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徐令予:“重型獵鷹”火箭難舉美國航天夢(mèng)
關(guān)鍵字: spacex重型獵鷹【“重型獵鷹”火箭發(fā)射成功,引發(fā)全球熱議,雖然芯級(jí)回收失敗,但從助推器回收,到戲劇感十足的特斯拉跑車載荷,確實(shí)看點(diǎn)很多。從技術(shù)上講,它的優(yōu)缺點(diǎn)在哪里?以下這篇觀察者網(wǎng)專欄作者徐令予的文章對(duì)此作了分析。原文作于火箭發(fā)射前,發(fā)射后作者又發(fā)來了他最新的感想:
這幾年來遭受了太多憋屈的美國人民太需要正能量了,“重型獵鷹”首飛成功無疑來得非常及時(shí),美國媒體的歡呼聲為此做了最好的注解。但是從航天技術(shù)角度來看,用27只火箭引擎送一部小車到繞日軌道上,這種成功更多的是作秀,它一點(diǎn)也改變不了國家的航天事業(yè)的態(tài)勢(shì)。因?yàn)椤爸匦瞳C鷹”仍然無法承擔(dān)起重登月球和征服火星的重任。關(guān)于這一點(diǎn)馬斯克非常清楚,他在“重型獵鷹”發(fā)射前后多次強(qiáng)調(diào),載人登月和火星之旅不會(huì)用“重型獵鷹”,他把希望押在BFR(非正式名:Big Falcon Rocket)。
所以真正的好戲還在后面,我更看好長(zhǎng)征五號(hào),因?yàn)樗斜取爸匦瞳C鷹”更好更強(qiáng)的火箭引擎。在“重型獵鷹”發(fā)射成功后的記者招待會(huì)上,馬斯克意氣奮發(fā)地宣告:“We want a new space race. Races are exciting.”(我們歡迎新的太空競(jìng)賽,競(jìng)賽使人振奮。)這話我估計(jì)也是說給中國人聽的。】
這幾天美國媒體的視線聚集在肯尼迪航天中心的39A發(fā)射工位上,矗立在這里的SpaceX的“重型獵鷹”超級(jí)重型運(yùn)載火箭把首飛的零時(shí)定在了美國東部時(shí)間2月6號(hào)1:30PM。肯尼迪中心的39A發(fā)射工位是個(gè)有著許多故事的地方,阿波羅計(jì)劃載人登月的所有土星五號(hào)全部在這里發(fā)射升空,這里曾是美國夢(mèng)升起的地方。SpaceX選擇這里作為他的“重型獵鷹”的處女航意味深遠(yuǎn)。
“火箭無法進(jìn)入軌道的可能性很大,我希望它能夠遠(yuǎn)離發(fā)射臺(tái),不會(huì)造成發(fā)射臺(tái)損壞,說實(shí)話,我甚至認(rèn)為只要能如此也是一場(chǎng)勝利?!盨paceX的CEO馬斯克的這個(gè)表白不只是偉大的謙虛,更可能是深深的無奈。重型獵鷹能否重振美國航天的榮光還真是一個(gè)大問號(hào)。
重型獵鷹說白了就是三支獵鷹9捆綁在一起。它的核心是一枚獵鷹9,另外再把兩架獵鷹9的第一級(jí)作為助推器。所以重型獵鷹的第一級(jí)就有3x9=27枚“梅林-1D”液氧煤油引擎,在起飛階段,將有多達(dá)27枚“梅林-1D”引擎同時(shí)工作。這種構(gòu)型使得重型獵鷹成為自蘇聯(lián)時(shí)代N1超級(jí)火箭以來,起飛級(jí)引擎總數(shù)最多的一款火箭。蘇聯(lián)超級(jí)火箭N1正是受30臺(tái)引擎的拖累而連連失敗,最后葬送了蘇聯(lián)的登月計(jì)劃。
“前車之覆,后車之鑒?!碧K聯(lián)N1血的教訓(xùn)SpaceX不會(huì)不知道,只是實(shí)在也沒有什么其它辦法,“沒有金剛鉆,硬攬瓷器活?!盨paceX造不出大推力火箭引擎,手里只有推力100噸都不足的“梅林-1D”引擎。為提高總推力只能捆綁27枚“梅林-1D”引擎來湊數(shù)。
捆綁大量低推力引擎實(shí)乃火箭工程中的下下策,其負(fù)面因素是多方面的有些甚至是致命的。捆綁不成夫妻,同樣道理捆綁大量引擎打造不出大推力重型火箭,這個(gè)道理實(shí)際上是很容易理解的,否則你我都可以買成千上萬只“串天”捆綁起來去月球轉(zhuǎn)一圈了,這天下能有如此好事嗎?
捆綁大量引擎會(huì)使火箭效率降低。因?yàn)槊恐灰娑加性S多的零部件,捆綁許多的引擎必然是大量零部件的重復(fù)堆砌,火箭自重必然增加從而導(dǎo)致推重比下降,降低了火箭的工作效率。
另外,并聯(lián)工作的引擎數(shù)量越多,引擎發(fā)生故障的概率就越大,運(yùn)載火箭飛行中,一旦出現(xiàn)單臺(tái)或者多臺(tái)引擎故障,就會(huì)面臨推力不足或推力不平衡等問題,有可能導(dǎo)致任務(wù)失敗。吸取蘇聯(lián)N1火箭的教訓(xùn),航天界有一個(gè)不成文的規(guī)則:火箭第一級(jí)加助推級(jí)的引擎總數(shù)不能太多,最好不超過10臺(tái)。以中國長(zhǎng)征系列火箭為例,長(zhǎng)征2E/F、長(zhǎng)征3B都是8臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī),而長(zhǎng)征5號(hào)則是10臺(tái),逼近安全上限了。事實(shí)上,目前世界各國研制的各型火箭大致都遵守這個(gè)潛規(guī)則,只有SpaceX的重型獵鷹火箭反其道而行之。
與其說馬斯克有造反精神,還不如說他作為資本家對(duì)市場(chǎng)利益有著比狗還要敏銳的嗅覺。馬斯克感覺到了美國重型運(yùn)載市場(chǎng)有著難得的好機(jī)遇。自七十年代阿波羅計(jì)劃煙消云散后,美國航天界是刀槍入庫、馬放南山,幾十年中就沒有一枚像樣的超級(jí)重型運(yùn)載火箭。進(jìn)入二十一世紀(jì)后,眼看中國的航天事業(yè)天天向上,邁向月球的腳步聲越來越清晰有力。受到中國的刺激,美國決定要征服火星或重登月球,重顯世界老大的威風(fēng)。問題是政客們可以在網(wǎng)頁上用PPT登月,NASA沒有超級(jí)重型火箭怎樣實(shí)施登月。于是馬斯克看到了機(jī)會(huì)。
2011年,這位SpaceX首席執(zhí)行官馬斯克首次在華盛頓特區(qū)的國家新聞俱樂部鄭重宣布:他們的重型獵鷹能提供更多有效載荷和更高逃逸速度,這是一枚土星V型退役以來世界上從未有過的超級(jí)重型火箭。有道是“世無英雄,遂使豎子成名”。
按2011年提出的最初時(shí)間表,重型獵鷹將于2012年底之前將抵達(dá)SpaceX西海岸發(fā)射地點(diǎn)——加利福尼亞州范登堡空軍基地。首次發(fā)射將于2013年進(jìn)行,而卡納維拉爾角的首次發(fā)射將于2013年底或2014年進(jìn)行。但到2015年中,由于獵鷹9試飛失敗而導(dǎo)致重型獵鷹首次發(fā)射推遲到2016年底。設(shè)計(jì)一改再改,計(jì)劃一延再延,馬斯克他們是踢到了鐵板,中間的辛酸也只有他們心知肚明。
“事后方知重型獵鷹(的制造)比我們想象的要難得多……其中的難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們?cè)鹊脑O(shè)想,我們實(shí)在過于幼稚了?!边@是馬斯克的原話。說實(shí)話,要重起爐灶設(shè)計(jì)制造一枚新的超重型火箭本非易事,而要在去工業(yè)化的今日美國實(shí)施此計(jì)劃更是難上加難。理想很豐滿,但現(xiàn)實(shí)很殘酷。
重型獵鷹制造計(jì)劃一波三折、幾經(jīng)磨難,今天終于走上了發(fā)射臺(tái)整裝待發(fā),應(yīng)該說也還是非常不容易。但是仔細(xì)分析一下這枚所謂的超重型火箭的各項(xiàng)性能指標(biāo),不得不讓人扼腕嘆息。
讓我們先從時(shí)間軸上作個(gè)前后對(duì)比,表一顯示了重型獵鷹與五十年前土星五號(hào)的主要性能指標(biāo)。數(shù)字顯示土星五號(hào)身強(qiáng)力壯,力壓重型獵鷹,土星的第一級(jí)只用了5只引擎發(fā)出的總推力超過后者27只引擎近1.5倍!土星五號(hào)的運(yùn)載能力是重型獵鷹的3倍。僅從性能來看,土星五號(hào)完勝重型獵鷹,事實(shí)上兩者幾乎就沒有可比性。
表一
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