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如何正确地“黑”SpaceX(四):SpaceX的火箭回收之梦

2017-12-22 07:46:47

【文/观察者网专栏作者 查攸吟】

早在上世纪80年代末,苏联就曾设想过多重可复用的火箭系统。其中最令人印象深刻的,是以“能源”号超级火箭为母型研制的ГК-175可回收式重型运载火箭。其最大的特征,在于配备了可独立飞行滑翔降落的助推器组件。在火箭发射以后,全部助推器将在空中展开机翼,以滑翔的方式着陆返厂。


ГК-175可回收式重型运载火箭畅想。其主体部分接近一架无人航天飞机,而助推器则各自独立具备机翼构造

上述手段科幻且炫酷,但存在着相当大的技术风险。而相对简单的,则是自上级70年代末起就开始构想的可部分回收火箭系统。在上述构想中,火箭只有发动机部分是需可回收的。在完成任务后,火箭的发动机部分从箭体上分离、气动减速,并在下降到一定高度后展开降落伞。这时,将会有一架安装了天钩回收系统的飞机从其上方略过,钩住降落伞将其收回。整个回收过程很类似飞船返回舱【注释:在SpaceX咄咄逼人的攻势下,ULA考虑采用这个方案,实现下一代运载火箭的部分回收复用】。

那么SpaceX的回收将采用哪一种方式呢?都不考虑。

类似于ГК-175滑翔回收方式,存在系统复杂且的风险。而天钩模式虽然较为可靠,但也需要一套独立的分离、开伞系统。且部分回收复用的方案,根本不可能兑现埃龙·马斯克的“发射成本降低90%”的豪言壮语。

故而马斯克和他的团队要独辟蹊径:既然火箭可以站着起飞,那么就要站着回到地上。在猎鹰9号火箭的一子级完成任务后,它将进入动力减速/回收弹道,打开一子级上部的栅格气动控制翼面,调整姿态、尾部向前,断续启动一台或者多台发动机减速。或调头返航、返回发射场,或沿溅落弹道的方向、飞向预设的回收场地(从卡纳维拉尔角发射场起飞的时候,回收场地是海上的大型驳船)。在抵达着陆区后,发动机再次启动、把一子级的降到很低的速度,打开着陆支架、对准着陆靶标,缓慢着陆。

SpaceX回收过程示意图

这是一个炫酷无比的项目,而一切都将从一枚名为“蚱蜢”的火箭试验器开始。

蚱蜢“火箭”矗立于测试场内

蚱蜢项目始于2011年末。其大致模拟猎鹰9型运载火箭第一级的尺寸、整合以梅林1C引擎,并安装有一套固定式的轻合金支撑脚组建。自2012年9月21日起,至2013年10月7日,蚱蜢共进行了8次发射试验。滞空时间从3秒逐渐增加至79秒,飞行高度从1.8米延伸至744米。该项目旨在研究不同环境和气流下,火箭的垂直姿态控制。

在蚱蜢项目取得第一阶段成功以后,项目即进入到F9R Dev1飞行测试阶段。

所谓的“F9R Dev1”,即Falcon 9 Reusable Development Vehicle(猎鹰9号运载火箭可复用发展飞行器)之意。基本上模仿v1.1版猎鹰9号的第一级,采用相同的箭体和燃料与新一代梅林1D引擎,安装了可收放式的着陆支撑架,并在箭体顶部安装4片可控气动格栅用于姿态调整。

较之蚱蜢,更为接近猎鹰9号第一级实体的F9R Dev1。除安装引擎数量外,其大致和实体别无二致

从2014年4月17日到8月22日,F9R Dev1共进行了5次飞行试验。飞行高度最大达到1000米。试验型全面测试了可收放式支撑腿的动作机构,并对减速下降阶段用来进行姿态控制的气动格栅的控制效率进行了评估。不过,在第五次试验时,F9R Dev1意外爆炸损毁。

SpaceX原本计划制造F9R Dev2进一步进行测试评估。不过该项目最后被放弃。而整个测试飞行阶段,也就到此为止。下面是将这个回收系统安装上猎鹰9号火箭,计划利用每次发射任务来进行实箭测试。

垂直回收之路

从2015年开始,SpaceX开始使用实际执行任务的火箭,来继续推进其第一级火箭回收项目。从此之后,4支可展开的机械支撑腿以及第一级顶部可张开的气动格栅,成为了猎鹰9号火箭的标配。

与之前蚱蜢火箭与F9R Dev1上的测试相比,这是货真价实的实际运用环境。然而项目推进到这一步后,似乎又重走了最初猎鹰1号屡射屡炸的老路了。下面让我们看看下面这堆试验记录。

2015年1月10日,回收项目首次实箭测试。当天,在完成了CRS-5第一阶段飞行任务后,火箭的第一级火箭顺利与上面级分离,并按照程序设定落向大西洋上一艘由驳船改装的着陆平台。虽然准确地“命中目标”,但由于下降速度过快,导致火箭变身反舰弹道导弹,在甲板上猛烈发生爆炸。

一个月后的2月12日,又一枚v1.1版猎鹰9号,在完成为美国国家海洋和大气管理局发射深空气候观测站(DSCOVER)卫星发射的任务后,于回收测试中折戟——由于当日海上风浪突变,驳船被迫撤回。这一次,火箭第一级虽然在海面上成功实现了减速,但无处可落最终也只能栽在大西洋里。

又过了2个月,4月14日,SpaceX履约执行CRS-6发射任务。这一次,最新的一枚猎鹰9号火箭将携带Flock 1e皮星群升空(26颗)。这一次,一级火箭成功和着陆驳船实现了交汇,并顺利进行了减速,但由于箭体触及甲板时横向速度过大,未能立足于其上。在箭体倾覆后,再度上演了爆炸起火的戏码。

CRS-6任务中,下降中的猎鹰9第一级部分。从图中可见,其支撑架正在张开,姿势也基本调整为垂直状态。不过很遗憾的是,这一次依然不成功

倾覆中的第一级火箭,即将化为烈焰

2015年6月28日,SpaceX借用新一期发射“龙”式飞船的机会,再战垂直回收挑战。不过这一次火箭却在第一级分离之前,于高空爆炸解体。

2015年6月28日,搭载龙式飞船从卡纳维拉尔角空军基地升空的猎鹰9号火箭,在起飞不久后发生大爆炸,船箭尽毁

连续意外和着陆失利,令公司以及其支持者方面感到沮丧。可既然定下了上述任务的方针,又岂能轻言放弃。

2015年12月22日,SpaceX公司再战火箭回收项目。但和之前有所不同的是,鉴于本次发射的轨道通讯公司新一代低轨道通讯卫星群组总质量较小(11枚立方星合计1892千克重),火箭剩余运能充沛,可以预留足够的燃料、选择风险较小的返场回收弹道。

轨道通讯公司新一代低轨道通讯卫星群组。照片拍摄时,全部11枚立方星均已固定于卫星分配器上了

本次发射的载荷,11枚轨道通讯公司新一代低轨道通讯卫星

空置状态的卫星分配器

此外,为提高成功率,这一次将着陆点由海上的回收式自航平台,调整为原地返场着陆,降低任务难度以谋求突破。更为重要的是,本次用于执行回收测试的,是猎鹰9号系列中最新的“全推力”版(Falcon 9 full thrust,即FT型)。与v1.1版相比,其全箭长度更是延长到了骇人听闻的70米,长径比超过了19【注释:此前的v1.1版虽号称超过19,但实际是高于18】,质量则增加到了549.054吨,比505.846吨的v1.1版重了大约8%。此外,既然名曰“full thrust”,其引擎在梅林1D上进行了调整和优化,成为实际上的梅林1D+。故其起飞推力号称可达7607千牛,比v1.1版多了大约20%。

在发射前,整个团队认真检讨了之前所犯过的错误并考虑对策,然后认真检查了火箭的每个环节,对尚不妥善的引擎和火箭的分离系统进行了修改,甚至专门调整了燃料的配比。

而本次发射任务也少见的一波三折,被多次推迟。最终,在当地时间2015年12月21日20时29分,于卡纳尔拉尔角发射升空。

首枚猎鹰9FT火箭的第一级,在发射数分钟后完成任务,顺利地与上面级分离。随后其按照程序开始调姿转向,向着卡纳维拉尔角上空返航。当晚20点38分,在SpaceX全体员工以及全球数十万支持者的期盼中,火箭的第一级成功在发射场边的着陆区实现了自主式垂直降落降落。在当天的直播视频中,笔者听到了如同海啸般的持久的欢呼声。

美国东部时间2015年12月21日晚上20点38分,首枚最大推力版猎鹰9火箭的第一级,在完成了任务后成功返航发射场,并最终凭借自身动力实现了垂直降落

延时摄影展示的轨迹——在2015年12月21日晚上的任务中,起飞和降落时,火箭划出了两条轨迹,呈现出了SpaceX公司名称中那个被大写的“X”

实现第一级的返场垂直回收,只是SpaceX整个复用式航天器计划的1/3任务。究其原因,是因为该方式代价过大。事实上,国内航天业界此前已就可复用回收火箭系统的可行性和经济性有过系统的分析。由于SpaceX至今不未公布其火箭与回收系统的明确技术参数,相关报告只能搜集现有的猎鹰9以及其回收系统的概略数据,进行量化分析:

报告认为,以目前的猎鹰9要实现一子级垂直返场(类似2015年12月23日实现的返场回收模式),需要预留15.29%~17.11%的推进剂量。折算下来,其运载能力损失在52.6%~56.76%之间。相较而言,若其一子级不返回原场回收,而是选择在海上的回收平台回收,则仅需要预留6.82%的推进剂量。折算其运载能力损失为28.9%。

故,相对于大返场模式的运力直接打6折,海上着陆自然具有较明显的优势,其不足30%的运力损失尚在能够接受的范围内。总之,无论如何,12月21日的成功终究是激励了团队,也使全世界的支持者在领教了近一年的不断失望后,复又信心百倍。

2016年1月17日,最后一枚v1.1版猎鹰9号火箭,搭载着Jason-3海洋观察卫星,从加利福尼亚州范登堡空军基地发射升空。然而在火箭的回收过程中,第一级虽经较为成功的减速在着陆平台上实现软着陆,但一根着陆支架未能实现锁定,最终导致箭体倾覆爆炸。

就在这次失败的一个半月以后的3月4日,SpaceX公司迎来其自创建以来的最重要一次“考试”——SES-9任务。

SES-9是一枚同步轨道通讯卫星,其属于总部位于卢森堡的欧洲卫星公司。该卫星基于波音公司702HP平台,额定功率12.7kw、搭载多达57个高能Ku转发器,计划定点于108.2°E位置地球同步轨道。最为关键的是,该卫星重达5271千克,是迄今为止SpaceX接到的GTO发射合同中最重、也是最为贵重的一单。如果这一单顺利入轨,则意味公司从此获得了在航天发射市场内的正式会员资格。反之,马斯克很可能将会把此前辛苦数年换来的一切统统赔进去。所以,只要发射成功,即可万事大吉。

迄今为止SpaceX发射过的最昂贵太空资产,SES公司9号通讯卫星

而该任务的难处,在于其接近了现有猎鹰9FT的运力极限。为了最大限度压榨F9FT的潜力、提高运力,这次发射任务首次采用了燃料深冷加注技术,把液氧的温度降低到沸点以下几十度,因为液氧密度增大、可以多加注一些燃料。

发射计划原本定在2月末,但连续4次或因为天候、系统自检问题以及船舶误入降落区等缘故而推迟。特别是2月28日,火箭由于等待误入降落区的船只离开而延期35分钟发射。因等待过久,导致之后点火时箭体内液氧贮箱温度升高产生气泡,继而引发推力不足问题。检测到故障的火箭控制系统紧急终止了发射程序。所幸星箭平安,未酿成大祸。

3月2日,“罚站”近一周的火箭被从发射台卸下,送入就近的车间进行应急维护。尽管存在相当大的风险,但SpaceX已是骑虎难下。因为再拖下去,发射合同将面临延期违约的风险。而一再的意外,也可能重挫支持者乃至投资人的信心。故马斯克拍版,3月4日必须发射。有条件就射,没有条件也要创造条件射!

在马斯克的职业生涯中,这类近似赌博的情况已经有过多次。最近的一次,莫过于2008年凶险的8月。当时,SpaceX和特斯拉均耗尽了现金,距离破产仅一步之遥。好在NASA成为了猴子请来的救兵,及时投下了十几亿的合同。而这一次,他又博对了!

美国东部时间2016年3月4日夜里23点35分,搭载着SES-9的猎鹰9FT型火箭在卡纳维拉尔角发射场40号工位腾空而起。本次发射异常顺利,一扫此前3次推迟的颓唐之气。火箭起飞约4分钟后,第一级完成任务,在分离后调整姿态准备降落。而上面级则携带者珍贵的SES-9卫星继续向着地球同步转移轨道爬升。

2016年3月4日子夜23点35分,猎鹰9FT携带SES-9成功起飞。尽管该任务一波三折,但最终并未以悲剧收场。这着实是对马斯克以及其团队近十年来努力最好的奖赏

这一次的回收试验充分汲取了之前的教训,加之当天天气条件非常良好,所以箭台交汇非常成功。在校准位置后,火箭开始启动发动机截流功能缓缓向着平台落下。首次成功实现海上平台降落在此一举!

突然,引擎似乎出现了熄火的迹象!正稳定下降的火箭第一级立刻失去动力,从数百米高度上笔直落下,重重砸在了着陆平台上。

到港后的回收平台。可见火箭从高空坠下产生的巨大撞击力,将被专门加固过的甲板也击穿了

从次日平台返港的照片中,我们可以看到平台上遍布火箭第一级残骸,火箭第一级的状态堪称“粉碎”。而着陆平台的一角,也被坠落的火箭第一级砸出了个大洞。此情此景,令平台上涂着的“of course i still love you”显得异常讽刺。

但与前几次的失败相比,本次在平台上留下的烧灼痕迹异常之少。这也就直接说明了第一级之会在4日午夜的降落试验中出现突发动力丧失进而坠落的问题,根本原因在于本次任务已经逼近F9FT的运力极限,预留的燃料不足,动力减速过程非常勉强(相关分析详见下期内容)。

SpaceX拿到了世界航天发射市场的正式入场券,成为了“列强”之一。无论ULA有多强大,都无法再从市场角度对其加以遏制。然而这次胜利终究并不完美,因为海上回收亦然未能成功。好在,胜利的曙光已经浮现在了天际。

结尾部分

美国东部时间2016年4月8日16时43分,在完成了将“龙”式宇宙飞船送入国际空间站轨道的任务后,历经千辛万苦,克服了难以想象的挫折和困难,猎鹰9FT火箭的第一级,终于稳稳地降落到海上无人回收平台。Of course. I still love you!

矗立于无人回收平台上的火箭第一级——Of course. I still love you!

自2011年末开始,历时达4年半之久的SpaceX公司可复用航天运载器计划终于功德圆满,

欢呼和祝贺的声音,正跨越行业的藩篱,冲破国界的阻碍,从四面八方涌来。而SpaceX最大的对手,那个曾经在美国国内呼风唤雨,完全垄断着市场的联合发射联盟,正在经历着莫大的苦难——自乌克兰危机爆发以来,俄罗斯切断了RD-180引擎的供应。而这就意味着ULA最重要的中型运载火箭宇宙神系列,即将面临停摆。整个公司的航天发射业务将会暂时瘫痪……

所有的好牌都已落到手中。此时此刻,埃隆·马斯克似乎站在了他人生新的高点之上。

那么,廉价航天的时代是否就此开始?而SpaceX在此之后,又有何雄心壮志是否能够改写历史?而见证了这家企业的种种之后,中国航天又能从中借鉴到什么?

这些,我们将在本文的后续部分,进行深入的剖析和阐述。

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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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