掀起大航天序幕一角的SpaceX

劉威

500年前，有一個(gè)名叫麥哲倫的葡萄牙人宣稱要做一次環(huán)球航行，被當(dāng)時(shí)的人們嗤之以鼻，然而，他率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)做到了。從此，人類文明進(jìn)入了波瀾壯闊的大航海時(shí)代。如今，有一個(gè)名叫馬斯克的人宣稱要在死后被埋葬在火星上，很多人都說他是“瘋子”，雖然對(duì)他的“狂言”板上釘釘還為時(shí)尚早，但正是他一手創(chuàng)辦的SpaceX公司，在2015年12月22日，將發(fā)射后的“獵鷹”9號(hào)第一級(jí)火箭成功回收，讓人類火箭重復(fù)使用邁出了重要一步。風(fēng)起云涌的大航天時(shí)代似乎就在眼前。

“獵鷹”9號(hào)有多先進(jìn)？

“獵鷹”9號(hào)是SpaceX公司傾力打造的運(yùn)載火箭。主要用于為國(guó)際空間站運(yùn)輸物資。作為一家民營(yíng)企業(yè)，成本控制是SpaceX最關(guān)注的，為此，他們想要通過回收火箭，達(dá)到重復(fù)使用的目的，從而降低成本。

目前，在航天領(lǐng)域回收航天器有四種方式：一是利用降落傘垂直下降，我國(guó)回收“神舟”飛船的返回艙就用到了這種方式;二是在動(dòng)力輔助下通過滑翔飛行進(jìn)行回收，俄羅斯的“暴風(fēng)雪”號(hào)航天飛機(jī)就采用這種方式;三是單純通過滑翔飛行達(dá)到水平著陸進(jìn)行回收，這種方式被美國(guó)的航天飛機(jī)普遍采用;四是通過動(dòng)力反推完成垂直回收，SpaceX對(duì)“獵鷹”9號(hào)的回收就選擇了這種方式。

SpaceX并不是第一個(gè)使用動(dòng)力反推垂直回收航天器的，相反，動(dòng)力反推技術(shù)目前已經(jīng)較為成熟，美國(guó)的“鳳凰”號(hào)火星探測(cè)器以及我國(guó)的月球探測(cè)器在著陸時(shí)都用到了這種方式。但是對(duì)于火箭這種細(xì)長(zhǎng)航天器的回收，姿態(tài)控制的難度系數(shù)將成倍增加。雖然在2015年11月24日，美國(guó)藍(lán)色起源公司成功完成了對(duì)火箭的回收，但需要指出的是，藍(lán)色起源的New Shepard火箭僅僅完成亞軌道飛行，并且由于只是測(cè)試，沒有攜帶大量的載荷。而SpaceX的“獵鷹”9號(hào)需要進(jìn)行軌道飛行，完成既定任務(wù)（將11顆衛(wèi)星送入軌道）后才進(jìn)行回收。馬斯克直言：“進(jìn)入太空需要的速度為3馬赫，而進(jìn)入地球同步軌道需要的速度為30馬赫，能源需求則呈平方式增長(zhǎng)。如進(jìn)入太空需要9個(gè)單位燃料，進(jìn)入軌道就需要900個(gè)單位?！笨梢?，“獵鷹”9號(hào)回收的難度與藍(lán)色起源的New Shepard火箭不可同日而語。因此，“獵鷹”9號(hào)的姿態(tài)控制系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)就成為本次回收的關(guān)鍵。

姿態(tài)控制系統(tǒng) 火箭是一種細(xì)而長(zhǎng)的航天器，這種航天器在回收過程中受高空氣流的影響非常大，這就好比在狂風(fēng)中使一根掃帚豎立在手掌上。空中的氣流隨機(jī)性很大，并且可能在同一時(shí)間遇到多股氣流，這是對(duì)火箭姿態(tài)控制系統(tǒng)的巨大挑戰(zhàn)。火箭的細(xì)長(zhǎng)比越大，其控制難度就越高，“獵鷹”9號(hào)的細(xì)長(zhǎng)比較藍(lán)色起源的New Shepard火箭大很多。不過，火箭脫胎于導(dǎo)彈，就其姿態(tài)控制技術(shù)而言還是比較成熟的。

“獵鷹”9號(hào)的一級(jí)火箭在返回過程中，通過箭上的液氮推力器對(duì)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，以應(yīng)對(duì)氣動(dòng)扭矩和旋轉(zhuǎn)的影響，保障其不發(fā)生滾轉(zhuǎn)，在降落過程中基本與地面保持垂直狀態(tài)。除了液氮推力器，一級(jí)火箭的頂端還安裝了4片柵格翼，在火箭升空時(shí)收攏，在回收過程中打開。柵格翼可以對(duì)經(jīng)過的雜亂氣流起到一定的整流作用，同時(shí)還可以節(jié)省一部分燃料。這種技術(shù)在有翼導(dǎo)彈中常被用到，例如俄羅斯的SS-21戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈和R77空空導(dǎo)彈。

動(dòng)力控制系統(tǒng) 本次發(fā)射的“獵鷹”9號(hào)火箭，火箭全長(zhǎng)70米，直徑3.66米，起飛推力6806千牛，起飛重量541噸。第一級(jí)和第二級(jí)火箭都采用了梅林1D發(fā)動(dòng)機(jī)。第一級(jí)采用9臺(tái)梅林1D發(fā)動(dòng)機(jī)，第二級(jí)為1臺(tái)加大噴管擴(kuò)張比的梅林1D真空型發(fā)動(dòng)機(jī)。

梅林1D發(fā)動(dòng)機(jī)并不先進(jìn)，實(shí)際上是美國(guó)20世紀(jì)60年代“阿波羅”登月計(jì)劃的遺物，由NASA授權(quán)技術(shù)給SpaceX公司使用。經(jīng)過該公司多次改進(jìn)，最新版的梅林發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率大大提高，地面比沖為282秒。但即使這樣，梅林發(fā)動(dòng)機(jī)的推力仍顯尷尬，原版的梅林1D推力只有556千牛（經(jīng)過改進(jìn)略有提升），為了完成發(fā)射回收任務(wù)，只能靠堆加數(shù)量來提高推力。反觀各國(guó)主力發(fā)動(dòng)機(jī)都要比梅林1D有優(yōu)勢(shì)，例如俄羅斯的煤油液氧燃料發(fā)動(dòng)機(jī)RD-180，推力達(dá)到4150千牛，地面比沖311秒，連美國(guó)的“宇宙神”火箭都采購(gòu)來做主發(fā)動(dòng)機(jī)，而且這種巨型運(yùn)載火箭只需要一顆RD-180外加固體火箭助推器就能上天。SpaceX公司舍近求遠(yuǎn)也有自己的考量：一者涉及技術(shù)使用權(quán)的問題無法逾越;再者梅林1D發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過多年改進(jìn)，可靠性也較高。

雖然“獵鷹”9號(hào)靠增加發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量滿足了發(fā)射要求，但發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量的增加會(huì)使控制難度和危險(xiǎn)系數(shù)直線上升。火箭需要協(xié)調(diào)9個(gè)噴嘴釋放均衡的推力，萬一某個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，火箭姿態(tài)就會(huì)傾斜，發(fā)射就失敗了。此前蘇聯(lián)的N1火箭，第一級(jí)就使用了多達(dá)30臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，多次發(fā)射試驗(yàn)均告失敗，直接導(dǎo)致了蘇聯(lián)登月計(jì)劃的告吹。為了加強(qiáng)安全系數(shù)，“獵鷹”9號(hào)采用了動(dòng)力冗余技術(shù)，當(dāng)某一發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)會(huì)采取措施，或其他發(fā)動(dòng)機(jī)整體提高功率保障推力，或關(guān)閉對(duì)稱發(fā)動(dòng)機(jī)保持平衡。這一技術(shù)在此前的航天飛機(jī)上就已開始使用。

2015年11月24日，美國(guó)藍(lán)色起源公司成功對(duì)New shepara 火箭進(jìn)行回收

為了節(jié)省燃料，“獵鷹”9號(hào)還采用了推進(jìn)劑交叉供應(yīng)技術(shù)。在上升過程中先把助推級(jí)推進(jìn)劑燒光拋掉，然后再燒芯級(jí)的，把剩余燃料留在芯級(jí)里供回收過程使用。但這也是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，并非SpaceX的技術(shù)突破。

除了姿態(tài)控制和動(dòng)力系統(tǒng)，SpaceX公司還用了液壓緩沖的著陸支架技術(shù)來增加回收的成功率?；鸺撞恐睆?.6米的四個(gè)碳纖維和鋁材質(zhì)的著陸支架在第三次點(diǎn)火減速時(shí)打開，將接地直徑擴(kuò)大到21米，進(jìn)一步減少了著陸時(shí)的巨大沖擊力。這項(xiàng)技術(shù)在一些火星、月球探測(cè)器上已有成功的先例。

可以看出，“獵鷹”9號(hào)的單個(gè)技術(shù)并無創(chuàng)新之處，但將成熟技術(shù)組合起來，將各部分性能發(fā)揮到極致，從而在無人曾涉足過的領(lǐng)域取得成功，才是SpaceX公司此次成功回收的關(guān)鍵，也是令人驚艷之處。

大航天時(shí)代近在咫尺？

“獵鷹”9號(hào)的成功回收，讓人們看到了“廉價(jià)航天”的曙光，有人認(rèn)為“獵鷹”9號(hào)火箭的制造成本為1600萬美元，但燃料成本僅為20萬美元，可重復(fù)利用后，大航天時(shí)代近在咫尺，太空旅行出個(gè)燃料費(fèi)就行了。但這真的可行嗎？

火箭回收涉及到各方面因素，并不僅僅消耗了燃料，航天成本能否大幅度縮減還需要進(jìn)一步觀察。

普通的一次性火箭在設(shè)計(jì)時(shí)只需考慮搭載目標(biāo)、完成任務(wù)，其他都可盡量簡(jiǎn)化。一旦火箭需要重復(fù)利用，就要考慮以下幾個(gè)方面：一是材料，箭體的材料需要能夠承受多次高速飛行任務(wù)，其成本會(huì)有所增加;二是額外加裝的系統(tǒng)，回收過程需要多種控制和導(dǎo)航系統(tǒng)，這在增加預(yù)算和載重外，火箭的整體設(shè)計(jì)難度也上升了一個(gè)臺(tái)階;三是燃料，除了發(fā)射所需，火箭還需要更多的燃料為回收時(shí)的反向推動(dòng)提供動(dòng)力，這對(duì)燃料推動(dòng)系統(tǒng)又提出了更高的要求，額外燃料的重量又會(huì)減少有效載荷的空間，導(dǎo)致發(fā)射效率降低，為了達(dá)到同樣的發(fā)射能力，就需要更大的火箭設(shè)計(jì);四是維護(hù)成本，火箭回收后還需要全面的檢查和維護(hù)，任何紕漏都可能導(dǎo)致今后的發(fā)射失敗，就目前的技術(shù)而言，這種檢修的成本都快趕上再造一個(gè)新的了;五是產(chǎn)業(yè)化，就像工業(yè)中的流水線作業(yè)，在量較少的情況下并不劃算，航天發(fā)射如果沒有達(dá)到一定數(shù)量，靠重復(fù)利用減少成本意義不大，僅靠各國(guó)政府發(fā)射衛(wèi)星遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，只有當(dāng)像太空旅行之類的商業(yè)航天服務(wù)更加普及，重復(fù)利用才會(huì)顯現(xiàn)出驚人的價(jià)值。

“獵鷹”9號(hào)組裝完畢的主推級(jí)燃料箱

從以上幾點(diǎn)出發(fā)，“獵鷹”9號(hào)的成功回收并不能像人們想象的那樣極大地節(jié)約成本。但這畢竟是人類航天史上一次劃時(shí)代的成功，意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止火箭成功回收這一技術(shù)上的勝利，人們看到了大航天時(shí)代的曙光。

結(jié) 語

麥哲倫團(tuán)隊(duì)成功的環(huán)球航行為世界打開了大航海的窗戶。SpaceX公司成功回收“獵鷹”9號(hào)也為人類掀開了大航天序幕的一角，雖然僅僅是一角，可能我們離“主戲”還很遠(yuǎn)，但相信以人類不竭的智慧和鍥而不舍的精神，大航天時(shí)代終將到來，讓我們共同期待。

責(zé)任編輯：劉靖鑫