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如何正确地“黑”SpaceX(二):从猎鹰1号到猎鹰9号

2017-12-16 15:13:28

【文/观察者网专栏作者 查攸吟】

众所周知的是,SpaceX在运营早期颇为不顺。

猎鹰1号运载火箭从2005年下半年到2008年8月,曾经有过连续3次失败的记录。尤其是在2008年8月2日进行的第三次发射,由于发射后异常振动导致的分离故障,将分属美国国防部和NASA的3枚立方星,以及208名在生前希望死后遗骸能进入太空的顾客的骨灰统统烧毁在了同温层内。其中包括曾经出演著名科幻电视剧《星际迷航》的美国已故演员詹姆斯·杜汉和阿波罗7号飞船的宇航员戈登·库珀。

位于夸贾林群岛的临时发射场内准备试射的猎鹰1号火箭

不过,随着梅林1C发动机投入使用,原本折磨SpaceX的发动机烧穿问题得以解决。2008年9月28日,SpaceX使用一枚第一级改用猎鹰1C引擎的猎鹰1号运载火箭,在夸贾林环礁发射基地,将一块165千克的配重成功送上进入近地轨道。

在创下了“三连炸”劣迹并撒掉了208人的骨灰后,猎鹰1号火箭终于实现了成功入轨。图为粉丝绘制的2008年9月28日首次入轨景象的CG。虽然喜悦的心情可以理解,但是本图还是有个明显错误的——因为从火箭上能看到这番景象的时候,第一级肯定已经早已被分离了

从2002年6月成立以来,尽管SpaceX的道路看似坎坷异常,但仅仅3个月后,“奇迹”就将发生。同年12月23日,NASA宣布将第一批总值36亿美元的国际空间站货运合同,分配给了SpaceX和轨道科学公司(Orbital Sciences Corporation,简称OSC),当时距离SpaceX的首次开始火箭发射只有2年时间,距离第一次成功将载荷送入轨道还不到3个月。该合同立即倍增了SpaceX的发言权和市场地位,使这家本来在业界只见嘴炮和笑话的企业,摇身一变成了可能有机会挑战波音和洛克希德马丁合资成立的联合发射联盟(United Launch Alliance,简称ULA)市场地位的潜在竞争对手。因为就在过去的10年里,后者一直主导着美国的军、民航天用发射市场,获取滚滚利润。也使得总是被砍预算的NASA苦不堪言。而这,正是SpaceX的老大马斯克所一直期望和努力所追求的目标。

站在SpaceX车间内的艾隆·马斯克。身边的零件,应该属于一艘龙式飞船

SpaceX之所以能够揽下NASA的太空物流合同(分到了大约16亿美元的单子),只靠200公里近地轨道载荷670千克的猎鹰1号火箭,那纯属痴人说梦。事实上,SpaceX计划用于投送货运飞船的载具,是当时尚在纸面上的中型运载火箭猎鹰9号【注释:此外,包括用来运送货物的龙式飞船,当时也同样只有模型和设计图。只靠图纸和方案就能揽到十几亿的合同,这黑箱操作的能耐作者也是醉了】。近地轨道运载能力至少10000千克,并能将超过4000千克的载荷送入同步转移轨道——这就是SpaceX为NASA画的饼,而NASA居然认了……

基本任务载荷,决定了猎鹰9号必须是一种中型运载火箭。而从梅林1A到梅林1C,尽管SpaceX在火箭发动机领域取得了可喜的进步,但以梅林1C那海平面550千牛的推力,根本是没能独立撑起这个运力要求的。怎么办?多堆几个引擎嘛。那么堆几个呢?9个!

正在工厂内建造的猎鹰9号。照片摄于2008年

根据设计,猎鹰9号是一种两级运载火箭。其1.0版本有157英尺高(47.8米),芯级直径12英尺(3.65米),通常搭载状态起飞质量为333.4吨。它的第一级将要并联9台梅林引擎,起飞推力则是4940千牛(1.0版本)。而上面级发动机也不再是小巧的红隼,将换用专门优化了真空性能的梅林引擎。看起来很不错,不是么?实际上,想要制造一枚运载火箭,有了可靠的火箭发动机意味着成功的一半,但也只是一半。因为,梅林1引擎的单台推力太弱了。而若想并联9台引擎同时工作,那么势必要面对可靠性的问题。此外,如何在箭体强度与重量上取得平衡点也是个巨大的问题。

此外,对于SpaceX来说,成本是这家企业的生命。因为自公司成立起,“低成本”就是其主打特色。也正是因为指着这家的“低成本”,NASA才敢于搞出上述之大不韪。那么,既然引擎已经基本实现了低成本化,除了尽可能挖掘性能外,控制成本是另一个核心问题。

艾隆·马斯克控制成本的主要手段,无非有二。

首先,大量采用常规商用、工业类电子元器件。相比较价格昂贵换代慢的宇航级器件,这样不仅有效降低了成本,而且器件采用的技术也更先进、性能指标更好。以CPU为例,宇航级产品虽然寿命高,并且能在极端环境下长期工作,但在工作频率等指标上通常会比商业、工业级产品至少落后两代。而火箭毕竟不是卫星、不是深空探测器,它的工作寿命以分钟计,而非以月、以年计。商业、工业级元器件只要经过严格测试,辅以有针对性的辐射防护,完全可以在火箭上使用。

位于加利福尼亚州霍桑工厂的SpaceX员工合影

其次,在研发/生产管理上,互联网行业投资人出身的埃隆·马斯克把该行业的管理体制和组织架构引入SpaceX,采用扁平化管理模式。公司内部没有通常意义上的部门划分,甚至没有组织机构图,各领域的员工平等地参与技术研讨、设计和开发等工作,研发与生产的联系更为紧密,抛弃了不必要的繁文缛节和复杂低效的冗长管理流程。该公司的粉丝群内曾流传这样一个似是而非的段子,尽管真实的可能性极低,但也可以看出在粉丝们心目中SpaceX的管理风格(以及大多数SpaceX“粉丝”的素质):

猎鹰9研发工作的早期,某次发射前,经过计算和分析、上面级发动机的喷管需要调整面积比。如果是传统的航天系统作风,这个调整从请示报告再到层层批复、直到最终实施,最快也要一个星期。但SpaceX不走这个套路,现场的技术负责人当场拍板,工程师马上拿着工具就去把喷管剪掉一截,前后统共几个小时,搞定。

SpaceX公司麦格雷戈发动机试验室工作照片,摄于2012年9月

扁平管理,避免繁文缛节这是优点。但如同这个段子里描述的景象,已经不是在制造火箭了。实际上,就算是一个生产二踢脚的车间,技术人员敢这么胡来,下场多半也是血的代价。所以段子也只是段子,可偏偏有许多人却信,而且广为传播。

得益于扁平化管理、互联网基因,加之NASA全力支持,提供了大量设备、设施和智力支援,SpaceX长期保持着研发、生产团队的精干高效,公司曾经多年维持在数百人规模,2012年才扩张到千人,在有效控制人力成本的同时、保证了研发工作的高效率,“猎鹰9”火箭从方案论证到首飞,仅用了四年半时间。

根据推算火箭入轨速度的齐奥尔科夫斯基公式:火箭最终速度 = 发动机喷出推进工质(比冲) × ln(火箭总质量/火箭末质量)。决定火箭的最终速度的参数中,比冲数值的好坏由发动机的性质所决定。根据物理常识,一种燃料燃烧后产生的热量越高,则其比冲就越大。也因为这个原因,煤油发动机虽然拥有使用成本低、安全性好、无毒无害等优点,但是其能量密度远不及液氢,故煤油发动机比冲性能远无法与氢氧发动机相比拟。煤油引擎的真空理论极限值比不会超过390s,实际可实现的应当不超过350s。

既然梅林1即便发展到D型也只是个半吊子货,再加上煤油发动机的先天不足问题,那么想要提高火箭的性能,剩下的唯一选择就唯有提高箭体的干质比。换而言之,就是在保证必要的强度前提下,尽可能多地减轻箭体自重。

最终,我们看到的Falcon 9(猎鹰9)就成了这样一支在减重上达到了全世界第一的“怪物”——全箭贮箱广泛使用加拿大铝业公司【注释:该公司于2008年与力拓公司合并,组成新的力拓加铝公司,但对外仍以“加铝”的老招牌名义进行经营活动】研制的Airware2198-T8铝锂合金制造,并采用了大胆的半气球贮箱设计、氧化剂燃料槽共底设计,整流罩和级间段则使用碳碳复合材料制造。

2010年12月8日,SpaceX公司的猎鹰9号火箭携带龙饲飞船,成功地进行了首次演示飞行

此外,在具体的细节结构减重设计方面,SpaceX的一些措施堪称“极端”。例如,“猎鹰9”1.1版的级间段把分离机构从1.0版的9个减到了前所未有的3个。而且,在验证了Airware2198-T8铝锂合金的可靠性后,更是进一步把箭体的长径比放大到19。注意,这一长径比设计可谓惊世骇俗。根据中国航天系统多年积累的经验,增大长径比有利于降低火箭的飞行阻力、减轻箭体重量,但是同时造成箭体纵向刚度不足、容易发生震颤、进而降低火箭的可靠性,所以长径需要以15为限制——火箭纵向刚度不足带来的后果可能是灾难性的,要知道当初“东风2”导弹首飞试验时,就是因为纵向刚度不足、箭体发生震颤导致发射失败,可谓有着“血的教训”。此外,减重的焦点也不仅仅集中在箭体上。梅林1系列引擎发展到D型时,引擎重量已得到了彻底的精简,推重比超过150,几乎已是极限。

所以,我们可以毫不夸张第说,无论从哪方面看,当猎鹰9号发展到了目前最新的最大推力版本(猎鹰9FT)的时候,SpaceX基本已经榨干了现有材料的潜力、颠覆了一系列火箭设计的经验公式,甚至带着一副“人有多大胆,地有多高产”的混劲来进行“赌博”式的尝试。

不过他们确实博对了,而由此带来的好处也很明显,FT版的猎鹰9号甚至做到了超过25的干质比(与之对比,我国最新的长征7号尚不足13,还有很大的潜力可以挖掘),箭体减重做到了极致。即便是有着梅林1D这个拖累,这枚火箭亦然具有较好的性能。

至此,有一个显而易见的结论已经跃然纸上:在经历过猎鹰1号时代的磕磕绊绊之后,SpaceX的新一代猎鹰9号火箭,是一款使用货架产品结合成熟技术,并在合理范围内大胆运用新材料、新工艺,性能较好、成本控制非常成功的“经济适用性”火箭。

猎鹰9最大推力版本——基本已将现有箭体和发动机的潜力挖掘殆尽

然而SpaceX在整个2015年内最吸引眼球的地方,并不是猎鹰9的技术成熟与价格低廉。而是自其v1.1版本投入使用后,持续推进的关于火箭第一子级垂直回收的试验。

v1.1版猎鹰9号,开始在火箭第一子级的底部安装有四个可展开的支架,在顶端安装有气动格栅控制面。在于上面级分离后采用剩余燃料与回收平台汇合(或者返回发射场上空),并垂直降落的姿态进行降落,以期实现第一级的整体回收。

自从第一级回收项目从2012年正式公布以来,埃隆·马斯克频频放话,声称要凭借这个技术实现航天发射的“白菜化”——把单位质量发射成本降低1/20,震惊世界。对此,外界褒贬不一,心悦诚服、深信不疑者有之,半信半疑、谨慎观望者有之,更有人嗤之以鼻、认为这纯属嘴炮牛皮……那么,猎鹰9号真的能兑现埃隆·马斯克的豪言,颠覆国际航天发射市场的格局么?

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查攸吟

查攸吟

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来源:观察者网 | 责任编辑:荀越
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