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如何正确地“黑”SpaceX(三):马斯克为什么要吹“去火星”

2017-12-18 08:14:16

【文/观察者网专栏作者 查攸吟】

美国东部时间2016年4月8日16时43分(北京时间9日04时43分),SpaceX公司猎鹰9号火箭搭载着“龙”式飞船,从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地升空。在顺利将飞船送入轨道的同时,火箭的第一级也成功地在无人回收平台“of course i still love you”上实现了软着陆。

在此之前的2015年12月22日,SpaceX已成功实现了火箭第一级的陆上回收。故本次海上回收的成功,意味着该公司已经实现了自2012年启动火箭第一级垂直回收项以来,第一阶段的所有预订目标。

消息传来,引发了航天业界的激烈反响。其热情甚至向公众舆论界辐射,引发了一定规模的轰动效应。甚至无数此前从不关注航天的群体,也受其感染,开始加入到对SpaceX的一致褒美合唱之中。此刻,其俨然成为了人类航天的希望之星。

0埃隆·马斯克:不要6000万,甚至不要1500万……只要20万! 20万你发射不吃亏!20万你吃了亏也不吐血!20万就能放卫星打飞船!20万你买不了房!却可以体验一回航天梦!

然而在盛誉的背后,这一成功的意义是否真如埃隆·马斯克所言——将可以将发射成本降至600万美元?此外,借着这一成功,未来的低成本航天将走向何方?更为重要的是,该公司今年下半年即将进入关键节点的另一个关键项目“重型猎鹰”,其到底将引领这家美国航天界的明星公司走向何方?这些,想必是任何一个真正关心航天的人都非常有兴趣了解的。

下面,笔者将借助现有的资料与信息,抽丝剥茧为各位一一解读。

渐入佳境的猎鹰9号

根据上期的介绍,想必各位对SpaceX的运载火箭系统以及其引擎已经有了一个初步的了解。正如目前所了解的那样,猎鹰9号运载火箭是一款在大量结合低风险成熟技术的同时,大胆启用新材料、新工艺,最终实现较为优异性能且成本控制出色的“经济适用性”火箭。

猎鹰9号火箭首射任务章

2010年6月4日猎鹰9号火箭首射照片

2010年6月4日,首枚v1.0版猎鹰9号运载火箭携带龙式飞船的模拟舱,在卡纳维拉尔角空军基地发射升空,并成功进入近地轨道。SpaceX官方在当天的新闻中这样写道:今天SpaceX的首枚隼9火箭成功进入地球轨道。这不仅代表着SpaceX公司历史上这伟大的一天,也代表美国航天计划又迈出了重要的一步,由此我们正在向扩展人类在宇宙中存在这一终极目标稳步前进。同时,SpaceX官方还不忘感谢NASA、政府、商业用户们,以及美国空军和卡纳维拉尔角空军基地对其提供的卓越、持续的支持。

由于美国政府计划于2011年内退役剩余现存的“亚特兰蒂斯”号、“发现”号与“奋进”号等3架航天飞机。届时能够为国际空间站提供补给的仅剩下俄罗斯进步号货运飞船以及日本研制的,但还远不够成熟的空间站转运飞行器(HTV),所以龙式货运飞船项目则显得刻不容缓。

不过,SpaceX在经历过猎鹰1号运载火箭的不顺之后,已进入了相对稳定的发展阶段。随着v1.0版猎鹰9号的投入使用,龙式飞船项目也稳步推进中。当地时间2010年12月8日,第一艘龙式飞船顺利升空,在完成了环绕地球两圈的飞行任务后成功再入,起返回舱成功降落地降落在墨西哥海岸线外约500英里处。

“龙”式飞船返回舱着水打捞现场照片

在完成了首次飞行后,龙式项目沉寂了整整一年半。SpaceX需要在这段时间内苦练“内功”,针对从v1.0版猎鹰9和龙飞船原型上发现的问题,着手加以解决。而根据公司官方说法,自启动猎鹰1项目至猎鹰9首射成功,迄今公司在运载工具方面投入的研发成本大约在3.9亿美元规模。也就在此期间,SpaceX同时提出了引来无数目光的火箭垂直回收项目。

相较于之后的频繁任务,这段时间是一次漫长的空档。但SpaceX并未就此淡出人们的视野,因为大老板马斯克频频放话,把部分真实存在的项目借助非常噱头的方式包装后,加以宣传。

例如在2011年4月,SpaceX正式启动了其基于甲烷液氧燃料的猛禽引擎(Raptor)项目(详见下期介绍)。最初该项目仅由一支不满10人的小团队负责,以低优先级进行推进。但在当年晚些时候,马斯克在一次接受采访时发出豪言壮语,希望能够在10-20年内将人类送上火星表面。

2012年初,SpaceX方面明显加强了猛禽引擎研发团队的规模,其优先级显著提升。而与之相伴的各类宏伟构想也随之而来,包括采用猛禽引擎三体构造的,芯级直径10米,起飞级并联27台猛禽引擎的“火星殖民地运输器”(Mars Colonial Transporter,缩写MCT)等等。

而马斯克更是在当年年底表示,其在构想一个有数万定居者的火星殖民地,而首批殖民者将在本世纪20年代抵达。其本人更是在某次接受采访时表示,他将作为首位踏上火星的地球人,第一个把脚印留在这颗红色星球上……

v1.0版猎鹰9和v1.1版猎鹰9,与构想中的采用猛禽引擎的10米芯级重型火箭对比图

以“龙”式为母型设计的火星登录器着陆火星表面时的效果图。

这些扯淡和嘴炮既真又假。首先,SpaceX确实有研发甲烷\液氧发动机的计划。毕竟梅林1引擎已成为当前SpaceX进一步发展的一个比较显著的软肋。虽然暂时并非不可克服,但若有更强的引擎取而代之,公司方面当然乐意。然而包括10米芯级超级火箭、火星殖民地以及身为大老板首个踏足火星,若非胡扯淡也是暂时完全没影的事情,更何况即便马斯克本人发了疯,SpaceX的股东们也绝不会容许。

然而,借助这些花里胡哨的你说是畅想也可以,嘴炮也行的吹风,公司方面毕竟是渡过了这段漫长的空窗期,持续在公众和投资者的视野中闪亮着。

2012年5月22日,在因意外退出3天后,第一艘执行太空货运任务的龙式飞船,终于装载着总重525千克的食物、饮用水、衣物、电脑硬件以及设备,在卡纳维拉尔角空军基地40号工位,被猎鹰9号运载火箭以51.6°倾角发射升空。当天晚些时候,国际空间站的机械臂顺利捕捉了飞船,并实现了成功靠泊。任务获得了圆满成功。

首艘“龙”式飞船接驳国际空间站的照片

在最后的10月8日和11月1日,SpaceX又两次使用v1.0版猎鹰9火箭将龙式飞船送入轨道,为国际空间站运去给养。除10月8日发射行动的次要任务因火箭发动机未能再次点火而失败,未能将一枚美国卫星通讯公司研制一枚Orbcomm近地轨道通讯卫星送入轨道之外,国际空间站的货运任务亦圆满成功。

连续三次货运飞船发射任务的成功,一洗SpaceX当年在猎鹰1号项目上的颓气。使得其逐渐被业界和社会舆论所瞩目。但是,猎鹰9号的v1.0版毕竟只是一种过渡型火箭。其载荷不足以支持重型设备进入轨道。所以龙飞船在这三次“快递”任务中为国际空间站投送的给养,其实是非常有限的。好在新的v1.1版火箭已经完成,马斯克正急于将其投入使用,以便争取那些尚在摇摆的潜在客户倒向自己。

美国东部时间2013年3月1日15时10分,最后一枚v1.0版猎鹰9火箭执行了最新一期太空物流任务,托举“龙”式飞船升空。在此之后,v1.1版猎鹰9号将取而代之。

相比v1.0版进行了多项修改。其最大的升级,莫过于采用9台经过大幅度改进的梅林1D取代之前的1C型,同时改了发动机的布局,第一级起飞推力提高约16%。此外,v1.1在箭体设计上也进行了重大调整,减重措施彻底而且极端,干质比大幅度提高。

9月,加拿大太空局的CASSIOPE卫星也借助猎鹰9运载火箭升空,这也是v1.1版火箭的首次任务。这枚500公斤重的卫星被设计能执行多项任务。

首枚v1.1版猎鹰9火箭,于2013年9月27日在范登堡空军基地发射升空

随着新运载火箭的可靠性得到验证,在2013年的12月3日,SpaceX迎来了其自成立以来首次真正意义上的重要商业发射,同时也是首次同步转移轨道任务——发射SES-8同步轨道通讯卫星。

SES-8属于总部位于卢森堡的欧洲卫星公司,总重量3170千克。发射后,将定位于东经95°轨道上,共携带33路Ku波段转发器。这是截止2014年以前最重要的发射任务。该任务的成功也预示着SpaceX在国际卫星发射市场上,终于占据一席之地。

在整个2014年,SpaceX的猎鹰9型运载火箭完成了6次发射任务,GTO和LEO轨道任务各半。

其中1月6日将Thaicom公司的Thaicom6号卫星发射入轨。该卫星基于轨道科学公司的STAR-2平台研制,重3325千克,功率3.8千瓦。配备18路C波段和8路Ku波段转发器。8月5日和9月7日,则分别将亚星公司的亚星8号和亚星6号发射入轨。两颗通讯卫星均基于美国劳拉空间系统公司的LS-1300LL平台,分别重4535千克和4428千克。

在整个2014年,龙飞船也于4月18日和9月21日两度发射,为国际空间站送去补给。全年任务均获成功,证明v1.1版猎鹰9号已非常可靠。

2014年1月6日,SpaceX首次执行“高端”任务,将同步轨道通讯卫星Thaicom6送入地球同步轨道

纵观整个SpaceX的发展史,通过炒作各类高科技概念吸引眼球,借此吸引投资同时争取NASA为抗衡ULA的垄断而明里暗里对其“放水”,是维系其生死存亡的关键,更是推动其冲破重重阻碍磕磕绊绊前行至今的根本。

从最初猎鹰1号克服三连炸、撒骨灰等挫折,实现首枚由中小型私营企业主导的运载火箭的成功入轨,到通过画饼拿下NASA的太空物流合同并成功发射中型运载火箭猎鹰9号,推动货运飞船为国际空间站送去给养——其凝聚支持者、吸引支持者、引导支持者,最终大量非专业来自于各个社会层面的支持者,也推动SpaceX的影响力节节攀升。但这也注定了SpaceX若想继续扩张其影响力,就必须持之以恒地不断推进那些新奇到足够吸引支持者眼球,使其肾上腺素持续分泌的“兴奋”项目中去。

猎鹰9号和龙式飞船成功了,SpaceX和马斯克的声誉一时无二。而他若想更进一步,那么只靠吹殖民火星的牛皮是远远不够的。正确的方向只有一个,那即是可复用航天运载器项目。

可复用的航天运载器

关于航天运载器的复用,自苏联将人造地球卫星一号送入轨道以来,一直是航天界最伟大的畅想之一,却长期只存在于畅想之中。

航天发射耗费不赀的最主要原因,就是天地往返平台的“一次性”特性。整体结构脆弱犹如鸡蛋,且受制于现有技术和基础理论的冷酷无情,那些耗费巨额公帑建造起来巍峨壮观的运载火箭,其真正的有效载荷仅有顶端“针尖”那么大的一点——通常不超过全箭起飞总质量的2%。而其余的98%,除去燃料和氧化剂部分,或者将烧毁在大气层中,或者最后化为残骸坠地。。

1969年,美国国家航空航天局曾以无比的雄心壮志,勾勒出一种伟大的可复用载人航天器的蓝图。那便是著名的航天飞机。1981年4月12日,第一架航天飞机“哥伦比亚”号成功发射,与其驾驶者宇航员约翰·杨(John W·Young)和克里平(Robert L·Crippen)共同揭开了人类航天史上新的一页。

计划在STS-1任务中发射的航天飞机“哥伦比亚”号矗立在发射台上进行测试和演练。照片摄于1980年12月

航天飞机是一种飞机与火箭的奇妙结合体。以“哥伦比亚”号为例,其机体长约56米,翼展约24米,自重68吨。虽然名为“飞机”,但航天飞机其实无法像飞机一样水平起飞。在发射时,它需要被固定在一个巨大的燃料罐上,同时由两枚可复用的固体燃料火箭助“一臂之力”。在起飞阶段,它与火箭的组合体重约2040吨,起飞总推力达2800吨,自重68吨,能装运36吨重的货物。它的核心部分轨道器长37.2米,大体上与一架DC—9客机的大小相仿。最多可载8名宇航员,根据成员数量,在轨时间可达7至30天。轨道器可重复使用100次(设计目标,未达到)。航天飞机集火箭和飞机的多项技术特点于一身。其发射时和火箭一样垂直升空,在完成在轨任务再入大气层以后,又刻意像飞机那样滑翔着陆。其堪称上世纪人类航天诸尖端技术的化身。

然而航天飞机究其原始意图——可重复使用,进而降低航天发射成本来说,却是一个十足的灾难。因为这东西虽然实现了重复使用的设计初衷,但高昂的维护费用却导致了更高的使用成本。

究其原因,问题是多方面的。

首先,航天飞机的机身设计虽理论上可重复使用百次,但每每在再入大气层经历过高温和剧烈震动后,最终降落后都必须对机身进行逐寸的检查。其次,为了保障航天飞机能够安然渡过灼热的减速过程,其覆盖于机腹呈黑色部分的两万余片隔热瓦。这种特殊的绝热材料先进但却昂贵。

其次,航天飞机为了实现轨道器复用,入轨死重很大:起飞质量超过2000吨、入轨质量近百吨,是一枚不折不扣的超重型运载火箭,可是轨道器死重足足68吨,LEO运力只有30吨出头,“哥伦比亚”号事故后,为了提高安全性,LEO运力进一步下调、被限制在20余吨。

与机身的麻烦重重相比,反倒是被称为SSME(天天飞机主发动机)的RS-25液氧\液氢火箭发动机可靠稳定。其被设计可重复使用50次。

航天飞机发射阶段照片。图为助推器从主体分离时的影像记录

航天飞机被设计可在2000公里以下圆形轨道上工作,也可进行同步转移轨道飞行。但由于使用成本和远远高于预期的出勤周期,美方并未让其执行过后一种任务。成本加上使用周期的双重问题,导致其最终无法和原计划的那样淘汰运载火箭。最终,因为安全性(两次乘员组全灭的灾难性事故)和成本高昂等原因,在远远没有达到“复用100次”指标的情况下,提前退役。

通过航天飞机的悲催生涯,人们很容易就能看出问题的实质:想要实现航天运载器的重复使用,高速再入大气层的问题是最大的瓶颈。一旦运载器获得了足够的速度冲出了大气层,在以第一宇宙速度再入大气层的过程中,就必然要经历曾经让“哥伦比亚”号空中解体的高温、冲击和震动。另一方面,要尽量降低为了实现复用而付出的运力损失代价,否则,在经济上、复用是得不偿失的。

2003年2月1日,“哥伦比亚”号航天飞机于STS-107任务(航天飞机总第107次任务)中,由于机翼上隔热材料在起飞阶段遭意外损坏,于大气层再入阶段解体坠毁。机组人员全体殉难。图为解体后掠过苍穹的“哥伦比亚”号残骸

谈到这里,既然问题的核心已经明确了,那么究竟打算去怎么解决呢?SpaceX的答案是——不去解决,绕过问题!怎么绕过?不考虑航天运载器冲出大气层部分的回收问题,只回收速度较慢的第一级部分。

所以,我们最终的问题就是:怎么回收火箭的第一级?这种回收复用在经济上划算、可行么?

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查攸吟

查攸吟

航天观察者

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来源:观察者网 | 责任编辑:荀越
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