观察者网

如何正确地“黑”SpaceX(五):回收不能复用和引擎不给力的重猎鹰

2018-01-03 08:02:34

【文/观察者网专栏作者 查攸吟】

美国东部时间6月12日1时51分,发射任务NROL-37正式启动。隶属于联合发射联盟的德尔塔4H重型火箭,于卡纳维拉尔角空军基地37B工位发射。发射任务进行的一帆风顺,火箭携带的的先进猎户座同步轨道电子侦查卫星于当天早晨7时30分顺利进入了预订轨道。

目前世界上最先进,也是最可靠的重型火箭——ULA的德尔塔4型。图为2016年6月12日,该火箭执行NROL-37任务,发射先进猎户座同步轨道电子侦察卫星时,起飞瞬间的留影

笔者并不清楚埃隆·马斯克关注该任务之时有何表态。但几乎可以肯定的是,其中必然掺杂着各种羡慕与嫉妒。美国军方发射任务——这是马斯克与他的SpaceX所追求的最终目标——暂时可望但不可及,却是最终代表着滚滚利润的终极目标。

然而现在于SpaceX的餐盘内,起码还是有一点安慰的。就在2016年4月27日,美国军方授予SpaceX一份价值8270万美元的发射合同,要求其在2018年将第二枚GPS Block IIIA导航卫星送入轨道。

军队从来都是美国太空发射承包商们的最爱。与这份合同相比,马斯克此前能吃到的所有单子廉价到仿佛是用来打发叫花子。然而,该发射合同与ULA刚刚完成的NROL-37任务相比,也同样不值一提——尽管ULA和军方都没有公布过合同细节,特别是报价问题。然而根据以往惯例,该任务的报价将不会低于3.5亿美元……

镜花水月回收梦

对于SpaceX而言,2016年4月8日的成功是具有历史意义的。然而,向外界证明自己可以稳定地实现控制回收任务,也是非常有必要的,但是SpaceX接下来所要面对的任务却并不轻松。

2016年5月6日,非常重要且具有特殊性的JCSAT-14任务启动,SpaceX研发的火箭第一级回收系统即将迎来真正的“大考”。

同步轨道通讯卫星JCSAT-14属于SKY Perfect JSAT公司的太空资产。该公司是日本最大的卫星营运商,也是日本目前唯一同时营运多条收费电视频道和提供卫星通讯服务的公司。JCSAT-14卫星由美国劳拉空间系统公司制造,重约4.7吨,搭载有26个C段转发器和18个KU 转发器。入轨后,卫星计划将定位于154°E的地球同步轨道上,以取代已运转可12年之久的JCSAT-2A卫星。

对SpaceX公司猎鹰9号火箭以及其回收装置的一次真正考验——劳拉空间系统公司技术水准的体现,JCSAT-14卫星。由于设计需要,猎鹰9搭载该卫星执行任务时,必须教原本设计飞行更多的时间,爬升至更高的高度。这也就使得火箭第一级在回收阶段面临更为严峻的减速考验

本次任务的难点在于,规模和尺寸并不算小的JCSAT-14、在设计中却没有考虑携带大量的燃料,导致该卫星缺乏足够的轨道机动能力,必须更多地借助火箭的运力来提升轨道。对执行发射任务的猎鹰9FT型火箭而言,也就意味着无论一子级还是上面级,都需要比通常的任务飞得更高、更快。对于上面级而言这不是什么大问题,但就需要回收的一子级来说,这可不是个好消息。

通常来说,执行同步转移轨道任务的猎鹰9FT一子级在与上面级分离那一刻,其速度将达到每小时6400千米、差不多是6倍音速。而这一次,一子级将继续爬升轨道、直到每小时8300千米的速度。由于额外的工作时间要消耗更多的燃料,故留给回收减速使用的燃料,较之3月4日搞砸的SES-9任务仅是略有增加。本次任务成功的前提,是飞行的全过程必须确保精确和精准。

5月6日早晨5点21分,在SpaceX的老“地盘”,卡纳维拉尔角发射基地40号工位上,搭载着JCSAT-14的猎鹰9FT顺利起飞。担忧中的危险并未出现,从卫星发射到一子级回收、整个过程无惊无险,接近6点的时候,火箭的一子级已经稳稳落在大西洋海域的回收平台上。

这也是SpaceX推进垂直回收计划以来取得的第三次成功,事实有力地证明了,现有的垂直回收手段已基本成熟。随之而来的,是其支持者的欢呼雀跃,以及对计划于6月进行的、被回收的一子级执行首次复用任务的无比期待。

JCSAT-14任务中,火箭第二级与卫星分离瞬间

第一级回收部分落在海上回收平台上的那一刻

不过,这可能么?

美国东部时间5月16日早晨7点08分,埃隆·马斯克一则推文,给SpaceX的全体支持者浇下一瓢凉水——最近(回收)的火箭遭受了严重损伤,这主要源于非常高的再入速度(导致了什么结果未表述)。它将被用于地面测试以证实其它一切都正常,计划于6月份进行的,采用回收的一子级进行的发射任务被取消了。

5月28日上午,在完成了前一天泰星8号的发射任务后,SpaceX公布了由火箭一子级所搭载的摄像头拍摄的全程录像,其清晰地显示了火箭在动力减速过程中,仍然遭遇到热障挑战的事实。换句话说,马斯克最初认为火箭一子级因为飞行高度低、没有脱离大气层,所以在动力减速回收的阶段不会遭到严重的热障,这个想法过于一厢情愿了。

尽管凭借火箭引擎进行的动力减速可以在相当程度上缓解这个问题,从而避免减重减到极致、结构堪称脆弱的箭体在返回弹道上崩溃解体。但是,猎鹰9火箭大量使用的2195铝锂合金的退火温度仅有200℃,纵然完整降落,经历过高温烘烤、事实上已经局部退火的壳体,除了“卖废品”、又能派上啥用处呢?SpaceX公布了一些被回收的一子级的细节照片,照片显示箭体出现了肉眼可见的损坏,其中特别值得关注的是箭体上部的格栅翼。虽然这个构件离发动机最远、结构上也是经过强化的,依然被熏黑了、格栅出现明显的破损。格栅翼尚且如此,箭体的其它部分又会如何?

另一方面,火箭的着陆平台和起飞工位不一样,没有导焰槽、也没有喷水降温系统,最后着陆阶段、发动机的高温高速喷流在着陆平台甲板上形成反冲,也会给箭体、特别是发动机舱段造成严重损伤。同样是根据SpaceX公布的细节照片,箭体下部的发动机舱段像是经历了一场可怕的火灾,这部分结构、包括发动机本身的状态,实在不容乐观。

今年5月初,停放在机库内的,当时成功回收的3枚猎鹰9FT第一级火箭,

JCSAT-14任务回收第一级转运过程中拍摄的箭体细节照片。

我们可以从细节上看到这枚火箭已经在诸多方面遭到了严重的破坏,根本不可能具备复用价值。而其他两枚的状况,又能好多少呢?

实际上,SpaceX公司方面是对此有足够心理准备的。

2015年10月,在于耶路撒冷召开的第66届国际宇航大会(IAC)上,中国运载火箭技术研究院研发中心可回收火箭团队负责人申麟曾经问过与会的SpaceX公司发射业务的副总裁一个问题:“Space X公司成功回收火箭后,要花多大的成本来实现重复使用?”

彼时,距离SpaceX公司首次实现猎鹰9号火箭第一级的垂直回收,还有近2个多月的时间。而在那时候,这位高管也并没有正面回答申麟的问题。她说了一段模棱两可、绝对正确、却毫无意义的套话:“Space X公司会在可靠性、安全性、成本、技术难度、运载能力等方面进行平衡,综合考虑。”

而就在更早些的时候,该公司负责发射任务的副总裁曾经明确答复媒体:回收系统将能使每次发射任务的成本降低三成。请注意,这还是对着媒体说的场面话,按照常理、最乐观的情况、恐怕还要在此基础上打折扣。当然,若以目前的情况而言,恐怕连上述推论都属于最乐观的预计,实际情况可能只是回收了几十吨废金属而已、可以送到航天博物馆和主题公园充当展品。

除了展览与凝聚人气的意义,从经济角度而言,以目前的技术而言回收第一级是毫无价值的

然而,马斯克亏了么?试问若以聚拢人气赢得噱头的角度来说,一家私人航天发射承包商如果用传统方式打广告搞营销,得投入多少费用、才能有这样的收获?

重型猎鹰——瞄准军事项目

想要赢取美军航天器的发射合同,仅凭一枚中型运载火箭这显然是不够的。以前文提及的同步轨道先进电子侦查卫星“猎户座”为例,尽管侦查卫星的所有方,美国国家安全局从未披露过该设备的细节信息,单根据多方推测,大致可以认定其重量在5.2吨上下。该数据小于迄今为止猎鹰9火箭发射过的最重GTO载荷。然而,因其执行的特殊任务所需,这枚卫星安装有一具在完全展开后直径可达330英尺(约100米)的巨型天线。显然,该设备即便在折叠发射状态下,尺寸仍旧超过大多数常规载荷,需要一个超大型整流罩来包裹。而ULA旗下的德尔塔4H重型火箭,迄今为止已被证明可靠、安全,具有强大的运载能力并可以发射超大型尺寸载荷,无疑是最理想的发射平台。也是基于上述原因,尽管SpaceX在民用太空资产的发射业务中,从ULA手中硬抢来了半壁江山,但却无力涉足其利润的根本——军事航天项目。

凭借宇宙神与德尔塔两个系列的火箭,ULA目前牢牢地垄断着美国的军事航天发射市场。而该联盟凭借长期对军事航天发射市场的垄断,逐渐在该行业内形成“马太效应”。例如本次发射的先进猎户座电子侦察卫星,就是目前其他企业无法胜任的一项任务

想要挤入军事任务这个市场,就要求SpaceX获得一种强大的运载发射平台——在具有强大的运载能力的同时,可以将大体积设备送入轨道。同时,该平台的可靠性必须较之现有标准更高。因为与民用设备相比,军事航天器的价格将成倍增长。此外考虑到企业自身的资金能力,该平台仍需要可以在资本市场中凸显出其价值的特征。

而被寄厚望,可以使之跻身美国军事航天发射市场的产品,便是重型猎鹰(Falcon Heavy)项目,SpaceX的重型火箭计划。

该计划最早可被追溯到2010。在SpaceX官方于2011年4月5日召开的新闻发布会上,埃隆·马斯克首次对着新闻界正式宣布了该项目的存在:重型猎鹰火箭将是自阿波罗计划的土星五号火箭以后,运载能力最强大的火箭,将推动政府和商业空间项目进入一个全新的时代。

所谓重型猎鹰,实质上乃是SpaceX设计火箭玩弄“堆砌”概念的又一直接体现。其大致上可以看做1枚完整的猎鹰9型和2枚猎鹰9一子级的组合体,在起飞阶段,将有多达27枚梅林-1引擎同时工作。该构型使得重型猎鹰成为自苏联时代N1超级火箭以来,起飞级安装发动机总数最多的一款火箭。

猎鹰9 + 猎鹰9 + 猎鹰9 = 重型猎鹰。这些事SpaceX方面美编绘制的重型猎鹰效果图

除了火箭的构型和发动机数量,按照SpaceX宣布的信息,重型猎鹰火箭计划于今年底首飞,然而火箭的运力数据则宛如一部玄幻小说。

根据2014年前后官网的数据,其近地轨道运载能力达到了惊人的53吨。该页面在今年4月间又被更新,重型猎鹰火箭的近地轨道运力进一步“提高”到54.4吨,火星轨道运力从12吨被改为13.6吨。此外,SpaceX官网还宣称重型猎鹰具有22.2吨同步转移轨道运载能力。

对比迄今为止的事实,上述数据堪称魔幻。首先,我们在本系列文章的上一期已经介绍过,迄今为止猎鹰9号火箭发射的最重型载荷,是2016年3月4日-5日执行的SES-9任务。在该任务中,载荷重5271千克。该任务的结局,是卫星顺利入轨,而执行回收任务的火箭第一级,在回收试验中因燃料耗尽而坠毁在着陆平台之上。正如我们此前分析的那样,此次任务其实在很大程度上已经向外界暗示了猎鹰9FT版运载能力的极限——如果考虑放弃华而不实的回收操作,同时拆除用于执行该任务的设备,并且不考虑再入减速所需要预留的额外燃料的话,其最大GTO运力当在5.5-5.7吨之间。也就是说,结合“重型猎鹰”火箭的构型,SpaceX官网所宣称超过22吨的GTO运力,无论从哪个方面看都非常的匪夷所思。当然,这点公司方面也意识到了,所以为了能够让其宣称的众多数据显得真实可信,其最初还宣称重型猎鹰将使用推进剂交叉输送技术(Cross-Feeding)。【附录01:推进剂交叉输送】

不过,写个网页终归是要比实际研发要容易的多。

无怪乎,今年4-5月间SpaceX官网数据修订后,全世界的SpaceX拥趸开始欢呼雀跃,仿佛尚未出世的重型猎鹰凭借推进剂交叉输送神功,已经脚踩重型德尔塔、拳打阿丽亚娜5了。

综上所述,现阶段,重型猎鹰火箭的数据堪称“雾里看花,水中望月”,看不懂,没法肯定也没法否定。所以我们姑且存疑、观望,暂不做更多评价,换一个方向,对它的技术方案做一些定性分析。

重型猎鹰的问题,在于该火箭起飞阶段多达27台的发动机。因为就在40多年前,正由于起飞阶段总计30台NK33的拖累,苏联超级火箭N1连连失败,最终葬送了红色帝国的登月计划。

起飞级安装30台小推力火箭发动机,空前也是绝后(起码绝后到目前为止)的怪物,苏联时代本计划用于登月任务的N1超级火箭

根据概率论基本原理,并联工作的发动机数量越多,出现发动机故障的概率就越大,飞行中的运载火箭、一旦出现了单台或者多台发动机故障,就会面临推力不足/推力不平衡等问题,有可能导致任务失败。基于这个考虑,自从N1火箭以悲剧告终,全世界航天界有一个不成文的共识:一子级+助推级发动机的总数不要太多,最好不要超过10台。以长征系列火箭为例,长征2E/F、长征3B都是8台发动机,而长征5则是10台,已经达到了安全上限。事实上,自N1这个超级烟花夭折以后,世界各国研制的各型火箭大致都遵守上述原则。

也许有人会提出反对意见:错!苏联解体前开发的“能源”火箭,你数数尾喷管数量,助推器+起飞级,明明安装了20台发动机……然而这是一个可以容忍的误解:“能源”的四台助推器使用的是RD170发动机,因为苏联没有解决液氧煤油燃料的单燃烧室超大推力稳定燃烧问题,采用了独特的四喷管结构——四个燃烧室、四个喷管构成一台发动机。所以“能源”在起飞阶段是4台RD170+4台RD0120,总共8台发动机,依然遵守这一原则。

苏联时代的宝贵遗产,能源号超级火箭。由于采用了构型独特的RD-170引擎,该火箭有着容易引人误解的造型

那么,多发构造的火箭,在任务过程中一旦出现发动机故障问题,能有什么补救措施呢?这个问题,可以通过设计时预留的冗余推力,加上补偿性关机的办法解决——当某台发动机故障不得不紧急关机时,系统可按照预设好的推力平衡方案,补偿性关闭其它对应位置的发动机,以便维持推力平衡。由于火箭设计时均考虑预留冗余推力,所以一般来说火箭仍可以正常飞行。所以从理论上来说,“重型猎鹰”在起飞阶段有多达27台发动机并联工作、起飞推重比1.49(普通的运载火箭通常为1.25-1.35),看起来是可以轻松应对这种麻烦的。

但是,这种乐观的分析结果建立在故障发动机紧急关机后、不会波及相邻发动机这个前提下,事实真的有这么美好?

液体火箭发动机为了追求高比冲、大推力、极高的推重比,所有零部件都是工作在极限状态下,当发动机出现故障需要紧急关机,就意味着出现了“原因不明的损伤”,特别是燃气发生器循环/高压补燃循环发动机,高速旋转的涡轮泵等运动部件出现损坏的可能性很大。这个时候,最糟糕的结局,是零部件碎片击穿了相邻的发动机……“轰”的一声,一个超大号烟花就这么诞生了,大罗金仙也救不回来。当然,在这种时候,采用富燃循环的发动机,燃气的破坏力比富氧循环弱,故障的发展也更加温和,这可能给“重型猎鹰”火箭选择27发并联方案增加了些许底气吧!

2014年10月20日,轨道科技公司(Orbital Sciences Corporation,OSC)研制的天蝎座火箭在携带天鹅座飞船发射起飞6秒后,即因引擎故障发生大爆炸。该公司是2008年,NASA搞的民间太空物流的两大“试点”企业之一

然而,就是这么一种直线思维的堆砌产物,却被SpaceX及其掌舵人马斯克计划用于和ULA争夺最具利润的军事发射项目。是不是很滑稽?是的,这确实有几分胡闹的色彩,但更多的是基于无奈。无奈在哪?用埃隆·马斯克自己的话来说:引擎问题已成为制约SpaceX火箭项目的核心矛盾。所以,公司方面在努力拓展业务,占据市场的同时,需要全力推进其新一代液氧甲烷引擎项目。而该项目的成果——猎鹰引擎,暂时还不能投入使用【附录02:液氧甲烷发动机项目】

附录01:推进剂交叉输送(Cross-Feeding)

该技术简单、直观地说,就是在不同的燃料储箱之间、把燃料调配着用,从而提高火箭的性能。使用这种技术的目的或者是延长火箭芯级的工作时间、提升运力,或者是提高系统的冗余度(当个别发动机发生故障、可以把燃料调配给连接在其它燃料箱上的发动机使用)。

按照结构不同,可分为贮箱之间的交叉输送和输送管路之间的交叉输送。按照功能不同,又可分为单向交叉输送和双向交叉输送。

这是一个既古老、又新鲜的技术。说它古老,是因为60年代研制的“土星1号”火箭,一子级就采用了双向交叉输送技术,燃料在一子级九个燃料箱中调配使用。此外,它的变种技术也有应用:①“宇宙神”D火箭,外挂发动机,芯级向外挂发动机输送燃料,飞行一段时间后、外挂发动机关机&抛弃,芯级继续工作;②航天飞机,外挂燃料箱,轨道器达到入轨速度后,发动机关机、抛弃外挂燃料箱。说它新鲜,是因为大部分火箭和航天器都没有选用这种技术。

采用了推进剂交叉输送技术的土星1号运载火箭第一级

它的优势在于要么可以延长火箭芯级的工作时间、进而显著提升运力,或者是提高系统的冗余度,当个别发动机发生故障,把燃料调配给连接在其它燃料箱上的发动机使用,保证任务成功。

它的劣势在于结构复杂,故障风险大,需要解决如下技术难题:

管路解锁、分离——输送大流量推进剂的管路要连得上、断得开,液路连接、切换和断开动作可靠、平稳,还要尽量降低结构重量。

剩余推进剂排放——切换燃料管路并切断连接的时候,管道内的残余燃料是个需要解决的麻烦,或者控制其泄漏速度、或者是排放到专门的回收容器中,如果处理不好、会危及火箭的飞行安全。

流阻匹配——当两助推器同时给芯级同一台发动机输送推进剂时(输送管路之间的交叉输送),由于推进剂输送管路流阻的差异会导致两助推器推进剂消耗不一致的问题,因此需要对各贮箱增压压力进行调节、并在两组输送管路上设置可以动态调节的限流阀,保证推进剂消耗同步。

液面稳定性控制——如果是储箱之间的交叉输送,要考虑对储箱液面的扰动因素,避免液面扰动失控、恶化箭体震动问题、增大事故概率。

正是缘于上述优点与劣势,燃料交叉输送是个让火箭工程师难以取舍的技术——也难怪“重型猎鹰”火箭一开始计划采用该技术、把LEO运力的理论值从45吨提升到53吨,后来又宣布暂不采用,SpaceX官方给出的解释是“客户没有这个需求”。当然,按照惯例,这一信息又是由关系人士以“小道消息”的模式放出的。

附录02:液氧甲烷火箭发动机

目前运载火箭所使用的无毒液体燃料组合,主要有液氢液氧/液氧煤油两种,但是有一种燃料在最近若干年相当热门、有望被新一代运载火箭采用,那就是液氧甲烷。

从物理性质来看,甲烷的沸点为-161℃,是一种标准的低温燃料,但沸点又高过液氢许多、和液氧接近,所以它的存储难度低于液氢、储箱蒸发损失小。特别是在空间环境,液氧甲烷组合的沸点接近环境温度、便于长期存储,这一点特别适用于火箭的上面级和长期在轨飞行器。

甲烷的理论比冲高于液氧煤油(同等条件下多出十几秒),但是低于液氢液氧。它的结焦温度高、积碳问题不严重,在采用分级燃烧循环的时候,可以采用富燃配比、而非富氧,在发动机获得高比冲的同时,燃气的破坏力较小、故障发展温和。

另外,在烃类燃料中、甲烷的粘性最小、比热高,对热端部件冷却效果好,特别适于分级燃烧循环或者膨胀循环,而这两种循环的比冲都很高。还有一点,液态甲烷经过再生冷却后已接近气态或已经是气态,因此,液氧甲烷天然地具备燃烧性能好、燃烧稳定性高的优点。

由于甲烷冷却性能良好、结焦温度高、富燃燃烧积碳少、沸点低、重复使用时无需清洗等特点,液氧甲烷发动机是可重复使用运载器较为理想的选择。

2015年在斯塔尼斯进行的“猛禽”液氧/甲烷引擎喷注器试车照片

和液氢液氧组合相比,液氧甲烷组合的密度较大、略低于液氧煤油,密度比冲略低于液氧煤油、大大高于液氢液氧,用于起飞级有利于降低结构重量、提高干质比,进而提高火箭性能。

最后,甲烷燃料还有一大优势:廉价,在液氢、精炼航天煤油、经过了脱硫处理的液态甲烷(减少对发动机的腐蚀)三者中,甲烷是最便宜的,液氢最贵。

综上所述,我们可以对液氧甲烷组合给予如下评价:它的各方面性能(理论比冲/密度比冲/海平面比冲/真空比冲)介于液氢液氧和液氧煤油之间,适于采用比冲较大的分级燃烧循环(起飞级&上面级均适宜)或者膨胀循环(推力小,只适于上面级),并同时采用较为安全可靠的富燃循环,便于发动机重用,燃料成本低。对于上面级和长期在轨飞行器,它的存储特性比液氢液氧好得多,比冲又大大高于肼类燃料组合,优势更加明显。

最近若干年,出于下一代运载火箭在成本控制、部件重复使用方面的考虑,世界主要航天大国都加强了对液氧甲烷发动机型号、预研的投入。这其中力度最大的是美国,有多种以实用化为目标的甲烷引擎正在研发中,包括SpaceX的猛禽(Raptor)项目。液氧甲烷发动机和液氢液氧发动机在技术上共通性很强,而美国恰好在液氢液氧发动机领域积累丰厚,各种循环模式(燃气发生器/分级燃烧/膨胀循环)、各种推力等级(从10吨到数百吨)、的实用型号都有,且性能一流,大力研发新一代甲烷引擎,也算是发挥自己的强项。

本文系观察者网独家稿件,文章内容纯属作者个人观点,不代表平台观点,未经授权,不得转载,否则将追究法律责任。关注观察者网微信guanchacn,每日阅读趣味文章。


查攸吟

查攸吟

航天观察者

分享到
来源:观察者网 | 责任编辑:荀越
专题 > 航空航天
航空航天
风闻·24小时最热
网友推荐最新闻
切换网页版
下载观察者App
tocomment gotop