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猎鹰重型"赌"成功了,是运气吗?

发稿时间:2018-02-11 07:17:00 来源:南宁晚报 中国青年网

猎鹰重型火箭使用的梅林-1D发动机结构小巧,推质比高

  猎鹰重型火箭作为现役最大的火箭,载重大本来是一个巨大的优势和亮点,但这涉及复杂的工程问题,实现起来非常难。实际上,猎鹰重型火箭以及“拼凑”它的猎鹰-9运载火箭的先进之处,不仅仅表现在其载重大上。

  猎鹰重型火箭是目前运载能力系数最大的火箭,其发动机推质比最大。此外,还采用了一系列提高可靠性的技术。可以说,让它坐上当今最强火箭宝座的,是一个庞大的新技术、新理念阵列。

  运载能力系数大

  猎鹰重型火箭的一个先进之处在于其运载能力系数非常大。运载能力系数是指其最大有效载荷与起飞重量的比值。数值越大,意味着火箭能以更小的重量扛起更大的载荷,说明火箭总体设计优秀。对于大型、重型火箭而言,这一指标可以大大瘦身,降低总体重量,减少燃料,降低总体成本。更难得的是,猎鹰重型火箭高运载能力系数是以最简单的燃气发生器循环的液氧煤油发动机达到的。

  如果以其近地轨道(LEO)有效载荷63.8吨、最大起飞重量1428吨算,猎鹰重型火箭运载系数高达0.0447。现役的重型“德尔塔IV”全部采用液氢液氧发动机,其近地轨道运载能力系数为0.0387。

  “德尔塔IV”采用的是液氢液氧高能燃料,运载能力系数与那些采用了固体助推器的火箭相比高了不少,但在猎鹰重型火箭面前却逊色三分。

  发动机推质比高

  按理说,不管是高压补燃液氧煤油发动机还是燃气发生器循环的液氢液氧发动机,其比冲(比冲是指单位质量燃料产生的冲量,代表着燃料的能量和燃烧效率)都要高于猎鹰重型火箭使用的“梅林-1D”发动机,为何最终效率却不如猎鹰重型火箭呢?

  这就涉及“梅林”发动机另外一项“剑走偏锋”的设计。它既没有使用能量更高的液氢液氧,也没有使用分级燃烧技术,所以比冲相对较低。但是,正是由于结构简单,加之设计优化、材料先进,使其推质比达到了空前的水平。2014年第100台“梅林-1D”发动机制造完毕时,其推质比为155。而有些资料显示最新型“梅林-1D”发动机推质比高达180甚至更高,这一数值远超世界任何一款液氧煤油和液氢液氧发动机。

  技术保证可靠性

  在火箭发动机中,梅林发动机推力是非常小的,SpaceX公司不得不“推力不足数量补”。不过,“梅林-1D”发动机体积也非常小,所以可以在猎鹰重型火箭3.66米的壳体中塞进9台发动机。

  对传统火箭来说,“推力不足数量补”是一个被迫采取的手段,因为这种方式被认为会大大降低火箭的可靠性。其中任何一台发动机出现故障,都会对火箭的成功发射构成致命威胁。而且并联过多发动机,之间也会产生难以预料的耦合震动。因此,发动机并联得越多,可靠性越差。一个最典型的例子就是当年苏联的登月火箭N-1,一级使用了30台发动机,几次发射均以失败告终。

  最终,猎鹰重型火箭成功了。这仍然得益于“梅林-1D”发动机自身的设计。首先,由于其结果简单,自身具有高度可靠性,进而大幅增加了总体可靠性。其次,“梅林-1D”发动机推力可以在大范围内调整。拼凑猎鹰重型火箭的猎鹰-9火箭发射时即便一台发动机出现故障,其他发动机可以自动增加推力补偿。甚至在度过了发射初期最关键时刻,即便有两台发动机失效也无妨。

  未来发展趋势

  上述技术只是猎鹰重型火箭一系列新技术阵列中的几项。正是在美国整体工业优势支撑下、大量航天人才储备下以及残酷的市场竞争下,成就了猎鹰-9和猎鹰重型火箭。

  当然,猎鹰重型火箭由于发动机太多,可靠性还需要后续发射进一步验证。特别是当起飞时如果处于不同位置的多台发动机发生故障,其面临的推力构型和耦合震动都很复杂。所以,猎鹰重型火箭基本上是把“梅林-1D”的潜力挖掘殆尽。无论是中国未来的“长征九号”运载火箭,还是美国在研的重型火箭,都是基于大型的发动机,而不是猎鹰重型火箭这种捆绑小型发动机的形式。

  ■分析

  猎鹰重型火箭真有那么“神”?

  马斯克的猎鹰重型火箭首飞成功,是自“阿波罗时代”土星五号火箭以来,人类能设计出来的威力最大的火箭,引起了国内外媒体的广泛关注和报道。猎鹰重型火箭真的如某些媒体报道的那般意义重大吗?

  ●与动力密切相关的载重也是此次发射最大的卖点。

  据报道,其低地球轨道(LEO)最大有效载荷高达63.8吨,但在实际发射中,其负载的仅是一辆特斯拉跑车和一个叫做Starman的假人。我们在此不妨粗略计算一下,特斯拉的自重加上假人的重量不可能超过3吨(已经最大预估值),即便如此,此次发射的载重也仅仅是猎鹰重型火箭有效载荷的1/20。那么疑问来了:在如此不满载,甚至可以忽略不计的情况下,是否足以证明该火箭最大动力运行的稳定性和效率?

  ●特斯拉Roadster并不是第一辆进入太空的车辆。

  此前是3辆“阿波罗时代”的电动月球车。波音在通用汽车的帮助下建造了这些月球车。据媒体报道,这些月球车是一种高度专业化的电动车,设计用于在月球表面运送宇航员,以及他们的装备和科学样品,是针对特殊用途进行特殊设计的车辆,更具实用性的价值。相比之下,向太空运送一辆Roadster的目的何在?更何况,借助火箭的运送,最终能否达到目的地,能否在目的地正常行驶均是未知数。除了营销自己的特斯拉汽车,还有其他积极的意义和价值吗?

  ●猎鹰重型火箭最具革命性的价值就在于,通过重复回收利用助推火箭,来大大节省发射成本。

  但在此次发射的猎鹰重型火箭,虽然有两枚成功回收,但仍有一枚火箭芯级回收失败;虽然该火箭成功接近回收平台,但因为用于减速回收的发动机未能点燃,最后火箭坠入海中。从节约成本的角度看,如果这种回收成功的概率在未来不能提高的话,SpaceX核心的成本优势也会大打折扣。

  综合新华社、中新报道

责任编辑:千帆
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