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如何正确地“黑”SpaceX(三):马斯克为什么要吹“去火星”
关键字: 猎鹰9龙飞船第一级回收可复用的航天运载器
关于航天运载器的复用,自苏联将人造地球卫星一号送入轨道以来,一直是航天界最伟大的畅想之一,却长期只存在于畅想之中。
航天发射耗费不赀的最主要原因,就是天地往返平台的“一次性”特性。整体结构脆弱犹如鸡蛋,且受制于现有技术和基础理论的冷酷无情,那些耗费巨额公帑建造起来巍峨壮观的运载火箭,其真正的有效载荷仅有顶端“针尖”那么大的一点——通常不超过全箭起飞总质量的2%。而其余的98%,除去燃料和氧化剂部分,或者将烧毁在大气层中,或者最后化为残骸坠地。。
1969年,美国国家航空航天局曾以无比的雄心壮志,勾勒出一种伟大的可复用载人航天器的蓝图。那便是著名的航天飞机。1981年4月12日,第一架航天飞机“哥伦比亚”号成功发射,与其驾驶者宇航员约翰·杨(John W·Young)和克里平(Robert L·Crippen)共同揭开了人类航天史上新的一页。
计划在STS-1任务中发射的航天飞机“哥伦比亚”号矗立在发射台上进行测试和演练。照片摄于1980年12月
航天飞机是一种飞机与火箭的奇妙结合体。以“哥伦比亚”号为例,其机体长约56米,翼展约24米,自重68吨。虽然名为“飞机”,但航天飞机其实无法像飞机一样水平起飞。在发射时,它需要被固定在一个巨大的燃料罐上,同时由两枚可复用的固体燃料火箭助“一臂之力”。在起飞阶段,它与火箭的组合体重约2040吨,起飞总推力达2800吨,自重68吨,能装运36吨重的货物。它的核心部分轨道器长37.2米,大体上与一架DC—9客机的大小相仿。最多可载8名宇航员,根据成员数量,在轨时间可达7至30天。轨道器可重复使用100次(设计目标,未达到)。航天飞机集火箭和飞机的多项技术特点于一身。其发射时和火箭一样垂直升空,在完成在轨任务再入大气层以后,又刻意像飞机那样滑翔着陆。其堪称上世纪人类航天诸尖端技术的化身。
然而航天飞机究其原始意图——可重复使用,进而降低航天发射成本来说,却是一个十足的灾难。因为这东西虽然实现了重复使用的设计初衷,但高昂的维护费用却导致了更高的使用成本。
究其原因,问题是多方面的。
首先,航天飞机的机身设计虽理论上可重复使用百次,但每每在再入大气层经历过高温和剧烈震动后,最终降落后都必须对机身进行逐寸的检查。其次,为了保障航天飞机能够安然渡过灼热的减速过程,其覆盖于机腹呈黑色部分的两万余片隔热瓦。这种特殊的绝热材料先进但却昂贵。
其次,航天飞机为了实现轨道器复用,入轨死重很大:起飞质量超过2000吨、入轨质量近百吨,是一枚不折不扣的超重型运载火箭,可是轨道器死重足足68吨,LEO运力只有30吨出头,“哥伦比亚”号事故后,为了提高安全性,LEO运力进一步下调、被限制在20余吨。
与机身的麻烦重重相比,反倒是被称为SSME(天天飞机主发动机)的RS-25液氧\液氢火箭发动机可靠稳定。其被设计可重复使用50次。
航天飞机发射阶段照片。图为助推器从主体分离时的影像记录
航天飞机被设计可在2000公里以下圆形轨道上工作,也可进行同步转移轨道飞行。但由于使用成本和远远高于预期的出勤周期,美方并未让其执行过后一种任务。成本加上使用周期的双重问题,导致其最终无法和原计划的那样淘汰运载火箭。最终,因为安全性(两次乘员组全灭的灾难性事故)和成本高昂等原因,在远远没有达到“复用100次”指标的情况下,提前退役。
通过航天飞机的悲催生涯,人们很容易就能看出问题的实质:想要实现航天运载器的重复使用,高速再入大气层的问题是最大的瓶颈。一旦运载器获得了足够的速度冲出了大气层,在以第一宇宙速度再入大气层的过程中,就必然要经历曾经让“哥伦比亚”号空中解体的高温、冲击和震动。另一方面,要尽量降低为了实现复用而付出的运力损失代价,否则,在经济上、复用是得不偿失的。
2003年2月1日,“哥伦比亚”号航天飞机于STS-107任务(航天飞机总第107次任务)中,由于机翼上隔热材料在起飞阶段遭意外损坏,于大气层再入阶段解体坠毁。机组人员全体殉难。图为解体后掠过苍穹的“哥伦比亚”号残骸
谈到这里,既然问题的核心已经明确了,那么究竟打算去怎么解决呢?SpaceX的答案是——不去解决,绕过问题!怎么绕过?不考虑航天运载器冲出大气层部分的回收问题,只回收速度较慢的第一级部分。
所以,我们最终的问题就是:怎么回收火箭的第一级?这种回收复用在经济上划算、可行么?
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