lxu2800的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/lxu2800

博文

“重型猎鹰”火箭难举美国航天梦 精选

已有 14633 次阅读 2018-2-6 13:13 |个人分类:科普集锦|系统分类:科普集锦| 重型猎鹰, SpaceX, 梅林-1D, 美国航天

“重型猎鹰”火箭难举美国航天梦

这几天美国媒体的视线聚集在肯尼迪航天中心的39A发射工位上,矗立在这里的SpaceX的“重型猎鹰”超级重型运载火箭把首飞的零时定在了美国东部时间2月6号1:30PM。肯尼迪中心的39A发射工位是个有着许多故事的地方,阿波罗计划载人登月的所有土星五号全部在这里发射升空,这里曾是美国梦升起的地方。SpaceX选择这里作为他的“重型猎鹰”的处女航意味深远。

“火箭无法进入轨道的可能性很大,我希望它能够远离发射台,不会造成发射台损坏,说实话,我甚至认为只要能如此也是一场胜利。”SpaceX的CEO马斯克的这个表白不只是伟大的谦虚,更可能是深深的无奈。重型猎鹰能否重振美国航天的荣光还真是一个大问号。

重型猎鹰说白了就是三支猎鹰9捆绑在一起。它的核心是一枚猎鹰9,另外再把两架猎鹰9的第一级作为助推器。所以重型猎鹰的第一级就有3x9=27枚“梅林-1D”液氧煤油引擎,在起飞阶段,将有多达27枚“梅林-1D”引擎同时工作。这种构型使得重型猎鹰成为自苏联时代N1超级火箭以来,起飞级引擎总数最多的一款火箭。苏联超级火箭N1正是受30台引擎的拖累而连连失败,最后葬送了苏联的登月计划。

“前车之覆,后车之鉴。”苏联N1血的教训SpaceX不会不知道,只是实在也没有什么其它办法,“没有金刚钻,硬揽瓷器活。”SpaceX造不出大推力火箭引擎,手里只有推力100吨都不足的“梅林-1D”引擎。为提高总推力只能捆绑27枚“梅林-1D”引擎来凑数。

梱绑大量低推力引擎实乃火箭工程中的下下策,其负面因素是多方面的有些甚至是致命的。捆绑不成夫妻,同样道理梱绑大量引擎打造不出大推力重型火箭,这个道理实际上是很容易理解的,否则你我都可以买成千上万只“串天”捆绑起来去月球转一圈了,这天下能有如此好事吗?

梱绑大量引擎会使火箭效率降低。因为每只引擎都有许多的另部件,捆绑许多的引擎必然是大量另部件的重复堆砌,火箭自重必然增加从而导致推重比下降,降低了火箭的工作效率。

另外,并联工作的引擎数量越多,引擎发生故障的概率就越大,运载火箭飞行中,一旦出现单台或者多台引擎故障,就会面临推力不足或推力不平衡等问题,有可能导致任务失败。吸取苏联N1火箭的教训,航天界有一个不成文的规则:火箭第一级加助推级的引擎总数不能太多,最好不超过10台。以中国长征系列火箭为例,长征2E/F、长征3B都是8台发动机,而长征5号则是10台,逼近安全上限了。事实上,目前世界各国研制的各型火箭大致都遵守这个潜规则,只有SpaceX的重型猎鹰火箭反其道而行之。

与其说马斯克有造反精神,还不如说他作为资本家对市场利益有着比狗还要敏锐的嗅觉。马斯克感觉到了美国重型运载市场有着难得的好机遇。自七十年代阿波罗计划煙消云散后,美国航天界是刀槍入库、马放南山,几十年中就没有一枚像样的超级重型运载火箭。进入二十一世纪后,眼看中国的航天事业天天向上,迈向月球的脚步声越来越清晰有力。受到中国的刺激,美国决定要征服火星或重登月球,重显世界老大的威风。问题是政客们可以在网页上用PPT登月,NASA没有超级重型火箭怎样实施登月。于是马斯克看到了机会。

2011年,这位SpaceX首席执行官马斯克首次在华盛顿特区的国家新闻俱乐部郑重宣布:他们的重型猎鹰能提供更多有效载荷和更高逃逸速度,这是一枚土星V型退役以来世界上从未有过的超级重型火箭。有道是"世无英雄,遂使竖子成名。”

按2011年提出的最初时间表,重型猎鹰将于2012年底之前将抵达SpaceX西海岸发射地点——加利福尼亚州范登堡空军基地。首次发射将于2013年进行,而卡纳维拉尔角的首次发射将于2013年底或2014年进行。但到2015年中,由于猎鹰9试飞失败而导致重型猎鹰首次发射推迟到2016年底。设计一改再改,计划一延再延,马斯克他们是踢到了铁板,中间的辛酸也只有他们心知肚明。

“事后方知重型猎鹰(的制造)比我们想象的要难得多...其中的难度远远超出我们原先的设想,我们实在过于幼稚了。”这是马斯克的原话。说实话,要重起炉灶设计制造一枚新的超重型火箭本非易事,而要在去工业化的今日美国实施此计划更是难上加难。理想很丰满,但现实很残酷。

重型猎鹰制造计划一波三折、几经磨难,今天终于走上了发射台整装待发,应该说也还是非常不容易。但是仔细分析一下这枚所谓的超重型火箭的各项性能指标,不得不让人扼腕叹息。

让我们先从时间轴上作个前后对比,表一显示了重型猎鹰与五十年前土星五号的主要性能指标。数字显示土星五号身强力壮,力压重型猎鹰,土星的第一级只用了5只引擎发出的总推力超过后者27只引擎近5倍!土星五号的运载能力是重型猎鹰的3倍。仅从性能来看,土星五号完胜重型猎鹰,事实上两者几乎就没有可比性。

火箭型号

自重M()

LEO()

TLI()

直径()

火箭级数

第一级引擎数

第一级推力(KN)

重型猎鹰

1420

63.8

16

3.66

2+

27

7607

土星五号

2970

140

48.6

10.1

3

5

34020

再让我们在空间轴上作个左右对比,表二显示了重型猎鹰与各国重型火箭的主要性能指标。从这张表上,不管是左看右看,无论哪里也看不出这枚捆绑有27只引擎的重型猎鹰有什么过人的优势,这真的不像是一枚超级重型火箭。重型猎鹰真的难以担起登上月球飞向火星的重任,单看它三米多点的直径,实际上已经被判出局。现代太空任务的载人飞船和太空望远镜都是又重又大,三米多直径作为重型火箭都不合格,“超级重型”的影子都没有。

国家

火箭型号

自重M()

LEO()

LTO()

LTO/M比率

直径()

美国

德尔塔4H

732

28.8

14.2

0.019

5.1

中国

长征5

869

25

14

0.016

5.0

美国

重型猎鹰

1420

63.8

26.7

0.018

3.66

俄国

质子M

705

23

6.15

0.008

4.1

欧洲

阿丽亚娜ECA

780

20

10.7

0.013

5.4

日本

H2B

531

19

8

0.015

5.1

正如马斯克自己所说:“火箭引擎是目前SpaceX所面临的最大短板。”运载火箭与飞机汽车一样,引擎是它的核心技术。为了把更重的载荷送到更高更远的地方,火箭不仅需要最好的引擎,而且一枚多级火箭需要不同类型的引擎。通常中型以上的液体燃料火箭,它的初级都用大推力但效率略差的液氧煤油引擎,而最后一级都釆用效率高的液氢液氧引擎。这样的高低搭配可以在火箭的性能和价格之间求得最优化。而马斯克手中只有一款液氧煤油引擎—梅林1D,而它的真空状态改型则用来作火箭的第二级,两者性能都极其平庸。表三是目前各国拿得出手的火箭引擎性能比较。

国家

型号

推进剂

循环方式

地面推力(KN)

真空推力(KN)

地面比冲(m/s)

室压(MPa)

中国

YF100

液氧煤油

分级燃烧

1224

1339

2942

18

俄国

RD-180

液氧煤油

分级燃烧

3800

4200

3051

25.6

美国

梅林1D

液氧煤油

燃气发生器

845

914

2770

9.7

欧洲

P241

固体

7080

2550

中国

YF77

液氢液氧

燃气发生器

510

670

3040

10.5

美国

RS-68

液氢液氧

燃气发生器

2891

3314

3577

9.7

欧洲

Vulcai2

液氢液氧

960

1390

3038

表三数据显示,SpaceX的梅林-1D引擎推力不足,比冲低下,在液氧煤油引擎排名单中是填底的。究其原因,主要是没有核心技术,缺乏技术积累。梅林-1D釆用燃气发生器而不是中国、俄罗斯的高压补燃循环引擎,燃烧室压力太低,必然导致推力不足和效率低下。基于梅林-1D引擎的数据,重型猎鹰火箭公布的载荷能力是值得怀疑的,唯一的解释可能是把将来会使用推进剂交叉输送技术(Cross-Feeding)的因素作了预估。从目前可靠的综合性能分析,中国的长征五号要优于重型猎鹰。

尺有所短、寸有所长,当然SpaceX的火箭技术也有其独特的优势。主要优点可归纳为以下几点:

1)火箭在结构上有创新,

又大量使用新型轻质材料,大大減少了火箭的自重。所以尽管引擎不太给力,重型猎鹰的最终送入轨道的载荷仍有不俗的表现。

2)SpaceX只有一种型号的引擎,研制开发的资源可以集中,也便于大规模量产提高生产效率,后期的使用维护成本也可大幅降低。SpaceX一年可以生产400台梅林引擎。在这一点上,应该为其点赞。

3)SpaceX具有火箭第一级的发射回收技术,再加上引擎大规模量产,大大降低了运箭火箭的生产和发射成本。

省钱一直是马斯克的主要卖点。马斯克首先是个商人,商人在商言商,省钱对于严重缺钱的美国政府最有吸引力。宣传资料是这样说的:阿波罗计划中的每次发射开支是12.3亿美元,其中7.1亿美元是火箭的生产成本(己折合成2016年美元的价格),而重型猎鹰把2.2吨载荷送入同步轨道的价格只要9千万美元。

我一直对SpaceX的这种宣传深感困惑。当初土星五号化费12亿美元可把50多吨的载荷送入同步轨道,假设发射开支与载荷重量成正比,那么重型猎鹰执行土星五号相同任务的开支至少要20亿美元。实施航天任务又不是买大白菜,多买有折扣,实际上价格与任务的难度远不是正比关系,常常是非线性增长的。只要想一想买平板电视的经验,隨着显示屏尺寸的增加电视机价格是加速增长的。

“省钱”其实是SpaceX玩弄的把戏。他省钱的途径是靠火箭回收利用,他的引擎本来就不给力,为了回收发射过程中必须把部分燃料留作它用,这就大幅降低了火箭的最大载荷能力,导致回收的重型猎鹰只能把2.2吨载荷送入同步轨道,这还是一枚超重型火箭吗?连重型的资格都没有。更重要的是在重型和超重型火箭市场中,任务主要是载人登月和去火星,载荷的价值远超运载火箭的成本。例如,美国新一代太空望远镜詹姆斯·韦伯(JWST)就要依靠重型运载火箭送上太空,该太空望远镜价值80亿美元,该项目会在乎在运载火箭上省几千万美元吗?人家要的是一枚高性能高安全度的超级重型火箭,在这个舞台上我估计马斯克是没戏可唱的。

“山中无老虎,猴子称霸王 。”这是今天马斯克和他的重型猎鹰还站在舞台上的原因。美国航天界的老虎消声匿迹的原因多种多样,其中有一条十分重要,那就是失去了前苏联这样强劲的竞争对手。从大历史角度看,在前苏联的崩溃中倒下的巨人实际上是两个,只是一前一后而已,至少在航天界事实就是如此。冷战之后,美国的航天事业再难续其过去的辉煌,因为:“做小生意需要朋友,成大事业要有敌人。”这大概也是美国在全世界到处找敌人的一个原因吧。


本文首发于观察者网 2018年2月6日



http://blog.sciencenet.cn/blog-2761988-1098677.html

上一篇:科学啊,为什么每次受伤的都是你!
下一篇:对“重型猎鹰”首飞的再思考

48 张鹰 岳东晓 彭真明 苏德辰 陆玲 陈楷翰 姬扬 杨金波 田云川 檀成龙 鲍海飞 赵克勤 李振乾 李晓亮 李红雨 孙颉 代恒伟 尤明庆 吕洪波 朱晓刚 文克玲 黄永义 周健 蒋力 张铁峰 宁利中 魏永胜 王兴民 卢利强 李学宽 迟延崑 刘俊华 雷宏江 冯大诚 李毅伟 刘建彬 史晓雷 刘钢 魏焱明 黄良锋 高建国 甘辉 赵建民 杨正瓴 谢平 葛维亚 吕喆 yangb919

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (53 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2018-8-17 15:18

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部