SpaceX给航天界的启示

SpaceX给航天界的启示

——写在猎鹰九号火箭成功回收之际

出品:科普中国

制作:中国科学院国家天文台 郑永春

监制:中国科学院计算机网络信息中心

航天发展的瓶颈在运载火箭,如何把一大堆很重的物体送入太空,一直是制约人类太空探索的难点。在大多数人的概念中,火箭就应该是一次性产品,点火之后一飞冲天,把航天器(卫星或飞船)送入预定轨道,火箭的使命就完成了。

然而,就在昨天,SpaceX成功实现猎鹰九号火箭回收,说明火箭重复利用的时代就要带来了,这一消息在朋友圈快速传播。

那么,SpaceX是如何实现火箭回收的呢?对未来的航天格局会有什么影响?又能对中国航天界带来什么启示?

在喧闹的背后,需要我们逐一冷静分析。

连战连败,终获成功

在猎鹰九号的第一级火箭实现成功回收之前,是一连串的失败。

2015年1月10日,猎鹰九号在执行CRS-5发射任务时测试火箭回收技术。第一级火箭在发射后,落向大西洋上一艘驳船改装的着陆平台,虽然准确地命中目标,但由于下降速度过快,导致火箭在甲板上发生爆炸。

2月12日,猎鹰九号在为美国国家海洋和大气管理局发射深空气候观测站(DSCOVER)卫星时再次测试火箭回收技术。由于当时海上风浪很大,驳船被迫撤回,火箭虽然在海面上成功软着陆,但最终落入水中。

4月14日,猎鹰九号在执行CRS-6发射任务时再次测试火箭回收技术。虽然一级火箭准确着陆在驳船甲板上,但由于横向速度过大,火箭未能在甲板上稳稳站立,最终导致倾覆爆炸。

6月28日,猎鹰九号第三次尝试海上回收火箭。但这次更长,遭遇到了发射失败,火箭以及给国际空间站运货的飞船,统统在高空解体。

连战连败,SpaceX开始闭门思过,认真检查每一个环节,改进设计方案。他们改进了发动机引擎和火箭的多级分离系统,并调整了燃料配方。

在此期间,美国另一家民营航天企业蓝色起源公司的新谢泼德火箭实现了回收。虽然,新谢泼德火箭只是一枚探空火箭,只是在地球大气层内的亚轨道飞行,并没有飞出地球大气层,也没有发射航天器的能力,只适用于开展商业太空旅游体验。但相关舆论给了SpaceX很大的压力。

闭关半年之后的12月22日,赶在圣诞节这一西方人最重要的节日之前。SpaceX再次测试火箭回收技术,终获成功。

这是猎鹰九号的第20次飞行,也是设计方案升级后的第一次飞行。经历了重重失败之后,所有人终于可以安心回家过新年了。

火箭成功发射,起飞后1分13秒,推进达到1马赫;

1分24秒,火箭达到最大动压;

2分20秒,火箭第一级关机;

2分24秒,火箭多级分离;

2分35秒,第二级火箭点火;

2分55秒,火箭整流罩分离;

4分钟左右,第一级火箭返回飞行点火;

8分钟左右,第一级火箭再次点火,火箭再入地球大气层;

9分40秒,第一级火箭稳稳站立在发射场附近的陆上着陆平台,火箭回收成功。

可回收火箭究竟难在何处

可回收火箭究竟难在何处?

难就难在十分复杂的电子系统上。电子系统是火箭的大脑,由遍布箭体的各种传感器获取火箭飞行的各种参数,然后通过信息汇总、计算,及时调整飞行方案,这一过程类似大脑的思考和决策过程。通过各种控制部件,执行指令,这一过程类似大脑控制我们身体上的各种运动器官。

猎鹰九号火箭实现成功回收,足以证明该型火箭的电子系统十分强大。

猎鹰九号的第一级火箭共有九台发动机,发射的时候九台发动机一起点火,用大推力使火箭摆脱地球引力升空。而在回收着陆的时候,猎鹰九号关闭其中的六台发动机,只剩三台继续工作。而且,这剩下的三台发动机的推力是精确可调的,这样才能使庞大身躯的火箭在刚刚着地时的速度基本为零,平稳地降落在平台上。

猎鹰火箭要实现平稳着陆,成功回收,可以调节推力的火箭发动机是成功的关键。要实现发动机推力可调,就需要改变燃烧室、燃料泵等的设计,实时调节发动机内部的温度和压力,并调节燃料的流量。这种大推力的可调发动机既要用于火箭发射阶段,又要用于回收时的减速反推。相当于一个人既要获得世界举重冠军,又要能干十分灵巧的绣花针,实际上是一件很难的事情。

一旦实现发动机推力可调,就可以实现火箭的定时、定点入轨,相当于给火箭安装了油门,可以实现与其他航天器的快速交会对接。

新一代运载火箭究竟新在何处

随着航天运输的需求越来越多样化,传统的运载火箭已经到了不得不更新换代的阶段。当前,世界各航天大国正在致力于研发新一代运载火箭,将采用大量的新技术和新材料,实现降低成本、提高可能性、满足多样化需求的目标。

那么,所谓新一代火箭,究竟新在何处?

纵观世界各航天大国,俄罗斯正在致力于研制安加拉系列火箭(Angara),这是一个全新的火箭家族,由俄罗斯联合火箭航天集团公司研发。通过捆绑式的多个通用火箭模块,安加拉火箭可以根据需要组合出不同推力的火箭,火箭推力从2吨到75吨不等,可以适应不同运载重量的航天发射需要。安加拉系列火箭研发成功后,将取代现在的虎啸号火箭和质子号火箭,成为未来俄罗斯航天运输的主力。2014年12月23号,“安加拉-A5”型火箭在普列谢茨克发射,迈出了成功的一步。

美国正在研发的新一代重型运载火箭“太空发射系统”(Space Launch System),号称是人类历史上最强大的运载火箭系统,巨型发动机的长度达54米,运载能力超过130吨,在未来的载人登陆火星和载人深空探索中将发挥关键作用。2015年3月11日,“太空发射系统”进行了试验性发射,整个过程非常成功。根据规划,“太空发射系统”火箭的首次正式发射将于2017年进行。

欧洲致力于研发新的阿丽亚娜6型火箭(Ariane 6),以取代现有的阿丽亚娜5型火箭,计划于2020年进行首次发射,2021年发射次数增加到4次,2023年开始年发射次数增加到11次。

日本在H-IIA运载火箭成功率大大提高之后,正在研制H-X新一代火箭,该火箭的第一级和第二级将使用液氢液氧作为燃料的火箭发动机,并研制固体燃料助推器,通过采用前沿技术,实现航天运输的低成本和高可靠。

与上述政府支持的重型运载火箭相比,SpaceX作为一家民营航天企业,成功地改变了航天高大上的特点,大大降低了进入太空的成本,使航天越来越平民化,越来越多的普通人都可以接触到航天,这给传统航天业带来的改变一定是颠覆性的。

SpaceX的成功对航天业有何影响

虽然火箭可回收,与汽车可加油还是有相当差异的。毕竟那么庞大的一个物体经过了高速飞行,经历了高温燃烧,有些部件是无法重复利用的。但确确实实可以大幅度地降低成本,至少价值数百万、上千万美元的发动机不再是一次性的,可以回收再次利用。

猎鹰九号火箭的标准发射费用为5400万美元,而中国的长征三号乙火箭在海外报价的发射费用也在6000万美元以上,所以即便不回收,猎鹰九号也已经成为世界上最便宜的发射工具。

这次,猎鹰九号的成功回收更是让很多外行人感叹,廉价航天时代即将来临。

记得前段时间猎鹰火箭连连失败的时候,航天界有人嘲笑马斯克,说航天是需要积累的,不是谁都能搞的。现在,猎鹰九号的成功回收是对这些嘲讽最好的回应。

SpaceX的成功不仅在于技术的先进性,更在于采用了不同于传统航天业的商业化运作模式。传统航天业往往采用研发模式,每一枚火箭都需要设计、生产、测试等等,不仅环节复杂,而且大大增加了生产周期和生产成本,浪费了大量的人力物力。而且,每一次设计都会有新的风险,导致可靠性不够稳定。

SpaceX由于采用了商业化发展的方式,所有的软硬件均在它的控制范围内,不存在外包环节,所以造火箭和飞船就类似于我们造洗衣机和冰箱,全程质量可控。他们在航天领域率先实践流水线化的生产模式,只要一次成功,便可以次次成功,并通过大规模生产,大幅度降低生产成本。虽然也会存在一定的故障率和次品率,但不存在重新研发的风险。

SpaceX作为一家民营航天企业,十分注重成本和质量控制。由于采用了商业化模式,很多产品都会尽量按照批次生产和采购,也都会尽可能地回收利用。之前的每一次失败,实际上都是在进行相关的技术测试,然后改进方案,并非我们想象的是在烧钱。

而反观传统航天业,一直给人一种神秘的感觉,虽然顶着高大上的光环,但其内部照样会面临很多体制机制问题,阻碍技术创新。由于缺少外部竞争,问题逐渐积累,改革十分艰难。这也是美国政府不遗余力扶持民营航天的原因之一,他们要给自己扶持竞争对手,让外部压力增大,才能触动内部僵化的利益格局。

独立自主、自力更生的中国航天领域一直是我们的骄傲,但这种骄傲更多局限在国土之内,航天发展在对国民经济推动方面还有很大的潜力可挖。中国的高铁和核电,已经大踏步走出国门,成为中国走向世界的名片。用中国人的智慧,挣全世界的钱。在这一点上,中国航天界还有很长的路要走。在某种程度上,航天要向高铁和核电学习,只有大进大出,充分开放和竞争,经历市场风雨的洗礼,才能成长为参天大树。

乔布斯一个人和他领导研发的智能手机,使手机从单纯的通信工具变成了一台微型电脑,成为了个人生活和娱乐中心,更颠覆了传统手机行业的格局。马斯克一个人和他领导研发的可回收火箭,对航天业的影响还远远没有发挥出来,或许也将改变整个航天业的发展格局。这一点,需要中国航天界引起足够的重视。

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