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如何正確地“黑”SpaceX(二):從獵鷹1號到獵鷹9號
關鍵字: ULA店大欺客航天商業(yè)化得益于扁平化管理、互聯(lián)網(wǎng)基因,加之NASA全力支持,提供了大量設備、設施和智力支援,SpaceX長期保持著研發(fā)、生產(chǎn)團隊的精干高效,公司曾經(jīng)多年維持在數(shù)百人規(guī)模,2012年才擴張到千人,在有效控制人力成本的同時、保證了研發(fā)工作的高效率,“獵鷹9”火箭從方案論證到首飛,僅用了四年半時間。
根據(jù)推算火箭入軌速度的齊奧爾科夫斯基公式:火箭最終速度 = 發(fā)動機噴出推進工質(比沖) × ln(火箭總質量/火箭末質量)。決定火箭的最終速度的參數(shù)中,比沖數(shù)值的好壞由發(fā)動機的性質所決定。根據(jù)物理常識,一種燃料燃燒后產(chǎn)生的熱量越高,則其比沖就越大。也因為這個原因,煤油發(fā)動機雖然擁有使用成本低、安全性好、無毒無害等優(yōu)點,但是其能量密度遠不及液氫,故煤油發(fā)動機比沖性能遠無法與氫氧發(fā)動機相比擬。煤油引擎的真空理論極限值比不會超過390s,實際可實現(xiàn)的應當不超過350s。
既然梅林1即便發(fā)展到D型也只是個半吊子貨,再加上煤油發(fā)動機的先天不足問題,那么想要提高火箭的性能,剩下的唯一選擇就唯有提高箭體的干質比。換而言之,就是在保證必要的強度前提下,盡可能多地減輕箭體自重。
最終,我們看到的Falcon 9(獵鷹9)就成了這樣一支在減重上達到了全世界第一的“怪物”——全箭貯箱廣泛使用加拿大鋁業(yè)公司【注釋:該公司于2008年與力拓公司合并,組成新的力拓加鋁公司,但對外仍以“加鋁”的老招牌名義進行經(jīng)營活動】研制的Airware2198-T8鋁鋰合金制造,并采用了大膽的半氣球貯箱設計、氧化劑燃料槽共底設計,整流罩和級間段則使用碳碳復合材料制造。
2010年12月8日,SpaceX公司的獵鷹9號火箭攜帶龍飼飛船,成功地進行了首次演示飛行
此外,在具體的細節(jié)結構減重設計方面,SpaceX的一些措施堪稱“極端”。例如,“獵鷹9”1.1版的級間段把分離機構從1.0版的9個減到了前所未有的3個。而且,在驗證了Airware2198-T8鋁鋰合金的可靠性后,更是進一步把箭體的長徑比放大到19。注意,這一長徑比設計可謂驚世駭俗。根據(jù)中國航天系統(tǒng)多年積累的經(jīng)驗,增大長徑比有利于降低火箭的飛行阻力、減輕箭體重量,但是同時造成箭體縱向剛度不足、容易發(fā)生震顫、進而降低火箭的可靠性,所以長徑需要以15為限制——火箭縱向剛度不足帶來的后果可能是災難性的,要知道當初“東風2”導彈首飛試驗時,就是因為縱向剛度不足、箭體發(fā)生震顫導致發(fā)射失敗,可謂有著“血的教訓”。此外,減重的焦點也不僅僅集中在箭體上。梅林1系列引擎發(fā)展到D型時,引擎重量已得到了徹底的精簡,推重比超過150,幾乎已是極限。
所以,我們可以毫不夸張第說,無論從哪方面看,當獵鷹9號發(fā)展到了目前最新的最大推力版本(獵鷹9FT)的時候,SpaceX基本已經(jīng)榨干了現(xiàn)有材料的潛力、顛覆了一系列火箭設計的經(jīng)驗公式,甚至帶著一副“人有多大膽,地有多高產(chǎn)”的混勁來進行“賭博”式的嘗試。
不過他們確實博對了,而由此帶來的好處也很明顯,F(xiàn)T版的獵鷹9號甚至做到了超過25的干質比(與之對比,我國最新的長征7號尚不足13,還有很大的潛力可以挖掘),箭體減重做到了極致。即便是有著梅林1D這個拖累,這枚火箭亦然具有較好的性能。
至此,有一個顯而易見的結論已經(jīng)躍然紙上:在經(jīng)歷過獵鷹1號時代的磕磕絆絆之后,SpaceX的新一代獵鷹9號火箭,是一款使用貨架產(chǎn)品結合成熟技術,并在合理范圍內大膽運用新材料、新工藝,性能較好、成本控制非常成功的“經(jīng)濟適用性”火箭。
獵鷹9最大推力版本——基本已將現(xiàn)有箭體和發(fā)動機的潛力挖掘殆盡
然而SpaceX在整個2015年內最吸引眼球的地方,并不是獵鷹9的技術成熟與價格低廉。而是自其v1.1版本投入使用后,持續(xù)推進的關于火箭第一子級垂直回收的試驗。
v1.1版獵鷹9號,開始在火箭第一子級的底部安裝有四個可展開的支架,在頂端安裝有氣動格柵控制面。在于上面級分離后采用剩余燃料與回收平臺匯合(或者返回發(fā)射場上空),并垂直降落的姿態(tài)進行降落,以期實現(xiàn)第一級的整體回收。
自從第一級回收項目從2012年正式公布以來,埃隆·馬斯克頻頻放話,聲稱要憑借這個技術實現(xiàn)航天發(fā)射的“白菜化”——把單位質量發(fā)射成本降低1/20,震驚世界。對此,外界褒貶不一,心悅誠服、深信不疑者有之,半信半疑、謹慎觀望者有之,更有人嗤之以鼻、認為這純屬嘴炮牛皮……那么,獵鷹9號真的能兌現(xiàn)埃隆·馬斯克的豪言,顛覆國際航天發(fā)射市場的格局么?
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- 責任編輯:荀越
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