投递人 itwriter 发布于 2018-02-07 18:25 原文链接 « »

  参考:科普中国、语宙、中国新闻网、DeepTech 深科技、虎嗅网

  【腾讯科技综合报道】特斯拉创始人埃隆·马斯克( Elon Musk )被誉为硅谷“钢铁侠”,他创办的另一家美国太空探索公司 Space X 再创奇迹。美国东部时间 2 月 6 日 15:45 分(北京时间 2 月 7 日4:45 分),Space X 成功发射猎鹰重型火箭(Falcon Heavy)。猎鹰重型火箭从佛罗里达肯尼迪航天中心发射升空,随后完成了一级火箭的分离和回收。

  一、关于猎鹰重型火箭的发射

  据美国宇航局官网(NASA)6 日消息,当地时间下午 3 时 45 分,猎鹰重型火箭在位于卡纳维拉尔角(Cape Canaveral)的肯尼迪航天中心 LC-39A 平台顺利升空。火箭上搭载着 SpaceX 公司旗下的一辆特斯拉红色敞篷跑车 Roadster 升空。车座上还放置着一个假人模型,作为演示。车内设有摄像头,供实时拍照,监控车辆情况。

  火箭直升云霄,按照既定轨道持续升空,位于美国弗罗里达州卡纳维拉尔角的航天发射中心硝烟四起,非常壮观。

  猎鹰重型火箭共有 3 枚一级火箭和 27 个引擎,发射时可产生约 227 万公斤的推力。其中,2 个火箭助推器完成过 2016 年猎鹰火箭的发射任务。

  火箭升空后大概三分钟,完成了助推器分离,这是猎鹰重型火箭起飞过程中的一大关键时刻。然后,火箭剩余部分继续飞行,逐步进入既定轨道,火箭上的摄像机拍下了画面并传送给地面,看上去已经逐渐脱离了地球轨道。

  若推进器能回收成功,未来该公司将再度利用,以降低发射成本。正因为运用了回收火箭发射部件,这枚猎鹰重型火箭的成本为 9 千万美元。据知,正在调试中的 Delta IV 重型火箭成本约达 3.5 亿美元。

  SpaceX 首席执行官埃隆·马斯克(Elon Musk)称,猎鹰重型火箭的任务目标是把这辆跑车送上火星轨道。

  太空舱计划穿过地球范艾伦(Van Allen)辐射带,进入霍曼转移轨道(Hohmann transfer orbit)。这一轨道将帮助太空舱节省燃料,尽量接近火星,远离太阳。该公司称,跑车将不会靠近火星,不存在将地球的微生物带入火星的可能性。

  对于美国航天业来说,猎鹰重型火箭的成功发射意味着在航天飞机退役后,美国人又一次有了将宇航员带入太空的能力,无需再依赖俄罗斯飞船。而另一方面,作为目前世界上运载能力最强的火箭,猎鹰重型火箭的运载能力是目前最大火箭的两倍,它的成功发射意味着人类探索太空的一个新开端。

  二、猎鹰重型火箭的创新

  猎鹰重型火箭,是 SpaceX 最先进的研究成果,原计划 2013 年首发、但经过数次推迟,刚刚完成首次真正意义上的太空发射。

  重型猎鹰火箭自身的超强性能和绝佳的性价比一举打破了多项世界纪录,使其成为目前人类现役的火箭中运载能力最强的一款。

  近地轨道运载能力(LEO):63.8 吨——相当于一架满载乘客的波音 737 客机,比目前纪录保持者德尔塔 IV 重型火箭的 28.8 吨足足提高了两倍还多;

  地球同步轨道运载能力(GTO):26.7 吨——相当于二战时英军一辆“玛蒂尔达”II 型坦克;

  火星轨道的运载能力:16.8 吨——相当于一台 LAV3 装甲车。

  重型猎鹰火箭高 70 米,宽 12.2 米,起飞重量 1420 吨,起飞时 27 台梅林 1D 发动机同时工作,可以提供高达 2280 多吨的起飞推力。这种运载能力也只有专用登月的土星 5 号和前苏联的航天飞机“御驾”能源号火箭可以俯视。

  另外,火箭还具有部分回收功能,可顺利返航并回收利用。

  关于猎鹰重型火箭所运用到的创新技术,“语宙”列举了几个创新点,主要包括:

  1、多发动机组合的高可靠性设计技术

  “猎鹰重型”运载火箭一子级采用 27 台 Merlin-1D+ 发动机,是当前世界上发动机数目最多的火箭。在传统设计理念中,为避免采用多发动机导致复杂的耦合振动、火箭推重比下降、系统可靠性降低等问题,火箭一子级发动机数目通常控制在 10 台以内。历史上曾有N-1 火箭一子级采用了 30 台发动机,但其四次发射均以失败告终。“猎鹰重型”运载火箭一子级大胆采用了挑战传统的 27 台发动机方案,但采用先进的设计手段确保了其高可靠性。

  2. 动力冗余技术

  “猎鹰重型”运载火箭所采用的动力冗余技术是指在其主动段飞行过程中,当 1 台或多台发动机发生故障,在不影响其余发动机正常工作的情况下,箭载控制系统对故障发动机实施紧急关机、故障隔离,继续执行并完成主发射任务的一项技术。该技术极具挑战性,涉及的主要关键技术包括:一是动力系统故障诊断隔离技术;二是弹道在线规划与重构技术。

  3. 可重复使用技术

  “猎鹰重型”运载火箭一子级各个通用芯级均安装有栅格舵,可用于辅助箭体再入过程中姿态稳定控制,并提供一定的气动阻力用于减速。各个通用芯级的着陆装置为四个支腿,在火箭发射后的上升段及再入过程中收拢于箭体,当火箭一子级减速即将着陆于地面或海上平台之前展开;支腿由液压装置执行收拢展开,并具有展开后锁死的能力;支腿主要由碳纤维及铝合金蜂窝板构成,轻质且能满足载重需求;支腿带有液压减震器,可进一步减缓垂直着陆带来的巨大冲击。

  4. 发动机节流技术

  为保证一子级助推器分离时芯级仍有最多的推进剂,达到延长芯级飞行时间、提升火箭运载能力的目标,“猎鹰重型”运载火箭在设计之初拟采用在一子级助推器与芯级之间通过交叉管路连接实现推进剂共用的推进剂交叉输送技术。该技术的实现难度较大,目前仍有许多难点问题待解决。

  在首飞任务中,“猎鹰重型”运载火箭主要充分利用一、二子级发动机的节流变推力能力,来替代推进剂交叉输送技术实现其拟达到的目标。该方式与采用推进剂交叉输送技术相比可减小火箭设计复杂性,降低风险发生概率。

  5. 其它技术

  “猎鹰重型”运载火箭采用了牵制释放技术,在火箭竖立发射台点火起飞前,通过集成在发射台的牵制释放系统牵制住火箭,同时让火箭发动机竖立发射台低工况工作一段时间,对发动机主要敏感参数进行采集和评估分析,快速判断发动机工作状态,以提升火箭发射可靠性。

  “猎鹰重型”运载火箭采用了新型轻质箭体结构技术,氧箱利用铝锂合金壳体横造技术既能保证安全又可大幅降低结构重量,燃料箱利用箱壁桁条以及环形结构设计增加其承载能力。整流罩、助推头锥采用的复合材料,确保了质量最轻。该火箭还按照 NASA 载人发射标准进行了结构安全裕度设计。与其它火箭采用 25% 的结构安全裕度不同,“猎鹰重型”火箭是按比飞行载荷高出 40% 的结构安全裕度来设计的。尽管结构安全裕度高于其它火箭,但“猎鹰”重型运载火箭火箭捆绑助推器的重量比高达 30,优于史上任何火箭。

  除此之外,例如重型猎鹰火箭的助推器分离和一二级分离均采用的无损式“冷分离”模式(主要为冷氮喷射或机械式推杆)也是一大亮点,其相较于更为传统的爆炸式“热分离”无疑会更具优势,目前,SpaceX 所进行的数十次冷分离操作无一失败,证明足以被其他人借鉴应用。

  三、埃隆·马斯克和 space X

  2011 年 4 月 5 日,马斯克在美国全国新闻俱乐部上首次宣布了猎鹰重型火箭的计划。

  当时美国的航天业似乎已经陷入了前途未卜的困顿之中,仅仅几个月之后,美国人引以为傲的航天飞机就迎来了最后一飞,之后便彻底终结了历史使命。

  内外交困之中,马斯克带来了希望,他大胆承诺,重型猎鹰的运载能力将达到航天飞机和德尔塔 IV 重型火箭的两倍以上,只需要发射一次就可以将宇航员送上月球甚至火星。同时,在记者们的追问之下,他还大胆给出了重型猎鹰火箭的首飞时间:2012 年底。不过,就像马斯克本人当时所说的一样,“发射这件事本身就很难预测”,几经拖延之后,直到今天他才兑现了当时的诺言。

  事实上,这次的火箭发射任务也可以说是马斯克的一次太空 Show。

  在火箭发射的前一天,马斯克的 Twitter 就开始不断“刷屏”。先是推出一支最新的重型猎鹰概念片,后又贴出了几张颇具年代感的太空海报,随图配文“Mars Awaits”。

  至于送上火星轨道的特斯拉 Roadster 跑车,则是去年 11 月发布。相比此前款式,全新 Roadster 性能更强,0 至 96 公里每小时加速仅需 1.9 秒、续航力达 1000 公里,售价则为 20 万美元(约 126 万元人民币),将于 2020 年量产。而此次猎鹰重型火箭承载的 Roadster,是一台漂亮的红色版本,还配备了一个穿着 SpaceX 宇航服的假人驾驶员。

  马斯克还表示,特斯拉跑车将被送至火星轨道,顺利的话会在太空中漂浮数十亿年。

  四、业内点评

  资深军事科普作家空天松鼠在腾讯新闻“如何看待马斯克成功将全球最大火箭送上太空?”这一问题下回答道:这次发射绝对是历史性的一幕,一家私营公司用 5 亿美元(Musk: Total investment is half a billion. Probably more.)研制了这么大运力的重型火箭,从 NASA 到 CNSA,各个国家官方航天机构的脸都肿了。

  重型猎鹰火箭运力大,可以打各种大型载荷,从龙式载人飞船到毕格罗的充气空间站,还有 NASA 的深空探测器,比如欧罗巴快车和果汁(Juice),以后外太阳系探测器都可以用重型猎鹰打,便宜又高效。

  科普中国专家郑永春坦言,号称史上推力最大的猎鹰重型运载火箭,携带着马斯克的另一作品,一辆红色的特斯拉跑车,离开地球,飞往火星。马斯克宣称,这两跑车将在太空中飞上几十亿年。航天是高投入、高技术、高风险的事业。

  几年前,当马斯克宣布要自己研制火箭时,大家认为他是在吹牛。几年前,他宣布要实现火箭回收再利用时,大家认为他是在吹牛。现在他宣布要是有生之年,实现移民火星时,大家还是认为他在吹牛。但是,马斯克用他那近乎狂妄的梦想、超强的意志、强大的执行力,实现了一个又一个曾经吹下的牛皮。我是马斯克的强烈拥护者,几年前,曾经数次撰文,用 SpaceX 的经验,为商业航天在中国的发展鼓与呼。郑永春认为,这个世界的变革,是由像马斯克、乔布斯等这样的一些坚定甚至偏激的梦想家和实践家推动的。发射成功后,所有人都在关注马斯克这次又成功了。但实际上,猎鹰重型火箭发射后,最昂贵的芯一级火箭回收却失败了。芯一级火箭原计划在佛罗里达州附近的海上浮动平台着陆,结果三台发动机只有一台点火,导致火箭坠入海水中,但已经没有人关心火箭回收是否成功了。大家只关心他飞往火星的梦想能否实现了。但这个梦想的实现,需要经受更长时间的怀疑、寂寞、等待、失败,才能得以实现。人类因梦想而伟大。

  关于猎鹰重型火箭发射的难度,科普中国表示,在正式发射前,太空探索公司已经做了大量的准备和模拟工作。1 月份,猎鹰重型火箭完成静态点火测试,该试验原计划持续 12 秒,主要验证火箭的点火时序,振动情况和推力平衡情况。静态点火(Static Fire)试验,又称系留点火试验,是一种火箭发射前的预先点火试验。

  马斯克自己此前也曾表示:“这枚巨型火箭很可能会爆炸......”“太空事业很难”,这是火箭科学家们最喜欢说的一句话,马斯克也有同感。不过好在此次发射成功进行,这是人类太空史上重要的一笔。未来,猎鹰重型也将成为 spacex 公司火星殖民的很大一部分,他们将在计划前期向火星发射大量物资。

  最新消息,此次发射几乎完好无损地回收了其中两个助推器,不过可惜的是,该火箭的核心推进器掉入了水中,随后丢失。两个侧推进器分别着陆在肯尼迪空军基地的 LZ-1 和 LZ-2 着陆点,这也是 SpaceX 此前回收火箭的着陆点。不过,原计划降落在大西洋海上无人回收平台“Of Course I Still Love You”上的核心中间推进器,由于返程引擎未能启动,助推器不幸以 300 英里/小时的速度跌入水中,然后丢失。

  尽管如此,成功回收三个助推器中的两个仍然是一项巨大的成就,这不仅证明了 SpaceX 在回收助推器方面的进步,同时也为马斯克的愿景——开发可回收宇宙飞船提供了新的概念证明。自从宣布猎鹰重型火箭后,马斯克就一直在强调这枚火箭的首次飞行将是一次“高风险飞行”,因为让这枚火箭升空并让三个助推器都着陆需要很高难度的协调,堪称是“空中芭蕾”。

  毫无疑问,SpaceX 的猎鹰重型火箭发射成功,对于人类探索太空意义重大。据悉,马斯克希望在猎鹰重型火箭发射成功后,通过它搭载 Dragon 飞船、实现载人环游月球轨道并安全返回地球的计划,时间则是 2018 年内。看起来,马斯克的目标很快就会实现了。

 
来自: 腾讯科技
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标签: SpaceX 马斯克

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