争议不断,运力存疑,马斯克的这款新型火箭今通过生死大考

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争议不断,运力存疑,马斯克的这款新型火箭今通过生死大考
59golf.cn||途歌

  作者:田丰,航天爱好者网主编

  腾讯科技讯,北京时间 2019 年 4 月 12 日 6 点 35 分,伊隆马斯克旗下 SpaceX 公司的重型猎鹰火箭时隔一年再次从肯尼迪航天中心 LC-39A 发射台发射,这款现役最强火箭终于迎来了首个正式商业载荷一颗重 6.46 吨的同步轨道商业通讯卫星,在发射后 8 半钟,两枚助推器率先返回陆地着陆场 LZ-1、2,随后芯级也稳稳落在距发射场 1000 公里的无人回收驳船上,34 分钟后星箭顺利分离。至此,马斯克终于实现了 7 年前向观众展示的三枚火箭同时回收的壮观景象,27 台发动机并联设计的可靠性再一次得到了验证。而这次看似平淡的发射之后,一些潜藏但惊人的变化正在航天界涌动,或将对 NASA 的重返月球进程产生影响。

  顺利发射,顺利分离,顺利回收

起飞瞬间,2320 吨的巨大推力

2:39,助推器顺利分离,侧向冷分离机构工作正常

7:43,两枚助推器顺利返回着陆场,稳稳降落

10:20,火箭芯级成功着陆在发射台 1000 公里外的回收驳船上,弥补了首飞芯级坠海的遗憾

  作为重型猎鹰的第二次发射,本次发射所用的芯一级和两台侧助推器均为全新生产的 Block5 最新改进型(芯级编号 B1055.1,助推器编号 B1052.1 和 B1053.1),但按照 SpaceX 一贯抠门的脾气,虽然箭体是新的,但部分梅林(Merlin)发动机以及助推器头锥却是重复使用的。

助推器头锥有明显的使用痕迹

  一年前的 2 月 8 日,重型猎鹰火箭首次成功首飞,两枚火箭的助推器在完成发射任务后与火箭分离。然后逐渐飞回发射场,缓缓降落在着陆场上。这个过程被空中的无人机准确的拍摄下来,震撼了世界。随后,整流罩打开,蔚蓝地球背景下的红色特斯拉跑车和炫酷的假人模型的照片刷爆了当天的各大媒体。

水平组装厂房内的重型猎鹰

  但是这款火箭依然颇具争议,尤其是一款运力强大的火箭首飞只敢搭载一辆不足 2 吨重的跑车,遭到众多网友的质疑,称其用了吃奶的劲儿却只打了一堆太空垃圾。但事实上,去年首飞搭载跑车实属无奈之举,其实正证明了当时重型猎鹰的最大问题可靠性不足,没有客户敢上。

  可靠存疑,订单寥寥,急需自证

  但在去年首飞的喧嚣过后,重型猎鹰不得不面对一个空有屠龙刀,却无龙可屠的尴尬境地。人们常说火箭的运力有多大,航天的舞台就有多大。重型猎鹰火箭标称近地轨道运力高达 63.8 吨,同步转移轨道吨的运力 26.7 吨,看似大有可为,其实是高不成低不就。主要体现在以下几方面:

  1. 运力对于商业客户过大;

  2. 可靠性让 NASA 和军方心存疑虑;

  3. 价格优势不如猎鹰 9 那么突出。

  首先,商业客户并不需要这么庞大的运力,最重的商业通讯卫星也不过重 8 吨有余,还不到火箭同步轨道运力三分之一,类似阿丽亚娜 5 的双星拼车也限于整流罩等原因难以成行,况且高通量同步轨道卫星造价动辄数亿美金,加之多数客户对重型猎鹰可靠性存疑,订单数量较猎鹰 9 逊色不少。

重型猎鹰发射订单统计,其中三单是去年首飞后才敲定,足见首飞时订单的惨淡程度

  而 NASA 短期也并不需要这款火箭执行深空任务,一是因为探测器对发射窗口及可靠性要求甚高,而火箭可靠性尚未得到充分认证。猎鹰 9 执行了近 70 次发射,直到去年末才拿到 LSP-3 认证,具备发射 NASA 所有高价值载荷的资格,而且对于一般探测器则运力严重过剩,要知道人类迄今向火表投送的最重物体好奇号火星车也不过重一吨。

  美国空军(USAF)和国家侦察局(NRO)虽有所需求,尤其是国家侦察局著名的锁眼(Keyhole)、导师(Mentor)等间谍卫星。但 NRO 载荷历来以贵出名,载荷贵过等身黄金,且事关美国国家安全,仅成功发射一次的火箭难言可靠(通常头三次发射都具备较大风险),SpaceX 急需一次正式任务证明自己的设计,于是这颗为阿拉伯国家制造的通讯卫星顺利成为了首次商业发射的载荷。

载荷卫星效果图,该星一式两份,其姐妹星已经由阿丽亚娜 5 火箭于今年 2 月送入轨道

  载荷 Arabsat-6A 是一颗高通量通信卫星,采用洛克希德马丁公司 LM-2100 平台,但问题这颗卫星仅重 6 吨有余,SpaceX 自家猎鹰 9 完全可以胜任,缘何大动干戈动用重型猎鹰呢?难道只是为了证明可靠性?

卫星实物,对比右下角的人

卫星采用了类似手风琴结构的新式柔性太阳能电池板

  你到底能不能打重型猎鹰的运力之谜

  Arabsat-6A 合同签订于 2015 年,那时的 1.1 版猎鹰 9 火箭的同步转移轨道运力仅有 4.85 吨,因此 6.46 吨卫星在当时选用重型猎鹰可谓合情合理。然而世殊时异,猎鹰 9 在 4 年间不断迭代升级,运力一路飙升至 8.3 吨,已经轻松涵盖 6 吨卫星。不过若严格按照合同履行,坚持采用重型猎鹰也是合理的,但以往也有过重型猎鹰订单下放到猎鹰 9 发射的情况,这次为什么不这样做呢,这就要从猎鹰 9 的可回收设计说起了。

猎鹰 9 的 Block5 型

  自 2015 年 12 月首次回收猎鹰 9 火箭起,经过 4 年疯狂改进和迭代,SpaceX 的回收复用日渐成熟,从国内相关论文估算可知,相对于一次性发射,海上回收大概会损失 30% 运力,返场陆地回收损失 50% 运力。虽然如此,但 SpaceX 依然坚定的将复用道路走了下去,于去年 4 月推出了猎鹰 9 的 Block5 型,该型号融合了 4 年来 SpaceX 所有对 VTVL(Vertical takeoff vertical landing,垂直起飞,垂直降落)回收和重复使用的经验和教训,是猎鹰 9 的最新改型,单箭体至今最多复用 3 次,且复用纪录还在刷新,但是 Block5 型的全面服役也基本终结了 SpaceX 的一次性火箭发射业务。公司于去年 Block5 构型服役起宣布,对商业客户除特殊原因外,不再安排一次性发射,并将对复用火箭发射逐步打出各种折扣,以吸引客户使用。至此,业界对于复用火箭是否省钱的激烈争论基本告一段落,折扣就是最好的证明。

各种回收状态下的运力水平表

  迄今为止,SpaceX 取得了 20 多次复用火箭发射成功率 100% 的成绩。因此目前,SpaceX 除非特殊政府载荷(如 GPS-3 首星)外,运力上限就是 5.5 吨(见上图),当然也有卫星超重但自行升轨的情况,篇幅所限不展开。所以目前超过 5.5 吨的 GTO 载荷,也就顺理成章地成为了重型猎鹰的订单。当然不仅如此,此次重型猎鹰将卫星送入一条超同步轨道(Supersynchronous Transfer Orbit,22.9623 x 320.533 x 89807.493 km ),也就是多送卫星一程,仅此一项就将节省大量卫星推进剂,有望将卫星在轨寿命从 15 年延长至 18-20 年,这也是客户冒险选择重型猎鹰的原因所在。

星箭分离成功瞬间

绿光来自三乙基铝-三乙基硼(TEA- TEB)引火系统的反应,还可以看到火焰底端的激波

  今天的发射成功后,两枚助推器将被重新翻修,用于今年另一次重型猎鹰发射,这一次,重型猎鹰要向美国空军证明,这款火箭完全具备替代 ULA 宇宙神 5 和重型德尔塔 4 的实力,可以执行各种国家安全发射(National Security Launch),不仅如此,SpaceX 更便宜,运力更大,美国空军不再需要忍受 ULA 重型德尔塔 4 火箭每次发射近 4 亿美元的高昂价格,只需要 9000 万美元!(事实上政府发射报价会比商业报价略高,因为包含特殊的整备要求,因此实际合同价格应高于一亿美元,但仍远低于 ULA 报价)。

  但是无论如何,今天的这次成功发射,进一步验证了 27 台发动机并联设计的可靠性,这对未来世界运载火箭的设计思路会产生一定影响。

2011 年,重型猎鹰火箭首次亮相

  自从诞生,发发不同,今年的重型猎鹰又有改进?

  SpaceX 一直奉行互联网式的快速迭代策略,基本就tcl手机主题没有定型和批产这个概念,正如公司可靠性部门发言人说的那样在过去的数年间,公司几乎就没生产过两枚完全一样的猎鹰 9 火箭。其实此次发射的重型猎鹰也是如此,今年火箭全面基于 2018 年 4 月首飞的 Block5 型猎鹰 9 改进而来,推力提升,运力提升,全面换用钛合金格栅舵,改进发动机舱防热结构,换用新型箭体涂料等等,由于同宗同源,猎鹰 9 的任何改进都将沿用至重型猎鹰上,形成协同效应。

两次发射的对比图

水平组装厂房内的火箭,右上角那枚是刚执行过载人龙飞船无人首飞后回收的猎鹰 9 火箭

  其实从高清对比图来看,改进还是颇为明显的(上:此次发射的 Block5 版本,下:去年回收后的助推器),Block5 为更好的复用,首先改进了发动机摆动机构的密封结构,为了实现推力冗余设计,所有梅林发动机都具有摆动能力,因此需要柔性密封结构保护发动机,但原有的防火帆布在最高6-8 马赫的恶劣回收再入环境下受损严重,甚至有些任务中会被彻底吹烂。因此在 Block5 版中改成了活动防热板(上图白色),同时发动机舱还有明显的铜绿色防热涂层。

右侧是重新涂装的 LC-39A 发射塔,该发射台曾用于阿波罗登月

  重型猎鹰没人疼的野孩子

  SpaceX 自创办至今,确实受到了 NASA 的大量金援,绝大部分是发射合同形式,但并非所有火箭型号都受到了 NASA 青睐,SpaceX 的很多火箭型号都并未受过 NASA 资助,其中就包括今天的重型猎鹰火箭。公司成立至今的所有火箭型号当中,猎鹰 1 的研发基本是伊隆马斯克自掏腰包完成的,三次失败折磨的他几近破产,直到第四次发射成功之前,前三次发射失败,NASA 都没有掏过一分钱。

回想起那段岁月,真是老泪纵横,创业之难,可见一斑

  然而我们所熟知的猎鹰 9 火箭和龙飞船,确实是在 NASA 的商业货运服务(Commercial Resupply Services,简称 CRS)的项目资助之下研发而成的,载人龙飞船也是在商业载人航天项目下资助完成的(Commercial Crew Program,简称 CCP)。不过需要说明的一点是,猎鹰 9 的火箭回收项目并不在 NASA 的资助范围之内,完全是公司自掏腰包并逐渐实现的,而最开始 NASA 从可靠性角度出发,甚至曾明确反对 SpaceX 进行火箭回收试验。

  而我们今天的主角重型猎鹰火箭,自从他诞生的第一天起,从公开渠道资料来看,一直都不受 NASA 青睐,无论是整箭订单还是研发资助,都无相关报道,只有一次搭车空军任务的订单,几乎可以忽略不计。那么这款火箭为什么一直不受到 NASA 的待见呢?因为在 50 吨以上运力级别,NASA 有着自己嫡子由波音承研承制的太空发射系统(Space Launch System,简称 SLS)

波音最近很火

  扶不起的阿斗,指不上的 SLS!

  作为航天飞机技术遗产的重塑再造,作为美国未来确立在月球、火星及更远深空领先地位的核心(NASA 官方表态),NASA 的一路高调支持,加上国会议员各种力挺,再加上主承包商波音的巨大政治影响力,SLS 甫一出生就光环加持,集万千宠爱于一身。SLS 在美国可以说是要人给人,要钱给钱,要技术给技术,NASA 几乎是倾其所有,毫不吝啬。

  想要世界最好的分级燃烧氢氧发动机?

  好,5500 万美元一台,可以复用 10 多次的 RS-25 拿去,发射一次扔海里 4 台。

  想要世界最好的助推器?

  好,航天飞机助推器改进的 5 段式固体助推器拿去,不打捞不复用,用完即扔。

  想要世界最好的上面级发动机?

  好,3000 万美元(旧价格)一台,膨胀循环的 RL-10 拿去,改进型的 EUS 上面级发射一次用掉 4 台。

  想要世界最好的发射条件?

  好,土星五号的发射台 LC-39B 免费给你,10 亿美元改建发射台。

  不仅如此,NASA 还为 SLS 量身定做了一系列发射任务。

SLS 的 EM 系列发射任务

  然而 SLS 自 2011 年宣布开始研发,在继承航天飞机所有成熟动力系统和技术遗产的前提下,原定 2016 年的首飞时间一拖再拖,原定的研发经费和发射费用一涨再涨,原定的运力水平一缩再缩。首飞目前已经推迟到不早于 2021 年,单次发射费用从原有宣传的 4 亿美元一次飙升至 15-20 亿美元一次,运力水平缩水至基于 ICPS 的 Block1 型仅有 75 吨近地轨道运力(波音近期又修改成 95 吨),项目每年都要烧掉 NASA 的数十亿美元经费网络技术教程(NASA 每年的预算案在网上可以公开下载),火箭尚未首飞,已经花费近 170 亿美元(亦有说超过 100 亿美元),波音在其中发挥了巨大的作用,即使如此,波音公司和 SLS 项目依旧我行我素,继续拖延超支。

  但是,转机出现在 2019 年初,波音这种肆无忌惮的拖延、超支和运力缩水,已经严重影响到了特朗普政府拟定的重返月球计划表。因此副总统迈克彭斯为主的太空委员会终于对 SLS 忍无可忍,要求必须在 2020 年 6 月开始猎户座飞船的首次绕月任务,代号 EM-1,即使不采用 SLS,换用可行的商业火箭,一时间业界哗然。

副总统彭斯演讲时,回头一看后面四款登月用火箭,三款还在 PPT 上,这还登个什么月?

  NASA 新任局长吉姆布里登斯廷临危受命,组织论证用已有的商业火箭替代 SLS 执行猎户座飞船的首次绕月飞行(EM-1)。初步论证后,发现唯一能满足要求,赶得上时间,运力又足够的,竟然是 NASA 从未投资过的重型猎鹰火箭。

新局长移情别恋也是无奈

重型猎鹰搭配 ICPS 发射猎户座飞船绕月设想

两发重型猎鹰发射,分别发射猎户座飞船和上面级,在轨对接后绕月设想

  虽然最终 NASA 论证的结果是这两种方案同样赶不及在 2020 年 6 月发射猎户座,只能继续催促波音加快进度,但至少这是重型猎鹰又一次进入美国重返月球架构的菜单。

在最新曝光的美国返月方案中,重型猎鹰大有可为

  在今天的成功发射过后,重型猎鹰的地位或许又会有微妙的变化,在未来的重返月球任务中,SpaceX 又将扮演怎样的角色,让我们拭目以待。

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