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创造奇迹的“猎鹰重型”火箭

发布日期:2019年05月15日字体: 【大】【中】【小】

庞之浩

  2019年4月12日,美国太空探索技术公司的“猎鹰重型”圆满完成了首次商业发射。它不仅把发射质量达6.46吨的阿拉伯-6A通信卫星送入了太空,而且第一次实现了同时回收该火箭的芯一级和所捆绑的两枚助推器,上演了一场激动人心的神奇大戏,挽回了在2018年“猎鹰重型”首次试飞时只成功回收了两枚助推器,而芯一级回收失败的面子。
  
  不过,还是有一些遗憾:一是“史蒂文先生”整流罩回收船仍没有成功回收价值600万美元的整流罩,落在海里的整流罩需要从捞起晾干、修理后才能再次使用。回收整流罩主要是可以减少生产整流罩的时间,省钱倒是其次;二是其芯一级在海上平台成功着陆后,因海浪太大,且没固定好而倾倒,据悉只有其上的发动机经修理后才能再次使用。


“猎鹰重型”火箭升空

  了不起的大力士

  “猎鹰重型”火箭是从肯尼迪航天中心发射的。它全长70米,最大直径12.2米,起飞质量1420吨,每次重复使用第一级火箭的发射价格为9000万美元,一次性使用第一级火箭的发射价格为1.5亿美元,研发成本5亿多美元。相比之下,美国近地轨道运载能力近30吨的德尔他-4H火箭发射成本高达3.36亿美元。所以,采用两级半构型的“猎鹰重型”是目前世界现役运载火箭中运载能力最大、史上最经济的“通天塔”。

  简单地说,“猎鹰重型”就是在美国太空探索技术公司目前已大量成功发射的猎鹰-9火箭基础上,在芯一级捆绑了两枚大型助推器,而这两枚大型助推器其实就是与芯一级一模一样的火箭,即“猎鹰重型”的第一级是由3枚相同的火箭并联而成的,每枚上面装有9台发动机,发射时共有27台发动机同时点火。所以,“猎鹰重型”既力大无比,又经济实惠。


水平组装“猎鹰重型”火箭,其右面还放着一枚以前回收的猎鹰-9芯一级

  在这次发射中,“猎鹰重型”火箭的芯一级在较远、且已使用多次的海上平台(名为“当然我依然爱你”)成功回收,两枚助推器则在发射台附近的LZ-1和LZ-2着陆区成功回收。这次回收的两枚助推器维修后,将在2019年再次发射“猎鹰重鹰”时重复使用,完成价值1.3亿美元的美国空军空间试验计划-2发射任务。此后,“猎鹰重型”火箭还将执行几次商业发射任务,并在2020年发射美国空军航天司令部-52秘密卫星等。

  与已经使用过的美国土星-5和前苏联能源号重型火箭相比,称“猎鹰重型”为准重型火箭更为贴切,因为美国土星五号和前苏联能源号的近地轨道运载能力都在100吨左右,但它们都已退役,主要是没有载人登月飞船或航天飞机等超大型航天器的发射任务后,“英雄无用武之地”。


美国土星五号重型火箭发射阿波罗十一载人登月飞船


前苏联能源号重型运载火箭发射暴风雪号航天飞机示意图


  与一般的运载火箭的结构强度富余度只有25%相比,“猎鹰重型”的结构强度有40%的富余,所以它拥有发射载人登月飞船或载人火星飞船的能力。尤其是该火箭的第一级(由芯一级和两枚助推器组成)可回收再利用,这样就能大大降低成本,为载人深空探测提供物美价廉的进入太空的能力。在冷战时期,美国发射“阿波罗”载人登月飞船用的土星5号重型火箭每一枚造价高达5亿美元,折合到现在相当于40亿美元。

  为了重返月球和载人登火星,美国航空航天局已投资让波音公司研制“航天发射系统”重型运载火箭,但它仍是一次性使用的,且一直拖延进度。所以,美国政府最近威胁称,如果波音公司再迟迟研制不出来“航天发射系统”,美国政府将用太空探索技术公司的商业重型火箭发射“猎户座”新型载人飞船进行首次无人绕月飞行。另外,美国蓝源公司也正在研制名为“新格伦”的可重复使用重型火箭。


美国“航天发射系统”重型运载火箭


“新格伦”可重复使用重型火箭

  便宜是最大特点

  虽然“猎鹰重型”是在猎鹰-9的基础上发展而来的,第一级是由3枚猎鹰-9火箭第一级捆绑而成,但这次发射所用的芯一级和两枚助推器都采用了太空探索技术公司新研制的猎鹰-9 B5型火箭(箭体是新的,部分发动机以及助推器头锥是复用的)。它们每个直径都为3.7米,各装了9台梅林-1D发动机,推进剂都采用液氧/煤油,并联后的最大宽度为12.2米。

  其第二级与猎鹰-9的第二级一样,装有1台梅林-真空发动机,也采用液氧/煤油作为推进剂,且与梅林-1D发动机类似,真空推力为95吨,但具备多次点火能力,从而大大增强了其对于任务的适应能力。

  “猎鹰重型”的最大特点是其芯一级和两个助推器能够回收与重复使用,即全箭共28台发动机,除第二级使用的1台梅林-真空发动机不能回收与重复使用外,其余27台梅林-1D发动机都可以回收与复用,复用的比例高达96.42%,这能大大降低火箭的发射成本,具有重大的里程碑意义。


在陆地回收两枚助推器

  如果不回收第一级和两枚助推器时,“猎鹰重型”的近地轨道运载能力为63.8吨(相当于一架波音737客机重量),地球同步转移轨道运载能力为26.7吨(相当于一辆T-34坦克重量),发至火星的载荷能力16.8吨(相当于一辆满载的油罐车重量),发至木星的载荷能力3.5吨。因此它不仅能把超大型卫星送入轨道,还具有执行载人登月或载人火星飞行的潜力。

  但如果回收第一级和两个助推器时,“猎鹰重型”的近地轨道运载能力降为30吨,地球同步转移轨道运载能力降为8吨。这是由于回收时要消耗很多燃料,但即使这样,它仍是目前世界现役火箭中运载能力最大的,可用于发射大型航天器。

  由于芯一级和两个助推器都采用了新研制的猎鹰-9 B5型火箭(采用B5型火箭要比2018年首次试射“猎鹰重型”时采用B4型、B3型火箭更强劲,最大推力相当于18架波音747客机全功率推进力, 而且能够重复使用10次以上),所以这次发射的“猎鹰重型”总推力比2018年“猎鹰重型”首飞时提升了10%,总的起飞推力为2550吨(2018年首次发射时为2326吨)。


在海上平台回收芯一级

  可能有人会问,为何发射重6吨的卫星要使用这种准重型运载火箭呢?可能是卫星拥有者——沙特阿拉伯卫星通信公司想通过“用宰牛刀杀鸡”来扩大影响;另外,该火箭性价比高,在同类火箭中是最便宜的;还有,用“猎鹰重型”超强的运力把阿拉伯星-6A送到高得多的轨道,可缩短定点所需时间,并节省燃料,从而有望让卫星工作寿命得到延长。这次也是“猎鹰”系列火箭首次把卫星送至更高的超同步转移轨道,有可能受到军方青睐。


“史蒂文先生”整流罩回收船

  克服重重困难

  在冷战时期,前苏联为了与美国竞争载人登月,研制了重型运载火箭N1,但是连续4次发射失败,其中一个重要原因是其第一级共有30台发动机同时点火,产生的巨大高频震动,容易影响到火箭本身;另外,由于发动机太多,所以也容易出现“纵向耦合振动”等一系列问题。


重型运载火箭N1转场

  “猎鹰重型”第一级发动机也不少,共有27台,不过它们与N1火箭的不同之处是平均装在芯一级和两个助推器3个火箭上,所以发射时最大的风险是两枚助推器和芯级之间的相互作用,尤其是可能产生的共振或冲击波冲击的影响。

  为了使助推器与芯一级可靠连接,在助推器上分别加装了鼻锥和前、后安装点及冷分离机构,即在芯一级贮箱底部和顶部同芯一级火箭连接和分离。为了承受发射的额外应力,重新设计了芯一级的结构,增加了它的强度。


“猎鹰重型”火箭第一级并联结构特写

  在2018年首次试射“猎鹰重型”时,由于没进行过实际发射的试验,只进行过仿真分析,所以当时芯级与助推器分离存在较大风险,但实际结果比较顺利。然而,一次成功不代表成熟,所以在这次发射前还是有些担心,不过仍没有出现问题,这再次表明其分离所采用的设计是比较可靠的。

  “猎鹰重型”两次发射都获得成功证明了该火箭的第一级27台发动机并联的思路是可行的和可靠的。


“猎鹰重型”第一级并联着27台发动机

  另外,在发射“猎鹰重型”时,要回收芯一级和两枚助推器。两枚重达30多吨、箭高55米的助推器在完成工作后与芯一级分离,在火箭发射了7分51秒后飞回位于卡纳维拉尔角的着陆区着陆,又一次成功上演了双箭齐落的科幻场面。

  但是其芯一级在刚升空时需适当节流,即要把推力调低,在火箭发射后2分38秒与助推器分离后(此时火箭速度约5890千米/小时)才能重新调回到满推力水平进行全速飞行,因此它比猎鹰-9的第一级要多飞行1分钟才与第二级分离,在发射后9分48秒飞到大西洋上距离发射场约967千米的海上平台回收。这次回收也创下了在距离发射场最远的海上平台着陆,通常只有300~500千米。这是由芯一级飞行距离决定的,它飞得越远,海上平台离岸也越远。


“猎鹰重型”三枚火箭回收路线图

  这时由于芯一级的飞行高度与速度(10700千米/小时)均很高,所以比回收猎鹰-9的第一级和“猎鹰重型”的助推器都要难。在“猎鹰重型”2018年首次试射时,其助推器成功在陆上回收,但芯一级在海上回收失败。而在这次“猎鹰重型”发射过程中,芯一级和两个助推器分别在海上和陆上均回收成功。

  “猎鹰重型”的下一次发射是在今年6月,执行美国空军空间试验计划-2任务,“一箭23星”,把它们部署在三个独立轨上道,总任务超过6小时,被誉为太空探索技术公司史上最具挑战性的四次发射之一。因为要重复使用这次回收的助推器,所以它将是首枚正式复用型“猎鹰重型”。

  “猎鹰重型”火箭未来主要的应用市场是发射大型国家安全载荷(可将载荷直接送入地球同步轨道)、载人登月飞船和行星资源开发及大型科学载荷等。

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