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如何正确地“黑”SpaceX(五):回收不能复用和引擎不给力的重猎鹰
关键字: 重猎鹰能源引擎问题军事航天器重型猎鹰——瞄准军事项目
想要赢取美军航天器的发射合同,仅凭一枚中型运载火箭这显然是不够的。以前文提及的同步轨道先进电子侦查卫星“猎户座”为例,尽管侦查卫星的所有方,美国国家安全局从未披露过该设备的细节信息,单根据多方推测,大致可以认定其重量在5.2吨上下。该数据小于迄今为止猎鹰9火箭发射过的最重GTO载荷。然而,因其执行的特殊任务所需,这枚卫星安装有一具在完全展开后直径可达330英尺(约100米)的巨型天线。显然,该设备即便在折叠发射状态下,尺寸仍旧超过大多数常规载荷,需要一个超大型整流罩来包裹。而ULA旗下的德尔塔4H重型火箭,迄今为止已被证明可靠、安全,具有强大的运载能力并可以发射超大型尺寸载荷,无疑是最理想的发射平台。也是基于上述原因,尽管SpaceX在民用太空资产的发射业务中,从ULA手中硬抢来了半壁江山,但却无力涉足其利润的根本——军事航天项目。
凭借宇宙神与德尔塔两个系列的火箭,ULA目前牢牢地垄断着美国的军事航天发射市场。而该联盟凭借长期对军事航天发射市场的垄断,逐渐在该行业内形成“马太效应”。例如本次发射的先进猎户座电子侦察卫星,就是目前其他企业无法胜任的一项任务
想要挤入军事任务这个市场,就要求SpaceX获得一种强大的运载发射平台——在具有强大的运载能力的同时,可以将大体积设备送入轨道。同时,该平台的可靠性必须较之现有标准更高。因为与民用设备相比,军事航天器的价格将成倍增长。此外考虑到企业自身的资金能力,该平台仍需要可以在资本市场中凸显出其价值的特征。
而被寄厚望,可以使之跻身美国军事航天发射市场的产品,便是重型猎鹰(Falcon Heavy)项目,SpaceX的重型火箭计划。
该计划最早可被追溯到2010。在SpaceX官方于2011年4月5日召开的新闻发布会上,埃隆·马斯克首次对着新闻界正式宣布了该项目的存在:重型猎鹰火箭将是自阿波罗计划的土星五号火箭以后,运载能力最强大的火箭,将推动政府和商业空间项目进入一个全新的时代。
所谓重型猎鹰,实质上乃是SpaceX设计火箭玩弄“堆砌”概念的又一直接体现。其大致上可以看做1枚完整的猎鹰9型和2枚猎鹰9一子级的组合体,在起飞阶段,将有多达27枚梅林-1引擎同时工作。该构型使得重型猎鹰成为自苏联时代N1超级火箭以来,起飞级安装发动机总数最多的一款火箭。
猎鹰9 + 猎鹰9 + 猎鹰9 = 重型猎鹰。这些事SpaceX方面美编绘制的重型猎鹰效果图
除了火箭的构型和发动机数量,按照SpaceX宣布的信息,重型猎鹰火箭计划于今年底首飞,然而火箭的运力数据则宛如一部玄幻小说。
根据2014年前后官网的数据,其近地轨道运载能力达到了惊人的53吨。该页面在今年4月间又被更新,重型猎鹰火箭的近地轨道运力进一步“提高”到54.4吨,火星轨道运力从12吨被改为13.6吨。此外,SpaceX官网还宣称重型猎鹰具有22.2吨同步转移轨道运载能力。
对比迄今为止的事实,上述数据堪称魔幻。首先,我们在本系列文章的上一期已经介绍过,迄今为止猎鹰9号火箭发射的最重型载荷,是2016年3月4日-5日执行的SES-9任务。在该任务中,载荷重5271千克。该任务的结局,是卫星顺利入轨,而执行回收任务的火箭第一级,在回收试验中因燃料耗尽而坠毁在着陆平台之上。正如我们此前分析的那样,此次任务其实在很大程度上已经向外界暗示了猎鹰9FT版运载能力的极限——如果考虑放弃华而不实的回收操作,同时拆除用于执行该任务的设备,并且不考虑再入减速所需要预留的额外燃料的话,其最大GTO运力当在5.5-5.7吨之间。也就是说,结合“重型猎鹰”火箭的构型,SpaceX官网所宣称超过22吨的GTO运力,无论从哪个方面看都非常的匪夷所思。当然,这点公司方面也意识到了,所以为了能够让其宣称的众多数据显得真实可信,其最初还宣称重型猎鹰将使用推进剂交叉输送技术(Cross-Feeding)。【附录01:推进剂交叉输送】
不过,写个网页终归是要比实际研发要容易的多。
无怪乎,今年4-5月间SpaceX官网数据修订后,全世界的SpaceX拥趸开始欢呼雀跃,仿佛尚未出世的重型猎鹰凭借推进剂交叉输送神功,已经脚踩重型德尔塔、拳打阿丽亚娜5了。
综上所述,现阶段,重型猎鹰火箭的数据堪称“雾里看花,水中望月”,看不懂,没法肯定也没法否定。所以我们姑且存疑、观望,暂不做更多评价,换一个方向,对它的技术方案做一些定性分析。
重型猎鹰的问题,在于该火箭起飞阶段多达27台的发动机。因为就在40多年前,正由于起飞阶段总计30台NK33的拖累,苏联超级火箭N1连连失败,最终葬送了红色帝国的登月计划。
起飞级安装30台小推力火箭发动机,空前也是绝后(起码绝后到目前为止)的怪物,苏联时代本计划用于登月任务的N1超级火箭
根据概率论基本原理,并联工作的发动机数量越多,出现发动机故障的概率就越大,飞行中的运载火箭、一旦出现了单台或者多台发动机故障,就会面临推力不足/推力不平衡等问题,有可能导致任务失败。基于这个考虑,自从N1火箭以悲剧告终,全世界航天界有一个不成文的共识:一子级+助推级发动机的总数不要太多,最好不要超过10台。以长征系列火箭为例,长征2E/F、长征3B都是8台发动机,而长征5则是10台,已经达到了安全上限。事实上,自N1这个超级烟花夭折以后,世界各国研制的各型火箭大致都遵守上述原则。
也许有人会提出反对意见:错!苏联解体前开发的“能源”火箭,你数数尾喷管数量,助推器+起飞级,明明安装了20台发动机……然而这是一个可以容忍的误解:“能源”的四台助推器使用的是RD170发动机,因为苏联没有解决液氧煤油燃料的单燃烧室超大推力稳定燃烧问题,采用了独特的四喷管结构——四个燃烧室、四个喷管构成一台发动机。所以“能源”在起飞阶段是4台RD170+4台RD0120,总共8台发动机,依然遵守这一原则。
苏联时代的宝贵遗产,能源号超级火箭。由于采用了构型独特的RD-170引擎,该火箭有着容易引人误解的造型
那么,多发构造的火箭,在任务过程中一旦出现发动机故障问题,能有什么补救措施呢?这个问题,可以通过设计时预留的冗余推力,加上补偿性关机的办法解决——当某台发动机故障不得不紧急关机时,系统可按照预设好的推力平衡方案,补偿性关闭其它对应位置的发动机,以便维持推力平衡。由于火箭设计时均考虑预留冗余推力,所以一般来说火箭仍可以正常飞行。所以从理论上来说,“重型猎鹰”在起飞阶段有多达27台发动机并联工作、起飞推重比1.49(普通的运载火箭通常为1.25-1.35),看起来是可以轻松应对这种麻烦的。
但是,这种乐观的分析结果建立在故障发动机紧急关机后、不会波及相邻发动机这个前提下,事实真的有这么美好?
液体火箭发动机为了追求高比冲、大推力、极高的推重比,所有零部件都是工作在极限状态下,当发动机出现故障需要紧急关机,就意味着出现了“原因不明的损伤”,特别是燃气发生器循环/高压补燃循环发动机,高速旋转的涡轮泵等运动部件出现损坏的可能性很大。这个时候,最糟糕的结局,是零部件碎片击穿了相邻的发动机……“轰”的一声,一个超大号烟花就这么诞生了,大罗金仙也救不回来。当然,在这种时候,采用富燃循环的发动机,燃气的破坏力比富氧循环弱,故障的发展也更加温和,这可能给“重型猎鹰”火箭选择27发并联方案增加了些许底气吧!
2014年10月20日,轨道科技公司(Orbital Sciences Corporation,OSC)研制的天蝎座火箭在携带天鹅座飞船发射起飞6秒后,即因引擎故障发生大爆炸。该公司是2008年,NASA搞的民间太空物流的两大“试点”企业之一
然而,就是这么一种直线思维的堆砌产物,却被SpaceX及其掌舵人马斯克计划用于和ULA争夺最具利润的军事发射项目。是不是很滑稽?是的,这确实有几分胡闹的色彩,但更多的是基于无奈。无奈在哪?用埃隆·马斯克自己的话来说:引擎问题已成为制约SpaceX火箭项目的核心矛盾。所以,公司方面在努力拓展业务,占据市场的同时,需要全力推进其新一代液氧甲烷引擎项目。而该项目的成果——猎鹰引擎,暂时还不能投入使用【附录02:液氧甲烷发动机项目】。
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