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如何正确地“黑”SpaceX(二):从猎鹰1号到猎鹰9号
关键字: ULA店大欺客航天商业化得益于扁平化管理、互联网基因,加之NASA全力支持,提供了大量设备、设施和智力支援,SpaceX长期保持着研发、生产团队的精干高效,公司曾经多年维持在数百人规模,2012年才扩张到千人,在有效控制人力成本的同时、保证了研发工作的高效率,“猎鹰9”火箭从方案论证到首飞,仅用了四年半时间。
根据推算火箭入轨速度的齐奥尔科夫斯基公式:火箭最终速度 = 发动机喷出推进工质(比冲) × ln(火箭总质量/火箭末质量)。决定火箭的最终速度的参数中,比冲数值的好坏由发动机的性质所决定。根据物理常识,一种燃料燃烧后产生的热量越高,则其比冲就越大。也因为这个原因,煤油发动机虽然拥有使用成本低、安全性好、无毒无害等优点,但是其能量密度远不及液氢,故煤油发动机比冲性能远无法与氢氧发动机相比拟。煤油引擎的真空理论极限值比不会超过390s,实际可实现的应当不超过350s。
既然梅林1即便发展到D型也只是个半吊子货,再加上煤油发动机的先天不足问题,那么想要提高火箭的性能,剩下的唯一选择就唯有提高箭体的干质比。换而言之,就是在保证必要的强度前提下,尽可能多地减轻箭体自重。
最终,我们看到的Falcon 9(猎鹰9)就成了这样一支在减重上达到了全世界第一的“怪物”——全箭贮箱广泛使用加拿大铝业公司【注释:该公司于2008年与力拓公司合并,组成新的力拓加铝公司,但对外仍以“加铝”的老招牌名义进行经营活动】研制的Airware2198-T8铝锂合金制造,并采用了大胆的半气球贮箱设计、氧化剂燃料槽共底设计,整流罩和级间段则使用碳碳复合材料制造。
2010年12月8日,SpaceX公司的猎鹰9号火箭携带龙饲飞船,成功地进行了首次演示飞行
此外,在具体的细节结构减重设计方面,SpaceX的一些措施堪称“极端”。例如,“猎鹰9”1.1版的级间段把分离机构从1.0版的9个减到了前所未有的3个。而且,在验证了Airware2198-T8铝锂合金的可靠性后,更是进一步把箭体的长径比放大到19。注意,这一长径比设计可谓惊世骇俗。根据中国航天系统多年积累的经验,增大长径比有利于降低火箭的飞行阻力、减轻箭体重量,但是同时造成箭体纵向刚度不足、容易发生震颤、进而降低火箭的可靠性,所以长径需要以15为限制——火箭纵向刚度不足带来的后果可能是灾难性的,要知道当初“东风2”导弹首飞试验时,就是因为纵向刚度不足、箭体发生震颤导致发射失败,可谓有着“血的教训”。此外,减重的焦点也不仅仅集中在箭体上。梅林1系列引擎发展到D型时,引擎重量已得到了彻底的精简,推重比超过150,几乎已是极限。
所以,我们可以毫不夸张第说,无论从哪方面看,当猎鹰9号发展到了目前最新的最大推力版本(猎鹰9FT)的时候,SpaceX基本已经榨干了现有材料的潜力、颠覆了一系列火箭设计的经验公式,甚至带着一副“人有多大胆,地有多高产”的混劲来进行“赌博”式的尝试。
不过他们确实博对了,而由此带来的好处也很明显,FT版的猎鹰9号甚至做到了超过25的干质比(与之对比,我国最新的长征7号尚不足13,还有很大的潜力可以挖掘),箭体减重做到了极致。即便是有着梅林1D这个拖累,这枚火箭亦然具有较好的性能。
至此,有一个显而易见的结论已经跃然纸上:在经历过猎鹰1号时代的磕磕绊绊之后,SpaceX的新一代猎鹰9号火箭,是一款使用货架产品结合成熟技术,并在合理范围内大胆运用新材料、新工艺,性能较好、成本控制非常成功的“经济适用性”火箭。
猎鹰9最大推力版本——基本已将现有箭体和发动机的潜力挖掘殆尽
然而SpaceX在整个2015年内最吸引眼球的地方,并不是猎鹰9的技术成熟与价格低廉。而是自其v1.1版本投入使用后,持续推进的关于火箭第一子级垂直回收的试验。
v1.1版猎鹰9号,开始在火箭第一子级的底部安装有四个可展开的支架,在顶端安装有气动格栅控制面。在于上面级分离后采用剩余燃料与回收平台汇合(或者返回发射场上空),并垂直降落的姿态进行降落,以期实现第一级的整体回收。
自从第一级回收项目从2012年正式公布以来,埃隆·马斯克频频放话,声称要凭借这个技术实现航天发射的“白菜化”——把单位质量发射成本降低1/20,震惊世界。对此,外界褒贬不一,心悦诚服、深信不疑者有之,半信半疑、谨慎观望者有之,更有人嗤之以鼻、认为这纯属嘴炮牛皮……那么,猎鹰9号真的能兑现埃隆·马斯克的豪言,颠覆国际航天发射市场的格局么?
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