艾倫·馬斯克的終極夢想——可重復(fù)使用運(yùn)載火箭

2014-01-06 01:52:02張雪松

太空探索 2014年7期

□ 張雪松

執(zhí)行國際空間站貨運(yùn)發(fā)射任務(wù)的“獵鷹”9號V1.1火箭

2014年4月18日，Space X公司的“獵鷹”9號V1.1型火箭執(zhí)行國際空間站貨運(yùn)發(fā)射任務(wù)時，第一級箭體成功實(shí)現(xiàn)了受控再入和軟落水，“蚱蜢”試驗(yàn)飛行器也連續(xù)成功，這似乎預(yù)示著Space X可重復(fù)使用運(yùn)載火箭的研制已經(jīng)看到了勝利的曙光。

作為一家新興航天企業(yè)，Space X在不過十二年的歷史上，取得了舉世矚目的成績。他們的“龍”貨運(yùn)飛船和“獵鷹”9號運(yùn)載火箭的研制都只花了三億美元左右，堪稱物美價廉；獵鷹系列火箭使用的“灰背隼”發(fā)動機(jī)幾經(jīng)改進(jìn)，無論是比沖、推重比等性能還是制造工藝和質(zhì)量，都令人刮目相看；他們還在研制重型獵鷹運(yùn)載火箭，計(jì)劃2015年年初發(fā)射，其近地軌道運(yùn)載能力可達(dá)53噸，將成為“土星”5號火箭以來運(yùn)力最強(qiáng)的運(yùn)載火箭。

相比于傳統(tǒng)航天公司，Space X的這些成績已經(jīng)非常出色了，但Space X更大的理想在于廉價進(jìn)入太空和星際殖民，為了這個宏偉的理想，該公司建立伊始就力圖研制和突破運(yùn)載火箭的可重復(fù)使用技術(shù)。

可復(fù)使用運(yùn)載工具的過去

如果我們的汽車只跑一趟就要報(bào)廢，如果我們的電腦只能開機(jī)一次，那汽車和電腦的使用成本必然高居不下更無法普及。目前運(yùn)載火箭是人類進(jìn)入太空的唯一工具，不過從1957年第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射成功以來，運(yùn)載火箭都是一次性使用的，航天專家們對一次性運(yùn)載火箭的劣勢心知肚明，也一直做出大量的努力攻關(guān)可重復(fù)使用的航天運(yùn)載工具。美國航宇局和美國空軍聯(lián)合研制的可重復(fù)使用的航天飛機(jī)曾帶來了一線曙光，但航天飛機(jī)投入使用后人們尷尬地發(fā)現(xiàn)，其發(fā)射成本居然比一次性的運(yùn)載火箭還要貴，加上挑戰(zhàn)者號事故，美國空軍最終退出了航天飛機(jī)項(xiàng)目，投資研制漸進(jìn)一次性運(yùn)載火箭(EELV)項(xiàng)目，從而誕生了目前世界運(yùn)載火箭中首屈一指的“宇宙神” V和“德爾它” IV系列火箭。不過性能再強(qiáng)大，技術(shù)再先進(jìn)的一次性運(yùn)載火箭畢竟也只能一次性使用，仍然要面對發(fā)射成本高的困境。雖然由于人力物力成本的不同，世界各國的一次性運(yùn)載火箭發(fā)射成本參差不齊，但普遍在數(shù)千美元每千克的級別上，這也導(dǎo)致全世界的航天產(chǎn)業(yè)無法全面商業(yè)化，而是極為依賴政府投資。

世界航天工業(yè)界一直以極大的熱情和投資研制可重復(fù)使用的運(yùn)載工具，這其實(shí)并不奇怪，一次性運(yùn)載火箭成本控制得再好，對有效擴(kuò)大市場規(guī)模來說也無濟(jì)于事。理論上只有通過重復(fù)使用才能極大地降低成本，使人類有能力進(jìn)行大規(guī)模太空商業(yè)開發(fā)。各國航天機(jī)構(gòu)幾十年來投入巨資進(jìn)行可重復(fù)使用運(yùn)載工具的研制，提出了多種方法，嘗試了各種途徑。典型如美蘇兩國的航天飛機(jī)，其中美國的航天飛機(jī)設(shè)計(jì)中可重復(fù)使用的軌道器自帶三臺主發(fā)動機(jī)，而蘇聯(lián)的航天飛機(jī)軌道器沒有主發(fā)動機(jī)，嚴(yán)格地說蘇聯(lián)的暴風(fēng)雪號航天飛機(jī)很難說是運(yùn)載工具。至于歐洲和日本曾研制的小型航天飛機(jī)，更是由一次性運(yùn)載火箭將重復(fù)使用的軌道器直接送入軌道，這樣的概念到是和現(xiàn)在仍在太空飛行的X-37B幾乎一樣。美日歐等國還曾提出使用超燃沖壓發(fā)動機(jī)的空天飛機(jī)設(shè)計(jì)，但由于發(fā)動機(jī)、熱控和飛控等技術(shù)問題，最終都胎死腹中。目前人們正在研究第一級重復(fù)使用、第二級一次性使用的可重復(fù)使用運(yùn)載工具模式，希望通過降低要求降低難度和風(fēng)險(xiǎn)，最終過渡到完全可重復(fù)使用的運(yùn)載工具，并最終降低發(fā)射成本。

“獵鷹”9號火箭豎立在發(fā)射臺上

堅(jiān)持夢想的Space X

Space X成立于2002年，創(chuàng)始人艾倫·馬斯克在建立這家公司時不僅提出了星際殖民的遠(yuǎn)期宏偉目標(biāo)，隨后還提出了大幅度降低發(fā)射成本的目標(biāo)。2004年馬斯克表示，他認(rèn)為未來可以將發(fā)射成本降低到500美元每磅或是更低。2005年9月8日Space X公開“獵鷹”9號火箭的研制計(jì)劃時，聲稱這是一種可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭，將會以2700萬美元的價格將9.5噸的載荷送入近地軌道，平均每磅的發(fā)射費(fèi)用僅有1286美元。時至今日，一次性使用的”獵鷹”9號V1.1火箭以5650萬美元的發(fā)射報(bào)價，可以將13.16噸的載荷送入近地軌道，平均每磅的發(fā)射費(fèi)用1949美元，雖然離當(dāng)初的目標(biāo)還有一定距離，但已經(jīng)是目前最便宜的運(yùn)載火箭了。

“獵鷹”9號的成功固然令人振奮，但對比2005年的指標(biāo)，火箭發(fā)射成本仍然上漲了將近一倍，如果考慮到“獵鷹”9號很多發(fā)射并不是滿負(fù)荷的發(fā)射，實(shí)際的單位發(fā)射成本還要更高，Space X的火箭雖然號稱廉價，但還是太貴了。唯有重復(fù)使用才能降低發(fā)射成本，2011年馬斯克曾針對“獵鷹”9號火箭作了具體分析，稱“獵鷹”9號V1.0火箭的液氧煤油推進(jìn)劑，包括第一級39000加侖的液氧和25000加侖的煤油、第二級7300加侖的液氧和4600加侖的煤油的總成本僅有20萬美元，而當(dāng)時“獵鷹”9號火箭發(fā)射報(bào)價高達(dá)5400萬美元。馬斯克豪情萬丈地表示，通過運(yùn)載火箭的重復(fù)使用，未來將發(fā)射成本降低為現(xiàn)在的百分之一也是可能的，至少也要做到現(xiàn)有發(fā)射成本的1/20。當(dāng)然Space X的現(xiàn)實(shí)目標(biāo)暫時還沒有這么樂觀，2013年6月公司COO Gwynne Shotwell在新加坡衛(wèi)星工業(yè)論壇表示，該公司尋求通過重復(fù)使用將“獵鷹”9號火箭的發(fā)射價格降低到500萬～700萬美元，或者說現(xiàn)有發(fā)射價格的1/8到1/10。Space X要實(shí)現(xiàn)這個令人激動的目標(biāo)必然要付出艱苦的努力，但一旦變成現(xiàn)實(shí)將徹底改變航天發(fā)射市場，甚至整個航天工業(yè)體系。

Space X的復(fù)用技術(shù)

Space X畢竟是一家歷史很短的公司，它通過“獵鷹”1號火箭的最終成功，證明了自己研制的運(yùn)載火箭能夠經(jīng)受實(shí)際發(fā)射飛行的考驗(yàn)，并為“獵鷹”9號的成功奠定了基礎(chǔ)。那么在“獵鷹”1號時代研制可重復(fù)使用技術(shù)，自然也不會多么靠譜。Space X最早試圖使用降落傘海上回收獵鷹火箭的箭體，打撈后運(yùn)回重復(fù)使用，不過“獵鷹”9號火箭的前兩次發(fā)射中，降落傘著陸落水方式都以失敗告終，其中第一次發(fā)射試驗(yàn)中第一級箭體分離后甚至沒有收到遙測信號，第二次收到了遙測信號但第一級仍在再入大氣層的過程中破碎解體。接連的失敗證明無控再入大氣層的設(shè)計(jì)并不可行，再考慮到降落傘軟著陸方式面臨的著陸區(qū)氣象條件和周轉(zhuǎn)速度等實(shí)際困難，Space X轉(zhuǎn)向其他的技術(shù)路線，開始研制火箭反推返回發(fā)射場的復(fù)用技術(shù)，并應(yīng)用在“獵鷹”9號V1.1型火箭上。

火箭發(fā)動機(jī)的比沖要比航空噴氣式發(fā)動機(jī)的等效比沖低得多，多數(shù)運(yùn)載工具重復(fù)使用方案不是助推級使用降落傘減速著陸/落水，就是火箭發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)后啟動噴氣發(fā)動機(jī)巡航返回。對比主流的可重復(fù)使用返回概念，Space X的火箭反推返回發(fā)射場并降落比較新穎，但并非革命性的創(chuàng)造。美國航天飛機(jī)就有名為返回發(fā)射場(RTLS)的發(fā)射中止方式，使用主發(fā)動機(jī)反推減速后再加速返回肯尼迪發(fā)射場，不過航天飛機(jī)在RTLS方式飛行中有很長一段飛行屬于無動力滑行，著陸也是常規(guī)方式。太空探索公司當(dāng)年的戰(zhàn)友Kistler公司的K-1運(yùn)載火箭第一級同樣使用火箭反推返回發(fā)射場的設(shè)計(jì)，使用NK-33發(fā)動機(jī)的K-1火箭第一級將在約4馬赫時關(guān)機(jī)分離并啟動發(fā)動機(jī)返回發(fā)射場，不過K-1第一級使用降落傘軟著陸，與“獵鷹”9號V1.1型火箭仍有一些區(qū)別。要說和“獵鷹”9號V1.1最像的，當(dāng)屬俄羅斯馬卡耶夫設(shè)計(jì)局的ROSSIYANKA火箭，它的第一級同樣使用火箭發(fā)動機(jī)反推返回著陸場并垂直著陸的概念，不知道馬斯克手下的工程師們是否受到了它的啟發(fā)。不過馬卡耶夫設(shè)計(jì)局并沒有資金支持垂直起降(VTVL)的ROSSIYANKA火箭從紙面變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，而Space X的“獵鷹”9號V1.1火箭，在第四次發(fā)射中就成功實(shí)現(xiàn)了受控完整再入和軟落水。

“獵鷹”9號V1.1火箭著陸腿支架結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)

“獵鷹”9號V1.1火箭重復(fù)使用的兩個關(guān)鍵難題，一個是受控再入大氣層，另外一個就是從高速狀態(tài)受控垂直降落，針對這兩方面的技術(shù)難關(guān)，Space X選擇在實(shí)際發(fā)射中驗(yàn)證第一級受控再入技術(shù)，同時研制了名為“蚱蜢”的垂直起降試驗(yàn)飛行器驗(yàn)證垂直降落的控制技術(shù)。最近這兩方面都收獲了成功，Space X “獵鷹”9號V1.1火箭第一級火箭飛回發(fā)射場的試驗(yàn)已經(jīng)不遠(yuǎn)了。

Space X的可重復(fù)使用試驗(yàn)

2013年9月29日“獵鷹”9號V1.1火箭的第一次飛行中，Space X就試驗(yàn)了火箭第一級受控再入的技術(shù)?！矮C鷹”9號V1.1火箭的首次發(fā)射是一次驗(yàn)證性質(zhì)的飛行，只攜帶了加拿大實(shí)驗(yàn)通訊衛(wèi)星CASSIOPE和數(shù)顆小衛(wèi)星，除了驗(yàn)證能否將載荷順利發(fā)射入軌，它更大的價值在于進(jìn)行第一級可重復(fù)使用的技術(shù)驗(yàn)證。

或許是由于大量新技術(shù)的使用，以及可重復(fù)使用試驗(yàn)的技術(shù)難度，這次發(fā)射前Space X稱試驗(yàn)成功的可能性大概只有10%，真可謂九死一生。不過火箭的實(shí)際飛行結(jié)果表明，他們的運(yùn)氣真不錯。火箭第一級發(fā)射升空163秒后主發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)，第170秒火箭一二級分離?；鸺谝患壏蛛x后使用冷氣RCS系統(tǒng)控制飛行姿態(tài)，隨后發(fā)動機(jī)進(jìn)行了兩次重新啟動，第一次重啟動降低了火箭的速度，隨后火箭成功受控完整再入大氣層，不過遺憾的是，由于姿態(tài)控制能力不足，發(fā)動機(jī)第二次重啟動后，火箭出現(xiàn)了自旋現(xiàn)象導(dǎo)致發(fā)動機(jī)過早關(guān)機(jī)，最終火箭第一級以45米每秒的速度砸向海面，墜毀于距離發(fā)射場范登堡空軍基地西南幾百英里外的太平洋里。雖然這次可重復(fù)使用試驗(yàn)并沒有成功，但也絕不能用失敗來形容，用公司CEO艾倫·馬斯克的話說：距離成功只有一步之遙。

“獵鷹”9號V1.1火箭隨后的兩次發(fā)射并沒有進(jìn)行第一級受控再入落水的試驗(yàn)，但space X的工程師們表示，他們已經(jīng)找到了第一次試驗(yàn)姿態(tài)失控的原因，據(jù)稱主要是由于冷氣RCS控制能力不足所致。工程師們表示火箭裝上四個著陸腿，在下落過程中展開后，配合冷氣RCS即可提供足夠的控制能力，不會再次陷入失控的自旋。2014年4月18日“獵鷹”9號V1.1火箭的第四次發(fā)射，進(jìn)行了火箭第一級的第二次可重復(fù)使用試驗(yàn)。

俄羅斯馬卡耶夫設(shè)計(jì)局的ROSSIYANKA火箭飛行示意圖

俄羅斯馬卡耶夫設(shè)計(jì)局的ROSSIYANKA火箭的結(jié)構(gòu)

“獵鷹”9號V1.1火箭進(jìn)行受控軟落水時，第一級發(fā)動機(jī)在靠近海面附近進(jìn)行第三次點(diǎn)火

相對于國際空間站貨運(yùn)任務(wù)的波瀾不驚，這次“獵鷹”9號的第一級能否完整回收吸引了航天愛好者們更多的目光。美國東部時間4月18日下午3時25分，火箭發(fā)射升空，第163秒后第一級發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)隨后分離，火箭第一級的發(fā)動機(jī)隨后成功進(jìn)行了第二次點(diǎn)火和關(guān)機(jī)并順利穿過了大氣層。艾倫·馬斯克在推特網(wǎng)站發(fā)表的推文顯示，火箭第一級下落到距離海面8500米的高度時速度約為360米每秒，而且姿態(tài)控制良好。在良好的姿態(tài)控制下，火箭第一級的第三次點(diǎn)火工作也獲得了成功，第一級落水后仍繼續(xù)發(fā)送信號，證明第一級完整落入海中，不過8秒后第一級倒下轉(zhuǎn)為水平后信號才終止。Space X事后發(fā)布了箭體攝像機(jī)拍攝的原始視頻，雖然視頻質(zhì)量極差但仍可以看到點(diǎn)火的過程，為第一次成功的軟落水留下了珍貴的資料。這次試驗(yàn)的成功，標(biāo)志著火箭重復(fù)使用已經(jīng)跨過了最困難的受控再入和軟著陸的難關(guān)，具有極為重要的價值。

Space X的垂直起降試驗(yàn)飛行器也不斷獲得成功，第一階段蚱蜢連續(xù)進(jìn)行了多次試飛，并最高飛到744米的高度，原名蚱蜢2現(xiàn)在叫做“獵鷹”9號復(fù)用試驗(yàn)器(F9R)的飛行器也先后進(jìn)行了兩次試飛，第一次飛行高度250米，第二次達(dá)到了1000米，F(xiàn)9R飛行器未來將進(jìn)行更多的試飛，進(jìn)一步刷新飛行高度、飛行速度、水平移動距離的記錄，平滑對接再入后的“獵鷹”9號第一級箭體飛行狀態(tài)，為“獵鷹”9號第一級火箭從超音速返回發(fā)射場并垂直著陸做好技術(shù)驗(yàn)證。

F9R試驗(yàn)飛行器第一次飛行

受到“獵鷹”9號和蚱蜢飛行器試驗(yàn)成功的鼓舞，Space X宣布今年還將進(jìn)行兩次火箭第一級的受控再入試驗(yàn)，年底可能進(jìn)行首次火箭第一級飛回發(fā)射場并降落的試驗(yàn)。如果年底的試驗(yàn)成功的話，Space X將實(shí)現(xiàn)人類歷史上第一次飛回式的火箭重復(fù)使用，這對期待火箭重復(fù)使用的人們來說將是極大的鼓舞。

可重復(fù)使用“獵鷹”9號的未來

“獵鷹”9號V1.1火箭以物美價廉著稱，如果未來可以通過重復(fù)使用，真的將成本降低到500萬～700萬美元，全世界就更不可能有任何其他運(yùn)載火箭可以與之競爭了。人類已有的可重復(fù)使用運(yùn)載工具如航天飛機(jī)，曾遇到發(fā)射價格更高的尷尬，“獵鷹”9號會不會重蹈覆轍，現(xiàn)在還不得而知。

“蚱蜢”垂直起降試驗(yàn)飛行器

“獵鷹”9號V1.1火箭的重復(fù)使用設(shè)計(jì)相當(dāng)簡單，重復(fù)使用版本與一次性使用版本的差別，主要是增加了使用液氮的冷氣RCS和著陸腿，另外在火箭的飛行控制上也進(jìn)行了一些改進(jìn)，研制生產(chǎn)成本差別很小，這與航天飛機(jī)為了可重復(fù)使用付出巨大的研制和使用成本形成了極為鮮明的對比，也就無需像航天飛機(jī)那樣，只有很高的發(fā)射頻率才能降低發(fā)射成本。根據(jù)馬斯克的說法，“獵鷹”9號V1.1火箭重復(fù)使用對比不重復(fù)使用要付出運(yùn)力下降30%的代價，航天飛機(jī)是以一個100噸級近地軌道運(yùn)力的發(fā)射工具，發(fā)射最高不到30噸的可用載荷入軌，僅從這一點(diǎn)上說“獵鷹”9號V1.1的重復(fù)使用就有更好的經(jīng)濟(jì)性。航天飛機(jī)使用客貨混用的設(shè)計(jì)，對安全性和可靠性要求極高，而發(fā)射頻率一高難免出現(xiàn)問題，但航天飛機(jī)理論上的廉價發(fā)射成本又是建立在很高的發(fā)射頻率上的，這樣的悖論讓航天飛機(jī)根本無法降低發(fā)射成本?！矮C鷹”9號火箭的可重復(fù)使用設(shè)計(jì)可以使用新生產(chǎn)的火箭進(jìn)行安全性要求很高的載人發(fā)射或價格更高的高價值載荷發(fā)射，而要求較低的貨運(yùn)發(fā)射則使用回收后再利用的箭體，同時可重復(fù)使用型的價格差別也很小，火箭的經(jīng)濟(jì)性無需高發(fā)射頻率的支持，從根本上避免了航天飛機(jī)面對的巨大風(fēng)險(xiǎn)。