。没办法,俄国人的产品真是好用啊。美国现在也在研发替代产品,因为美俄关系并不好,万一哪天断了供,那可不好办,尽管现在还有一点存货,但是毕竟用一个少一个了。美国航空喷气公司研发的AR-1发动机现在还丁零当啷的没搞定呢,和人家价钱便宜量又足的RD180比起来,真是没法比。

宇宙神5用的助推器是固体火箭,这方面美国人很擅长。二级是半人马座上面级,用氢氧发动机,这个也是美国的拿手好戏。

波音拥有德尔塔4型重型火箭,这个火箭的一级也是三根捆在一起的。中间的算是一级火箭,旁边的算助推器。每一根火箭拥有一台RS68氢氧火箭发动机,推力300吨,3台加起来是900吨左右。这个火箭本来是麦道公司的,后来麦道被波音公司收购了,所以也就划归了波音的旗下。

这两家组成发射联盟,垄断了美国的航天发射市场。他们的特点就是贵,贵得离谱。哥伦比亚号航天飞机出事以后,大家都明白,航天飞机肯定是要逐步退役的,因为这种东西的维护费用越来越贵。很多零部件供应商都不再生产了。专门小批量生产一点配件,当然很贵。换成新的吧,没人敢,系统太复杂了,没人敢随便去修改。再说了,客货混装本来就不是一个合算的买卖,为了发射一个卫星,非要让7个宇航员陪着,这算是哪一出啊?所以,NASA在2011年立项,要研发下一代火箭和飞船

在NASA看来,近地空间已经没多大意思了,交给民间商业公司去发射足以应付。作为国家队,下一步的任务是要探月和探火。近地轨道的运载能力起码要达到70~150吨才够用。去月球的话,一枚火箭就够了,和当年的土星5号差不多。去火星的话,需要多次发射多次拼接,然后再去火星。

总之,现有的火箭是根本不够用的,必须研发超越土星5号的巨型火箭,这种巨型火箭就是所谓的“太空发射系统”。他们采用的技术还是继承自航天飞机,有那么好的氢氧发动机,为啥不用呢?那个橙红色的大罐子,改一改就是火箭的主体。两个巨大的固体火箭助推器也是和航天飞机一脉相承的。

美国已经很多年没造过载人飞船了,这次立项的猎户座飞船一次能运载7个宇航员,比过去的阿波罗飞船大多了。跟航天飞机是一个量级的。这个项目和过去的阿波罗计划以及航天飞机计划一样,家家有份,雨露均沾。

洛克达因负责液体发动机,编号RS-25D,其实就是航天飞机的发动机的改进版,但是当时考虑要重复使用,因此比较贵,如今是一次性使用,起码要简化一下,压低成本,太空发射系统的一级火箭需要用到4台这样的氢氧发动机。

洛克达因是老牌的火箭发动机供应商,功力深厚。如今洛克达因早就成了造航空发动机的普拉特惠特尼公司的一个下属部门,普惠公司又是联合技术公司的子公司。这个联合技术公司真是五花八门什么都搞,奥迪斯电梯就是他们家的。中间有一段时间收购了西科斯基飞机公司,就是生产黑鹰和阿帕奇直升机的那一家,后来洛克希德马丁又从他们手里把西科斯基给买去了。再后来联合技术公司和雷神公司合并了,雷神就是生产爱国者导弹的那家。反正经过一系列的收购和重组,现在各大军工企业是打断骨头连着筋,形成了几家垄断巨头。

固体助推器试车

固体助推器是诺斯罗普-格鲁门公司来负责。这个一直是他们的工作。反正太空发射系统这个项目是把NASA几十年来培养的厂商全都捎带上了,每年都要稳定的投入30~50亿美元,这么多年就没断过。

所以太空发射系统的开发者团队不可谓不豪华,基本上就相当于是美国的国家队。可惜,他们的开发效率实在是不怎么样,一再地拖期跳票。即便如此,NASA和国会也没有放弃这个项目。因为鸡蛋不能放在一个篮子里。马斯克倒是效率高,但是要保持平衡。NASA一方面保住老牌的军工复合体,一方面大力推动私营企业来加入航天事业。马斯克只是其中的一个佼佼者罢了。后边还有蓝色起源、内华达山脉等等一连串的民营公司呢。

2019年,这一年是阿波罗登月50周年纪念。NASA宣布了阿忒弥斯计划。要重返月球,而且要在月球表面建立考察站,在环绕月球的轨道建立一个月球之门空间站,而且可以当做是去火星的集结地,总之有多重考虑。按照计划,应该是在今年,用太空发射系统来发射猎户座飞船,实现不载人绕月飞行。可惜NASA没有明确具体的日期。前一阵子RS-25D发动机做地面测试,似乎是有问题。原定计划要坚持485秒,但是实际上只开机一分多钟就熄火的,肯定是发现了什么问题。

登月舱方案,NASA交给了SpaceX,蓝色起源和洛马等等国家队的豪华组合最后也没能中标。SpaceX的星舰虽然在不断地炸,好歹在稳步推进。而且价钱还便宜,人家还自带火箭,万一太空发射系统还是老跳票。NASA也不能无限制地等下去对吧。

SpaceX的一大特点就是态度好,动作麻利。当蓝色起源的火箭还只是一个PPT的时候,人家马斯克的火箭就已经在搞商业发射了。尽管马斯克的星舰巨型火箭的验证版本连炸了好几回,那也比八字还没一撇强得多。每次测试,都把NASA的人请去观摩,怎么说也是客户啊,伺候好甲方是理所应当的。

马斯克从猎鹰1号搞起,后来拿出了金牌火箭猎鹰9号,这是当之无愧的劳模,商业发射的主力军。然后靠并联三根猎鹰9号的一级,弄出了个重型猎鹰火箭,成了当下运载能力最大的火箭。但是因为运载能力搞高不成低不就,所以发射机会不多。好在这本来就是用猎鹰9号的箭体拼出来的,倒是一点都不浪费。

马斯克当然不会满足于此。尽管梅林发动机推重比逆天,但是因为是燃气发生器循环,所以比冲不是很出色。如果要造更大的火箭,造更大的发动机。靠燃气发生器是不行的,必须用分级燃烧。就像航天飞机的发动机那样,起码要达到300吨左右的推力,然后靠并联一大捆来制造巨型火箭,这颗火箭的规模远超土星5号。

马斯克把下一代火箭命名为星舰。首先要为这颗火箭设计一款新的发动机。这颗发动机的代号叫做“猛禽”。这颗发动机要走的路注定是不寻常的。首先,燃料就过去的发动机完全不一样。我们下次再说。

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