世界最强火箭重型猎鹰火箭发射成功还在PCB上加了意外惊喜

昨天,在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角的LC-39A站,重型猎鹰火箭首次飞行成功。其第一子级由三枚猎鹰-9火箭组成,运载能力在LEO为63.8吨,GTO为26.7吨,GTO为16.8吨,是现役火箭中无可争议的王者。

现在,回顾一下关键图片。

最后一张照片显示两个助推器缓慢着陆。虽然第一级主火箭没回来,但能同时回收两枚火箭,真的是航空技术的一大进步。

随着火箭上天,一辆Roadster跑车,SpaceX老板埃隆马斯克的又一杰作。马斯克在这辆跑车的PCB上留下了一句话:“人类在地球上制造”。希望这辆车不会被外星人发现。

爱冷幽默的马斯克还在汽车中控面板上打出了不要慌!不要慌!

一只不走寻常路的猎鹰。

重型火箭屡见不鲜,更别说美国的土星五号,苏联的N-1。目前美国SLS火箭已经研发多年,将于2019年首飞,中国也计划研发重型火箭。但是,重型猎鹰真的不一样。一般来说,重型火箭的研制是不花钱的。比如土星五号的单价就像航母的造价一样豪华,但重型猎鹰火箭却不按牌理出牌,让人大跌眼镜:它的发射价格才9000万美元!不是9亿美元,只是9000万美元!这是什么概念?比欧洲主流的阿丽亚娜便宜5、日本的H-IIA,美国的宇宙5和德尔塔4。50多吨容量的重型火箭比20吨容量的大型火箭还便宜,真让人吃惊。

人类历史上最强的四枚火箭。

重型猎鹰的上天之路极不平坦。项目实施过程中多次取消,发射日期一再推迟。更重要的是,它的研发之路要克服很多技术偏见和挑战。

重型猎鹰使用27个引擎。这种多并联的技术在很多人眼里是不靠谱的。因为苏联N1火箭第一级用了30台发动机,点火后就成了焰火表演。

所以很多人认为火箭多个并联是邪路,单个大推力发动机才是正道。多达27台发动机的重型猎鹰的设计自然不容乐观。

马斯克和SpaceX团队不信这个邪。他们认为多枚并联火箭更可靠。

一方面,“猎鹰重型”运载火箭通过模块化设计,提高单台发动机的可靠性,提高火箭的整体可靠性。猎鹰重型运载火箭第一级使用的三个常见核心级实际上将27台发动机分成三个模块,每个模块仅包含9台发动机。这种模块化多发动机组合设计的复杂性和难度,远小于N-1火箭将30个发动机集中在同一个模块上的设计。同时,“猎鹰重型”运载火箭一、子级每台发动机采用三套火箭载计算机热备份,实现了控制系统的冗余,提高了发动机控制的可靠性;梅林-1D发动机是一个子发动机,采用液氧和煤油的混合燃料和开式循环燃烧过程。系统结构简单,经过多次改进,可靠性达到了较高水平。根据SpaceX披露梅林-1D发动机的故障概率小于0.05%,发动机的可靠性可以达到0.9995。

另一方面,猎鹰重型运载火箭采用的动力冗余技术可以有效提高火箭的整体可靠性。猎鹰-9运载火箭第一子芯级具备1~2台发动机的故障冗余能力。从技术的连续性来看,猎鹰重型运载火箭在一个子级的一个或多个发动机出现故障时,也具有继续飞行并最终实现任务目标的能力,虽然运载能力降低,但仍能满足任务载荷要求。动力冗余设计使得猎鹰重型运载火箭的可靠性明显高于无动力冗余的运载火箭,一个发动机的故障将导致整个任务的失败。

同时,重型猎鹰火箭的运载系数非常高,但并没有使用高比冲发动机,而是挑战了火箭减重的技术和工艺极限。

在传统的火箭设计中,世界各国都绞尽脑汁提高火箭性能,而提高运载系数(指载荷质量与火箭总质量的比值)的主要途径就是使用高比冲发动机。毕竟在齐奥尔科夫斯基公式中,提高发动机比冲会带来性能的指数级提升,但降低火箭结构重量的效果要差很多。有资料显示,发动机比冲提高7%,二级半火箭运载系数提高30%。所以各个公司不惜重金研发高比冲的高压加力闭式循环发动机,不怕使用液氧液氢推进剂的危险和麻烦。

液氧和液氢的重型德尔塔-4火箭,其载荷系数高达3.9%,会碾压其他火箭,但面对重型猎鹰火箭时,又会自愧不如。重型猎鹰火箭起飞重量1421吨,载重系数高达4.49%!重型猎鹰完全依靠超高推重比发动机和超轻火箭坦克来实现如此高的性能。其梅林1D发动机的推重比已经达到188,而与世界排名第二的NK-33发动机相比,推重比仅为136。重型猎鹰火箭的铝锂合金超轻共底贮箱贡献更大,一级火箭干质量比接近30,二级超过20。虽然减轻结构重量的效果不如提高发动机比冲,但是重型猎鹰火箭的箭体太轻了。有计算发现,猎鹰火箭第一级和整流罩可以直接发射入轨,运载系数超过氢氧总量的重型德尔塔4火箭是挑战火箭制造技术极限的结果,令人震惊但也在情理之中。

SpaceX最大的杀手锏是可重复使用的技术。具体来说,在猎鹰重型运载火箭上,其第一级子级的每个通用核心级都装有栅格舵,可以用来辅助再入时火箭体的姿态稳定控制,并为减速提供一定的气动阻力。每个普通核心级的着陆装置为四条腿,在火箭发射后的上升段和再入过程中聚集在箭体内,在火箭第一级减速即将着陆地面或海上平台前展开;腿部由液压装置折叠和展开,并具有展开后锁定的能力;腿部主要由碳纤维和铝合金蜂窝板组成,重量轻,能满足负载需求;腿部装有液压减震器,可以进一步减轻垂直降落带来的巨大冲击。

猎鹰重型运载火箭的一级助推器分离和一、二级分离采用可重复使用的“冷分离”机制。“冷分离”机构不使用火工品,以高压冷气喷射为动力源,采用机械推杆进行分离动作,不会损伤箭体。一级助推器分离时,分离面位于助推器侧,机械推杆位于芯侧。机械推杆在分离后缩回,以降低损坏概率。

“猎鹰重型”运载火箭的一、二级发动机都被设计成可重复使用。在之前

SpaceX最大的贡献就是打开了民用航天的大门,让这项技术不再是大国政府手中的玩物。这不,中国的民营企业也开始参与到这项事业中来。

1月15日,国内首家“民营火箭”制造R&D公司零一俱乐部正式宣布完成最新一轮融资,由前海吴彤M&A基金领投,洪泰基金、招商创投、前海万德、郑玄投资、通江资本领投。至此,零一俱乐部自2015年8月成立以来,已累计融资5亿元。

零一俱乐部自主研发的OS-X系列火箭发动机已于2017年12月22日顺利完成整机试车。目前已进入全火箭调试测试阶段,预计今年6月首飞,OS-M系列火箭也将在今年年底左右首飞。

可以预见,在不久的将来,我国优秀商业公司研制的航天器也将出现在浩瀚的太空中。