观察者网

李会超:副总统的死命令,商业航天搞不定——写在猎鹰重型火箭首次商业发射之后

2019-04-17 08:37:14

【文/观察者网专栏作者 李会超】

去年猎鹰重型火箭首飞时,在地球附近飞行的红色跑车和宇航员假人为其赚足了眼球。4月11日,SpaceX公司的猎鹰重型火箭的第二次飞行取得成功,将Arabsat-6A卫星成功送入同步转移轨道。此次飞行也是猎鹰重型火箭的首次商业飞行,开启了这型火箭的商用之路。本次发射堪称完美,除了成功将卫星送入轨道外,两个助推器和芯一级也全部成功回收。然而,本次发射也反映出了猎鹰重型火箭技术上的一些局限性——它并没有一些人认为的那样神乎其神。

给卫星续命不彻底

Arabsat-6A通信卫星的运营机构为阿拉伯通信卫星组织,这个组织有21个阿拉伯国家共同兴办,为阿拉伯地区国家提供通信卫星服务。虽然“金主”是阿拉伯人,但这颗卫星由美国公司设计制造,也由美国公司的火箭负责发射。Arabsat-6A卫星采用了洛克希德·马丁公司的A2100卫星平台,重量为6.46吨,除了能为阿拉伯国家集中的中东地区提供服务外,还能为北非和东欧的部分地区提供服务。

猎鹰重型火箭发射Arabsat-6A

通信卫星一般工作在赤道上空、距离地面36000公里的地球同步静止(GEO)轨道上。在这里,卫星绕地球自转的角速度与地球自转的角速度刚好相同,卫星可以相对地面保持静止,从而可以连续的为某一特定地区提供服务,地面上的卫星天线(也就是俗称的“大锅”)的指向在初次调好后就无需再做调整。发射工作在这种轨道上的卫星时,火箭首先携带卫星进入距离地面几百公里的近地圆轨道上,并关机滑行。在滑行到合适位置后,火箭将再次打开发动机,将卫星送入同步转移轨道(GTO)上去。这是一条一端与近地轨道相连,另一端与同步轨道相连的椭圆轨道。

以往,在GTO轨道的远地点开机加速、进入轨道的操作一般由卫星本身的发动机来完成,需要消耗卫星携带的燃料。卫星在轨工作期间,发动机同样需要消耗燃料对卫星进行轨道和姿态的维持,从而使卫星始终处在正确的位置、天线始终朝向正确的方向。一旦燃料耗尽,即便卫星其他器件都还能正常工作,卫星很快也会因为姿态无法维持而退出服务。卫星携带的总燃料是一定的,如果能够减少变轨过程中消耗的燃料,则能够将更多的燃料留给在轨工作期间使用。据阿拉伯通信卫星组织CEO在发射前透漏的信息,Arabsat-6A之所以选择猎鹰重型火箭,是因为其更高的推力能够给卫星带来更长的寿命。

(本次发射的时间线)

今年2月,与Arabsat-6A配置基本一致的Saudi Geostationary Satellite-1/Hellas Sat-4卫星由欧洲的阿丽亚娜5型火箭发射,其预计的在轨寿命能够达到15年。而使用猎鹰重型火箭发射的Arabsta-6A,则被续命到了18-20年。近年来,使用能够在轨道上长时间工作、多次点火飞行的火箭上面级,直接将卫星送入GEO轨道的发射变得越来越多。例如,在部署北斗导航卫星系统的过程中,我国的远征一号上面级就多次执行了直送GEO轨道的任务。而猎鹰重型火箭此次还是将Arabsat-6A送入了GTO轨道,从GTO向GEO的转移仍需要使用卫星本身的动力,“续命”并不彻底。实际上,SpaceX并没有单独研发上面级,猎鹰9号和猎鹰重型火箭基本相同的第二级能够在轨道上较长时间滑行和多次开关机,在一定程度上具备上面级的技术特征。然而,也许是受限于第二级的技术水平,SpaceX目前还没有进行过直送GEO轨道的发射。

(上面级是一种既具备火箭又具备轨道器特征的航天器,图为远征一号上面级正在工作。)

鱼和熊掌不可兼得

作为被一些人称为“地表最强”的运载火箭,猎鹰重型火箭的标称GTO运载能力可达26.7吨。用这样一颗能力巨大的火箭发射仅有6吨多重的Arabsat-6A到GTO轨道,似乎是大马拉小车的能力浪费。然而,在实现助推器和芯一级全部回收的情况下,猎鹰重型火箭的GTO运载能力将会锐减到8吨。也就是说,“地表最强”的运载能力和可回收重用的功能是鱼和熊掌,不能在同一次发射中兼得。

目前,猎鹰9和猎鹰重型火箭的芯一级与助推器如果以回收重用的方式工作,在完成工作后,发动机还要再点火三次,使其能够进入返回弹道,减速并最终在回收平台上软着陆。因此,芯一级和助推器还要“私留”一些燃料用于返回地面。这部分燃料不但没有将自己所蕴含的能量用到发射载荷上,还需要占用火箭的起飞重量,从而减小了火箭在回收重用情况下的运载能力。同时,回收过程中用于控制火箭飞行的栅格网和与地面接触的着陆腿等机构,都需要额外占用起飞重量。在这些因素的共同作用下,火箭回收重用的代价就是运载能力的降低。

(猎鹰重型火箭的两个助推器最后一次点火,实现回首软着陆)

猎鹰9火箭的GTO运载能力,在不可回收与可回收的技术状态下,分别为8.3吨和5.5吨,可回收功能的使用使其损失了约三分之一的GTO运载能力。对于猎鹰重型火箭,不可回收与可回收的技术状态下的运载能力分别为26.7吨和8吨,可回收功能使得它损失了多于三分之二的GTO,可见对于猎鹰重型火箭,可回收功能对GTO运载能力的影响更为显著。目前,猎鹰重型火箭的发射目录报价为9千万美元一次,但这个报价是基于不启用回收功能给出的。像本次发射这种助推器和芯一级全部回收情况下的报价,SpaceX网站并未给出,也没有通过其他渠道对外公布。从商业的角度看,如果可回收功能使得单位载荷重量的发射成本有所降低,那么这种技术就是有利可图的。但对于猎鹰重型火箭,在GTO运载能力因回收重用而损失较大的情况下,这一点能否实现就不得而知了。

SpaceX网站上给出的发射火箭发射能力和发射报价,所有参数及对应报价均是在火箭一次性使用、不回收的情况下给出的

副总统的死命令,商业航天搞不定

前不久,美国副总统彭斯公开向NASA下了死命令:不管用什么方法,必须让美国宇航员在2025年登月;如果NASA及其承包商开发的“太空发射系统”(SLS)搞不定,那么就另请高明,让其他商业航天公司去搞定。

SLS的外观效果图,笔者个人觉得像是一个航天飞机助推器和土星5号的合体

在猎鹰重型火箭发射成功后,曾经有一种声音甚嚣尘上:美国的经验表明,国家搞航天不行了,航天还是要让私人企业干。然而实际上,无论是SpaceX出现之前还是之后,美国的航天工业都是由私营企业从事的。在NASA以传统模式进行的航天项目中,作为政府机构的NASA主导设计方案和技术路线的确定,并确保航天器的安全和可靠性,但航天器的研发、制造、测试乃至发射操作中的具体工作,都会承包给波音、诺斯罗普·格鲁曼、洛克希德·马丁这些私营的航空航天工业巨头。最终,制造出的航天器及其知识产权,以及航天器的运营设施都属于NASA,研发的全部预算也由NASA承担。

而在SpaceX开创的商业航天模式中,火箭和飞船的研发由企业主导,NASA可能会根据自己的需要选择资助一部分研发工作,并订购企业的宇航产品,但相比于传统的NASA兜底研发费用的模式,这种模式的费用是有限可控的,能够激励企业更好的控制成本。无论在哪种模式中,政府机构作为航天项目的核心用户,都扮演着重要的角色。当然,未来的航天商业应用会越来越多,但对于前瞻性、突破性的技术开发,政府投资仍然是推动型的力量。

NASA商业载人航天计划的首批宇航员。对于这两种飞船,NASA只提供定额资助并为每次发射付费,飞船的研发总成本由企业自行承担。

尴尬的是,就火箭来说,目前美国的商业航天公司也拿不出现成的产品来响应彭斯副总统的登月号召。猎鹰重型虽然目前是“地表最强”,但仍然不能进入LEO轨道运载能力在100吨以上的重型运载火箭的行列,其运载能力无法满足登月需求。同时,宇航员显然不能直接坐在火箭上裸奔登月,必须有合适的飞船承载他们到达月球并安全返回。除去写在PPT上未被验证的愿景外,尚未进行载人试验的载人型龙飞船只能承担近地轨道飞行任务,而NASA已经进行过无人飞行试验的猎户座飞船虽然具备进行深空飞行和第二宇宙速度再入的能力,但其需要登月舱的匹配才能完成载人登月任务,而登月舱目前并没有一个已经公布的方案。至于SpaceX的BFR火箭,不但采用了相当具有争议的31台发动机在第一级并联的技术方案,作为一种箭船合一的新概念航天器,还无法与其他飞船通过技术成熟的方式兼容匹配。以近期SpaceX已经开始实施裁员的经营状况和BFR本身的试验进展看,即便BFR最终能够成功,时间上也很难赶得上副总统给出的deadline。

近年来,美国航天界虽然大新闻不断,但博眼球的成分大于实质上的技术突破成分。例如一拖再拖的SLS,助推器和芯级发动机用的还是航天飞机使用的产品。而可重复利用航天器技术,则是在航天飞机的基础上探究如何降低成本与提高可靠性。在一定程度上,美国航天还在吃上世纪六十到八十年代的技术老本。在那个时代,在载人登月、深空探测、可载人多次便捷往返太空这些鲜明的目标需求引导下,在稳定而充足的国家投资下,国家主导的航天计划不断取得技术突破,使以前的不可能变成可能,奠定了美国在航天界的领导地位,使之后的航天应用可以坐享这些技术突破带来的产出。商业主导的航天活动虽然能够让这些技术产出创造出更多的商业价值,将航天技术转化为经济效益,但对于技术风险和投资巨大的突破性目标计划,则缺乏内在的研发动力。

前不久,长征九号重型运载火箭的研发取得重要进展,发动机联试获得成功。这是一型服务载人登月的重型火箭,其运载能力与SLS、BFR等在同一量级。除了重载火箭外,中国航天还有一系列的技术瓶颈需要突破,才能真正使自己的航天技术达到世界顶尖而不仅仅是先进水平。大洋彼岸航天发展的历史行程,应该非常值得我们参考。

本文系观察者网独家稿件,未经授权,不得转载。

李会超

李会超

空间物理学博士,科普作者

分享到
来源:观察者网 | 责任编辑:孙武
作者最近文章
副总统的死命令,商业航天搞不定
老牌航天强国寻求合作,中国探月工程为何如此受青睐
中国和欧洲,将在太空“微笑”
隼鸟2号展示了日本不可小觑的航天实力
中国始终敞开国际合作的大门 但绝不会当冤大头
风闻·24小时最热
网友推荐最新闻
相关推荐
切换网页版
下载观察者App
tocomment gotop