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超重—星舰,对不起,那时的名字还叫

时间:2020-09-29 22:55来源:互联网 作者:小狐

超重—星舰,对不起,那时的名字还叫(图1)

进入9月份,SpaceX公司主导的“超重—星舰”再次吸引的人们的眼球。首先,马斯克宣布“超重—星舰”组合的“超重”Super Heavy部分开始建造,并有望在两个月内进行低空。作为可重复使用的芯一级,其方案也几经变化,这次高调宣布开建,证明SpaceX这款重型运载火箭开始提速了。其次,星舰的原型机SN8已经生产完成,这是在SN5、SN6成功完成跳跃后,即将开始一个新的里程碑—18kM的飞行。如果飞行能够顺利完成,那么前泽友作拿着他那张2018年的旧船票,就有望如期登上星舰这艘客船

超重—星舰,对不起,那时的名字还叫(图2)

“超重—星舰”的概念最早是马斯克在2012年的一次演讲中提出,那时的名字还叫火星殖输MCTMars Colonial Transporter,当然那个时候Falcon9火箭连重复使用都没做到,人们很难对这个新鲜事物提起兴趣。到了2016年,在第68届国际宇航会IAC上,马斯克又将其更名为星际运输ITSInterplanetary Transport System。而到了2017年,也许是因为业内嘲讽的声音,马斯克略带情绪的又把名字改成了超重猎鹰火箭BFRBig Falcon Rocket。一年后,企业家前泽友作购买了首次绕月旅行的门票,BFR换成了现在这个雅致的名字超重—星舰可简称“重舰”

重舰的任务执行模式不同于传统运载火箭以单一任务为目标,而是可以通过不同次数的在轨加注,实现运载能力的梯次变化,从而具备执行不同轨道任务的能力(下图是2017年SpaceX公布的时称ITS的加注次数与能力的示意图)

超重—星舰,对不起,那时的名字还叫(图3)

超重—星舰,对不起,那时的名字还叫(图4)

图 在轨加注与运载水平提升

通过这种模式的创新,星舰把任务起始点,从地面放到了近地轨道。广泛采用在轨加注这一新技术,不同的任务对应不同的加注次数,星舰解决了不同任务需要研制专门运载火箭的问题。

新的一舰走天下,香吗?

香是香,可是马斯克要想圆上自己吹过的牛,还有很长的路要走。有些人存在这样的想法,马斯克就是赚噱头,先让他折腾,如果折腾不成就当个笑话,如果折腾成了,我们再“弯道超车”也不迟啊。然而并非所有的事情都可以“弯道超车”SpaceX之所以敢这么干,必有它的独到之处,它的三宝:超轻的结构质量,极低的发射价格,和快速迭代技术。

首先是超轻的结构质量。从齐奥尔科夫斯基公式,在不考虑速度损失的情况下,火箭能够的速度增量与结构重量相关,M_I是火箭的总重,M_F火箭关机时刻的重量,如果我们把M_F/M_I定义为结构系数的话,这个值越小,运载火箭的效率越高,即相同起飞规模的情况下,运载能力越大。为了提高运载效率,人们又采用了多级火箭的概念,将消耗完推进剂的死重抛掉,从而轻装上阵,继续执行任务。这也是上世纪美苏登月竞赛,土星五号采用构型,N-1火箭采用五级构型的原因。而重舰就没有这个概念,超重火箭负责将星舰飞船送到近地轨道,剩下去哪儿执行任务都是星舰的事情了。

一级星舰走天下,仅仅靠在轨加注是不够的,还依赖超轻结构质量。以前泽友作这个载人环月项目为例,假设星舰加有效载荷的总重120t,为了简单,就从近地轨道出发进入环月轨道,再从环月轨道出发返回近地轨道。

从停泊轨道到最终进入环月轨道,两次变轨需用的总速度增量为3938.8m/s。返回时,从环月轨道加速逃逸进入转移轨道,最终近地制动被地球捕获进入近地停泊轨道。一来一回两次所需速度增量大致相同,总速度增量为2x3938.8=7877.6m/s。

根据齐式公式计算,按380s 的发动机比冲,两次变轨消耗的推进剂总质量为875吨。

以星舰1200吨的加注能力,容纳875吨推进剂不是问题。但超重(SuperHeavy)3400吨的加注量,按传统火箭土星五号0.04的运载系数,一次只能将约150吨 组合体(星舰+推进剂)送至近地轨道。而星舰标称运力为150吨,据此保守估计超重的运载系数超出土星五号50%。即使这样,带875吨的货也要跑5、6趟长途,为节省成本,星舰和超重都必须在结构系数上大做文章。

可超重和星舰偏偏选了比强度不如铝合金的不锈钢,当然马斯克自己公布了很多原因,包括工艺、防热和成本。美国航天应用不锈钢材料已经有半个多世纪的经验,如美国半人马通用上面级以及正在研制的先进低温改进型上面级ACES马斯克对目前不锈钢材料仍不满足,仍在追求更高的性能

其次是极低的发射价格。即便是解决了超轻的结构质量问题,采用在轨加注的模式也存在着发射成本的问题。由于发射上去给轨道停泊的星舰1加注的星舰2还需要重复使用,马斯克说载人登月的任务模式需要加注2次。那么发射三次完成一次载人登月,就一定比“阿波罗”计划中土星五号发射一次合适吗?

当年“阿波罗”计划也考虑过两发火箭的任务模式,最终因为发射场工位、费用以及可靠性等因素,选择了一次登月的模式。而它面临的问题,重舰依然会遇到。但马斯克吹的这个牛为什么大家觉得不是那么离谱呢?因为SpaceX的Falcon系列运载火箭的研制经验,从2015年12月,Falcon 9火箭第一次成功实现垂直起降的陆地着陆,全面验证了垂直回收的关键技术;到2016年4月,第一次成功实现了海上平台的垂直着陆,垂直回收技术走向成熟;再到2017年3月,第一次成功实现回收模块的再次发射, Falcon9一级的可重复使用实现;直到2020年8月18日,SpaceX使用一枚六手Falcon 9火箭完成发射任务,并成功实现回收,未来向重复使用10次发起冲击。

超重—星舰,对不起,那时的名字还叫(图5)

由于 SpaceX箭体模块能够重复使用6次已经成为现实,再加上液氧甲烷的价格也相对低廉,人们对重舰的这种模式也就没有那么多挑剔的目标。弯道超车?先把重复使用搞定吧,或者研究更为廉价的发射模式,反正从2015年到现在已经5年了,世界上还没有其他国家或公司实现芯级箭体模块的重复使用呢。

还有就是快速迭代技术。不同于传统工程强调前期充分全面的论证与设计,逐层对需求和设计进行细化,以降低后续技术风险和反复成本的理念。SpaceX在研制Falcon 9火箭、重舰过程中,都采用了基于方案快速迭代、原型机快速、关键技术高效验证的工程设计与试验验证理念,通过多次“设计、”多周期迭代之后试验数据与经验的快速迭代与反馈,使得创新技术能够更加稳妥可靠的在型号飞行任务中使用,从而形成良性循环,实现整体技术水平最优、成本最低。

超重—星舰,对不起,那时的名字还叫(图6)

图 飞行器概念方案变化历程

从2018年卖给前泽友作“船票”后,2019年7月,SpaceX就在德克州新建的博卡其卡试验基地开展了“跳跃者”号(Starhopper)的首次不系绳跳跃,飞行高度约20米,同时意味着全球首款全流量分级燃烧循环发动机猛禽的首次试飞。到了9月,SpaceX的目光从跳跃者转到了Mark(MK)系列,不但在博卡其卡制造MK1,同时还在佛罗里达州的肯尼迪航天中心制造MK2,二者齐头并进。然而2个月后SpaceX首次进行MK1的燃料舱加压时,MK1原型机在低温增压时破裂,前箱前底被炸飞。此次试验后MK1被认定为不适合飞行,由于MK2的工艺与MK1几乎相同,两者直接。SpaceX公司开始聚焦博卡奇卡基地,开展SN系列的生产和试验。然而出师不利,2020年2月28日,原型星舰SN1在开展加注液氮进行低温高压压力时发生。在SN2获得成功后,2020年4月3日,SN3在加注液氮进行低温压力时,由于排气阀在超低温加压时泄漏,贮箱压力不足导致舱体失稳崩溃,这是损毁的第三艘星舰原型机。2020年5月29日,SN4在进行第5次静态点火后约2min时发生。2020年6月15日,SpaceX公司对SN7进行压力,在对贮箱加压持续8个多小时后,贮箱出现了泄漏降压,最后压力0.76MPa,终止。一连串的挫折并没有阻挠马斯克前进的脚步,直到SN5和SN6跳跃的成功。

快速迭代的背后不仅仅是创新的思维,更是生产能力的比拼。如果SpaceX一个月就能制造一个原型机,当然可以马上进行试验,并且还能快速迭代进行改进,但如果生产能力只能保证一年才能出一个原型机,谁舍得用这个“宝贝”去做试验啊?万一做坏了可怎么办?下一个还要等一年。更不用提快速迭代改进了,改了我也生产不出来;或者就一次改好,要想再改就再等一年吧。弯道超车?还是先学怎么快速造车吧。

其实所谓“三宝”仁者见仁,智者见智,你说“三大”他看就“五大”但要想成功只靠“法宝”是不够的,这背后更重要的是实力。实力这个东西是扎扎实实的,来不得投机取巧;实力这个东西是深入人心的,夸大和诋毁都无济于事;实力这个东西是耗时费力的,该付出的辛苦都得经历。

马斯克除了梦想,更注重实力。Falcon重型已然做到了世界第一,但他还向着星舰的目标迈进,因为他知道只有9米直径的箭体才能迈进重型的门槛,他要拥有这个实力。他已经有了成熟的液氧煤油“梅林”发动机,却依然要研制全新的液氧甲烷“猛禽”发动机,因为他知道火星上有他要的推进剂,他要拥有这个实力。美国已经有了SLS太空发射,但他还要坚持研发自己的火箭,因为他知道未来大规模进入空间的意义,他要拥有这个实力。

想弯道超车“超重-星舰”对不起,还真学不来,因为得先有那个实力。

全文完

本文相关词条概念解析:

星舰

星舰一词源自于著名影视系列《星际迷航》。是一种尚处于理论阶段,用来作恒星际旅行的交通工具,而一般用来做太阳系行星间或轨道飞行的机具称为航天器。严格上星舰是要有人驾驶,并且能够以不超过寿命期间,到达目的地恒星系。星舰一词目前来说还只是出现在科幻小说里,现实中人类还没有创造出真正可以进行星际旅行的机具。另指QQ飞车中的B级赛车——星舰。

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