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从“猎鹰”9号看火箭回收

2018-05-17 18:43 来源:科普中国-军事科技前沿 

  出品:科普中国

  作者:武 振

  监制:光明网科普事业部

  北京时间5月12日,美国SpaceX公司的猎鹰9号Block5型火箭在肯尼迪航天中心发射升空,搭载“孟加拉国一号”卫星顺利入轨。火箭一级助推器降落在海上平台,成功实现回收。这是猎鹰系列火箭自2010年以来第52次发射,也是第21次成功回收。此次发射的Block5型是猎鹰9号火箭的终极版本,它的成功将是航天史上浓重的一笔,令人期待的大航天时代似乎就将来临。

从“猎鹰”9号看火箭回收

猎鹰9号发射(图片来源于网络)

  火箭回收难在哪?

  自1950年第一艘火箭发射以来,可回收载具一直是人类梦寐以求的技术。但时至今日,也只有SpaceX公司实现了真正意义上的回收再利用。这是由于火箭回收的难度远大于发射的难度,真可谓“难于上青天”。

  一是姿态控制难。猎鹰系列火箭采用反推垂直下降的回收方式,必须要确保火箭能够垂直地落在足球场大小的场地上,否则一旦着陆角度不对,火箭就会倾覆,引发燃料外泄导致爆炸。想像一下平时玩的丢筷子进瓶子的游戏,成功的概率有多少?何况这是一个长近70米、直径近4米,下降速度达1300米/秒的巨型“筷子”。

  二是发动机输出功率控制难。在火箭下降途中,随着燃料的消耗和速度的变化,需要输出不同大小的推力使火箭平稳减速,以确保能够顺利软着陆。这就要求火箭发动机必须可以精确地调节推力,并且具备多次启动功能。

  三是着陆缓冲难。即使做到了在着陆前有效减速,也要考虑到重达几十吨的火箭所带来的巨大惯性。要知道,火箭里有大量的精密电子元器件,要确保这些“宝贝”能够再次使用,必须具有良好的缓冲功能,减少对火箭结构的过载冲击。

  为啥要搞再回收?

  尽管存在各种困难,但各航天大国仍在可回收火箭领域投入大量精力和财力,这是因为它的好处也是显而易见的,一旦掌握了,就将获得巨大的战略优势。

  一是大大节约成本。SpaceX的CEO埃隆·马斯克的终极目标是带领一百万人移居火星,而不是带领一百个亿万富翁移居火星。因此,必须要造老百姓坐得起的星际航行载具。之前的火箭都是一次性的,就像“坐一次性民航班机”一样浪费。毕竟,推进剂成本占全部飞行成本不到0.4%,大头在发动机、箭体等。这就意味着如果哪家能够回收火箭再利用,将获得近百倍的利益。

  二是军事价值巨大。现代战争中,卫星是决定“制天权”和“制网权”的关键,但由于其脆弱的防护性,使其面临首轮就遭打击的困境。美国人在设想中美战争的《幽灵舰队》一书中,就设想已方的卫星被一个个定点清除,使美军变成了聋子和瞎子。传统的火箭发射,必须要有一两个月的准备期,还要根据时间窗口“看天吃饭”。而对可回收利用的火箭来说,只需要简单地维护就可频繁发射,这将极大地提高快速进入太空的能力。马斯克设想在近期实现24小时内回收火箭的第二次发射,这将意味着未来美军在战时几乎可以获得源源不断的太空支持。此外,火箭和导弹在技术上本来就是一脉相连的。设想一下在战时,弹头在攻击目标后,弹体再返回重新装弹攻击,这种密度估计目前任何一种导弹防御系统都禁受不住。在未来,可回收火箭还可以作为高超声速武器的载体,使其如虎添翼,大大提升作战效率。

  三是深空探索需要。依托目前的一次性发射技术,人类也可以进入火星,但是如何回来呢?更不用说以火星为基地进一步挺进深空了。正如马斯克所说:“如果人类希望在未来任意穿梭于各星体之间,可以多次利用的火箭会是必不可少的工具。”

从“猎鹰”9号看火箭回收

猎鹰9号发射(图片来源于人民日报)

  “猎鹰”如何做到的?

  火箭回收再利用这件事,为何一家成立于2002的商业航天公司能够拔得头筹呢?SpaceX能够用十多年的时间从无到有,在猎鹰火箭的研发上突飞猛进,离不开政府的大力支持。美国航空航天局(NASA)给人给钱给技术,将极具商业价值的低轨道航天发射领域对其完全放开。可以讲,SpaceX成功背后是美国航天几十年的人才、技术积累,真正地站在巨人的肩膀上前进。

  当然,SpaceX公司大胆创新、不墨守成规也是其成功的关键。决定运载火箭性能的最关键因素是发动机,猎鹰系列火箭使用SpaceX公司自研的梅林(Merlin,意译为“灰背隼”)液氧煤油发动机,原型是NASA用于阿波罗登月舱下降段的,但经过改进,发动机效率大为提升,推力可达66吨以上。即使这样,还是不够用,于是猎鹰9号火箭将9个发动机并联在一起进行输出。但这又带来一个新问题,系统越多,故障率越高。为此,猎鹰系列火箭在设计上采用了动力冗余技术,通过发动机状态实时监测系统,一旦发现哪台发动机故障,则对其关机,通过其它发动机的冗余动力仍可确保火箭飞行安全。

  为了能够着陆,猎鹰9号的火箭发动机采用针栓式喷注器,相当于将很多的针管绑在一起分别注入燃料,再由各自的喷嘴喷出。与传统液体火箭发动机相比,它调节动力容易、燃烧稳定、成本低廉。但针栓式喷注器对冷却要求很高,之前版本的猎鹰火箭屡屡在这个环节上吃瘪,导致发动机被烧穿。或是迫于无奈或是另辟蹊径,猎鹰9号火箭采用了燃烧室燃气发生器循环和发动机回热冷却相“嫁接”的模式。通过这种怪异的混搭,基本上保证了发动机管用好用。

  猎鹰9号火箭发射后,一级火箭分离,在再入大气层时可重新开启三台发动机进行反推减速,并通过火箭顶部的微发动机对火箭姿态进行微调,在接近地面时打开4个类似“蚱蜢腿”样的支撑腿,并再开启一台发动机进一步降速。这样,再结合卫星定位,就基本可确保火箭垂直地降落在回收场地上。

  猎鹰9号火箭虽然取得了巨大的成功,但动力不足的问题始终是橫在SpaceX公司面前的一道“埂”。因为基于其现有设计,技术潜力已被挖掘贻尽,这也使得Block5型是其终极型号。下一步,SpaceX有志研究新的大推力发动机,让我们拭目以待。

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[责任编辑:白璐]

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