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如何正確地“黑”SpaceX(五):回收不能復(fù)用和引擎不給力的重獵鷹
關(guān)鍵字: 重獵鷹能源引擎問(wèn)題軍事航天器重型獵鷹——瞄準(zhǔn)軍事項(xiàng)目
想要贏取美軍航天器的發(fā)射合同,僅憑一枚中型運(yùn)載火箭這顯然是不夠的。以前文提及的同步軌道先進(jìn)電子偵查衛(wèi)星“獵戶座”為例,盡管偵查衛(wèi)星的所有方,美國(guó)國(guó)家安全局從未披露過(guò)該設(shè)備的細(xì)節(jié)信息,單根據(jù)多方推測(cè),大致可以認(rèn)定其重量在5.2噸上下。該數(shù)據(jù)小于迄今為止獵鷹9火箭發(fā)射過(guò)的最重GTO載荷。然而,因其執(zhí)行的特殊任務(wù)所需,這枚衛(wèi)星安裝有一具在完全展開后直徑可達(dá)330英尺(約100米)的巨型天線。顯然,該設(shè)備即便在折疊發(fā)射狀態(tài)下,尺寸仍舊超過(guò)大多數(shù)常規(guī)載荷,需要一個(gè)超大型整流罩來(lái)包裹。而ULA旗下的德爾塔4H重型火箭,迄今為止已被證明可靠、安全,具有強(qiáng)大的運(yùn)載能力并可以發(fā)射超大型尺寸載荷,無(wú)疑是最理想的發(fā)射平臺(tái)。也是基于上述原因,盡管SpaceX在民用太空資產(chǎn)的發(fā)射業(yè)務(wù)中,從ULA手中硬搶來(lái)了半壁江山,但卻無(wú)力涉足其利潤(rùn)的根本——軍事航天項(xiàng)目。
憑借宇宙神與德爾塔兩個(gè)系列的火箭,ULA目前牢牢地壟斷著美國(guó)的軍事航天發(fā)射市場(chǎng)。而該聯(lián)盟憑借長(zhǎng)期對(duì)軍事航天發(fā)射市場(chǎng)的壟斷,逐漸在該行業(yè)內(nèi)形成“馬太效應(yīng)”。例如本次發(fā)射的先進(jìn)獵戶座電子偵察衛(wèi)星,就是目前其他企業(yè)無(wú)法勝任的一項(xiàng)任務(wù)
想要擠入軍事任務(wù)這個(gè)市場(chǎng),就要求SpaceX獲得一種強(qiáng)大的運(yùn)載發(fā)射平臺(tái)——在具有強(qiáng)大的運(yùn)載能力的同時(shí),可以將大體積設(shè)備送入軌道。同時(shí),該平臺(tái)的可靠性必須較之現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)更高。因?yàn)榕c民用設(shè)備相比,軍事航天器的價(jià)格將成倍增長(zhǎng)。此外考慮到企業(yè)自身的資金能力,該平臺(tái)仍需要可以在資本市場(chǎng)中凸顯出其價(jià)值的特征。
而被寄厚望,可以使之躋身美國(guó)軍事航天發(fā)射市場(chǎng)的產(chǎn)品,便是重型獵鷹(Falcon Heavy)項(xiàng)目,SpaceX的重型火箭計(jì)劃。
該計(jì)劃最早可被追溯到2010。在SpaceX官方于2011年4月5日召開的新聞發(fā)布會(huì)上,埃隆·馬斯克首次對(duì)著新聞界正式宣布了該項(xiàng)目的存在:重型獵鷹火箭將是自阿波羅計(jì)劃的土星五號(hào)火箭以后,運(yùn)載能力最強(qiáng)大的火箭,將推動(dòng)政府和商業(yè)空間項(xiàng)目進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代。
所謂重型獵鷹,實(shí)質(zhì)上乃是SpaceX設(shè)計(jì)火箭玩弄“堆砌”概念的又一直接體現(xiàn)。其大致上可以看做1枚完整的獵鷹9型和2枚獵鷹9一子級(jí)的組合體,在起飛階段,將有多達(dá)27枚梅林-1引擎同時(shí)工作。該構(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(lái),起飛級(jí)安裝發(fā)動(dòng)機(jī)總數(shù)最多的一款火箭。
獵鷹9 + 獵鷹9 + 獵鷹9 = 重型獵鷹。這些事SpaceX方面美編繪制的重型獵鷹效果圖
除了火箭的構(gòu)型和發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量,按照SpaceX宣布的信息,重型獵鷹火箭計(jì)劃于今年底首飛,然而火箭的運(yùn)力數(shù)據(jù)則宛如一部玄幻小說(shuō)。
根據(jù)2014年前后官網(wǎng)的數(shù)據(jù),其近地軌道運(yùn)載能力達(dá)到了驚人的53噸。該頁(yè)面在今年4月間又被更新,重型獵鷹火箭的近地軌道運(yùn)力進(jìn)一步“提高”到54.4噸,火星軌道運(yùn)力從12噸被改為13.6噸。此外,SpaceX官網(wǎng)還宣稱重型獵鷹具有22.2噸同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力。
對(duì)比迄今為止的事實(shí),上述數(shù)據(jù)堪稱魔幻。首先,我們?cè)诒鞠盗形恼碌纳弦黄谝呀?jīng)介紹過(guò),迄今為止獵鷹9號(hào)火箭發(fā)射的最重型載荷,是2016年3月4日-5日?qǐng)?zhí)行的SES-9任務(wù)。在該任務(wù)中,載荷重5271千克。該任務(wù)的結(jié)局,是衛(wèi)星順利入軌,而執(zhí)行回收任務(wù)的火箭第一級(jí),在回收試驗(yàn)中因燃料耗盡而墜毀在著陸平臺(tái)之上。正如我們此前分析的那樣,此次任務(wù)其實(shí)在很大程度上已經(jīng)向外界暗示了獵鷹9FT版運(yùn)載能力的極限——如果考慮放棄華而不實(shí)的回收操作,同時(shí)拆除用于執(zhí)行該任務(wù)的設(shè)備,并且不考慮再入減速所需要預(yù)留的額外燃料的話,其最大GTO運(yùn)力當(dāng)在5.5-5.7噸之間。也就是說(shuō),結(jié)合“重型獵鷹”火箭的構(gòu)型,SpaceX官網(wǎng)所宣稱超過(guò)22噸的GTO運(yùn)力,無(wú)論從哪個(gè)方面看都非常的匪夷所思。當(dāng)然,這點(diǎn)公司方面也意識(shí)到了,所以為了能夠讓其宣稱的眾多數(shù)據(jù)顯得真實(shí)可信,其最初還宣稱重型獵鷹將使用推進(jìn)劑交叉輸送技術(shù)(Cross-Feeding)。【附錄01:推進(jìn)劑交叉輸送】
不過(guò),寫個(gè)網(wǎng)頁(yè)終歸是要比實(shí)際研發(fā)要容易的多。
無(wú)怪乎,今年4-5月間SpaceX官網(wǎng)數(shù)據(jù)修訂后,全世界的SpaceX擁躉開始?xì)g呼雀躍,仿佛尚未出世的重型獵鷹憑借推進(jìn)劑交叉輸送神功,已經(jīng)腳踩重型德爾塔、拳打阿麗亞娜5了。
綜上所述,現(xiàn)階段,重型獵鷹火箭的數(shù)據(jù)堪稱“霧里看花,水中望月”,看不懂,沒(méi)法肯定也沒(méi)法否定。所以我們姑且存疑、觀望,暫不做更多評(píng)價(jià),換一個(gè)方向,對(duì)它的技術(shù)方案做一些定性分析。
重型獵鷹的問(wèn)題,在于該火箭起飛階段多達(dá)27臺(tái)的發(fā)動(dòng)機(jī)。因?yàn)榫驮?0多年前,正由于起飛階段總計(jì)30臺(tái)NK33的拖累,蘇聯(lián)超級(jí)火箭N1連連失敗,最終葬送了紅色帝國(guó)的登月計(jì)劃。
起飛級(jí)安裝30臺(tái)小推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī),空前也是絕后(起碼絕后到目前為止)的怪物,蘇聯(lián)時(shí)代本計(jì)劃用于登月任務(wù)的N1超級(jí)火箭
根據(jù)概率論基本原理,并聯(lián)工作的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量越多,出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)故障的概率就越大,飛行中的運(yùn)載火箭、一旦出現(xiàn)了單臺(tái)或者多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)故障,就會(huì)面臨推力不足/推力不平衡等問(wèn)題,有可能導(dǎo)致任務(wù)失敗。基于這個(gè)考慮,自從N1火箭以悲劇告終,全世界航天界有一個(gè)不成文的共識(shí):一子級(jí)+助推級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的總數(shù)不要太多,最好不要超過(guò)10臺(tái)。以長(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則是10臺(tái),已經(jīng)達(dá)到了安全上限。事實(shí)上,自N1這個(gè)超級(jí)煙花夭折以后,世界各國(guó)研制的各型火箭大致都遵守上述原則。
也許有人會(huì)提出反對(duì)意見:錯(cuò)!蘇聯(lián)解體前開發(fā)的“能源”火箭,你數(shù)數(shù)尾噴管數(shù)量,助推器+起飛級(jí),明明安裝了20臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)……然而這是一個(gè)可以容忍的誤解:“能源”的四臺(tái)助推器使用的是RD170發(fā)動(dòng)機(jī),因?yàn)樘K聯(lián)沒(méi)有解決液氧煤油燃料的單燃燒室超大推力穩(wěn)定燃燒問(wèn)題,采用了獨(dú)特的四噴管結(jié)構(gòu)——四個(gè)燃燒室、四個(gè)噴管構(gòu)成一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。所以“能源”在起飛階段是4臺(tái)RD170+4臺(tái)RD0120,總共8臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī),依然遵守這一原則。
蘇聯(lián)時(shí)代的寶貴遺產(chǎn),能源號(hào)超級(jí)火箭。由于采用了構(gòu)型獨(dú)特的RD-170引擎,該火箭有著容易引人誤解的造型
那么,多發(fā)構(gòu)造的火箭,在任務(wù)過(guò)程中一旦出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)故障問(wèn)題,能有什么補(bǔ)救措施呢?這個(gè)問(wèn)題,可以通過(guò)設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留的冗余推力,加上補(bǔ)償性關(guān)機(jī)的辦法解決——當(dāng)某臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)故障不得不緊急關(guān)機(jī)時(shí),系統(tǒng)可按照預(yù)設(shè)好的推力平衡方案,補(bǔ)償性關(guān)閉其它對(duì)應(yīng)位置的發(fā)動(dòng)機(jī),以便維持推力平衡。由于火箭設(shè)計(jì)時(shí)均考慮預(yù)留冗余推力,所以一般來(lái)說(shuō)火箭仍可以正常飛行。所以從理論上來(lái)說(shuō),“重型獵鷹”在起飛階段有多達(dá)27臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)工作、起飛推重比1.49(普通的運(yùn)載火箭通常為1.25-1.35),看起來(lái)是可以輕松應(yīng)對(duì)這種麻煩的。
但是,這種樂(lè)觀的分析結(jié)果建立在故障發(fā)動(dòng)機(jī)緊急關(guān)機(jī)后、不會(huì)波及相鄰發(fā)動(dòng)機(jī)這個(gè)前提下,事實(shí)真的有這么美好?
液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為了追求高比沖、大推力、極高的推重比,所有零部件都是工作在極限狀態(tài)下,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障需要緊急關(guān)機(jī),就意味著出現(xiàn)了“原因不明的損傷”,特別是燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)/高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī),高速旋轉(zhuǎn)的渦輪泵等運(yùn)動(dòng)部件出現(xiàn)損壞的可能性很大。這個(gè)時(shí)候,最糟糕的結(jié)局,是零部件碎片擊穿了相鄰的發(fā)動(dòng)機(jī)……“轟”的一聲,一個(gè)超大號(hào)煙花就這么誕生了,大羅金仙也救不回來(lái)。當(dāng)然,在這種時(shí)候,采用富燃循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī),燃?xì)獾钠茐牧Ρ雀谎跹h(huán)弱,故障的發(fā)展也更加溫和,這可能給“重型獵鷹”火箭選擇27發(fā)并聯(lián)方案增加了些許底氣吧!
2014年10月20日,軌道科技公司(Orbital Sciences Corporation,OSC)研制的天蝎座火箭在攜帶天鵝座飛船發(fā)射起飛6秒后,即因引擎故障發(fā)生大爆炸。該公司是2008年,NASA搞的民間太空物流的兩大“試點(diǎn)”企業(yè)之一
然而,就是這么一種直線思維的堆砌產(chǎn)物,卻被SpaceX及其掌舵人馬斯克計(jì)劃用于和ULA爭(zhēng)奪最具利潤(rùn)的軍事發(fā)射項(xiàng)目。是不是很滑稽?是的,這確實(shí)有幾分胡鬧的色彩,但更多的是基于無(wú)奈。無(wú)奈在哪?用埃隆·馬斯克自己的話來(lái)說(shuō):引擎問(wèn)題已成為制約SpaceX火箭項(xiàng)目的核心矛盾。所以,公司方面在努力拓展業(yè)務(wù),占據(jù)市場(chǎng)的同時(shí),需要全力推進(jìn)其新一代液氧甲烷引擎項(xiàng)目。而該項(xiàng)目的成果——獵鷹引擎,暫時(shí)還不能投入使用【附錄02:液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目】。
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