最疯狂的小白鼠,详解猎鹰重型火箭背后那些不为人知的秘密!

近日备受瞩目的猎鹰重型火箭已经在肯尼迪航天中心的第39A发射平台上起竖。


最疯狂的小白鼠,详解猎鹰重型火箭背后那些不为人知的秘密!​这个人类历史上首次搭载红色跑车的重型火箭,预计将在未来一周左右进行首次静态点火测试,最快将于明年1月份进行首次发射。

最疯狂的小白鼠,详解猎鹰重型火箭背后那些不为人知的秘密!​如果猎鹰重型运载火箭发射成功,它将是目前世界现役运载火箭中运载能力最大的火箭。

不过,猎鹰重型在发射台竖起后不久就被撤下,但航天事业毕竟是高风险行业,火箭发射数次推迟甚至失败都是非常常见的现象,像猎鹰重型原定于2013年首飞,历经数次推迟而拖到了今天,重型猎鹰的原型猎鹰九更是数次发射失败。

那么这款猎鹰重型到底是怎样的一款火箭,真的像SpaceX公司所力主的那样,猎鹰九与猎鹰重型都是一款廉价火箭吗?

其实从猎鹰重型的原型猎鹰九来说,它的一次发射费用约为6000万美元,这个发射成本已经可以追平我们以前的长征2E、长征3B火箭,甚至略低。
最疯狂的小白鼠,详解猎鹰重型火箭背后那些不为人知的秘密!​图注:回收中的猎鹰九火箭第一级。

而猎鹰九火箭的一级可以回收,即猎鹰九一次发射后,它的第一级不是直接抛弃,而是通过发动机继续工作,自己飞回陆上发射场或海上回收平台进行回收。

这样,第一级多次重复利用,再次组装的“二手”火箭,造价自然更便宜,当然火箭保险费用要成倍增长。

而猎鹰重型不仅在发射成本上大幅降低,火箭性能也极其强大,比如它的近地球轨道(LEO)的运力是63.8吨,是长征5号的23吨,欧洲阿丽亚娜5的21吨,美国德尔塔4的28.79吨的两倍以上。
最疯狂的小白鼠,详解猎鹰重型火箭背后那些不为人知的秘密!​图注:猎鹰重型(LEO)比美国德尔塔4的两倍有余。

猎鹰重型能之所以有这么强大的性能,就不得不说一下它的前身猎鹰九火箭与梅林1D发动机。
最疯狂的小白鼠,详解猎鹰重型火箭背后那些不为人知的秘密!​图注:梅林1D发动机

首先,猎鹰重型与猎鹰九都是在极其激进的的条件下设计的火箭,它们采用的梅林1D液氧煤油发动机性能其实很一般,不论比冲,推力都要低于高压补燃发动机,比如它比冲只有311秒(比冲越大,油耗越小),比起中俄的高压补燃液氧煤油发动机小了大约5%左右,但它的推重比高,没有废气回路,同时降低了重量,精简了结构,可以重复使用。


最疯狂的小白鼠,详解猎鹰重型火箭背后那些不为人知的秘密!​图注:俄罗斯RD180高压补燃液氧煤油发动机。

而且猎鹰九与猎鹰重型的干重比很出色,火箭的主要重量来源于推进系统,而推进系统的主要重量就是燃料储箱,NASA的新复合材料低温储箱比铝镁合金还要再减重25%。

这就让猎鹰重型和猎鹰九的性能非常出色,比如猎鹰九它的发射质量约为550吨,近地轨道(LEO)运载能力22.8吨,地球同步转移轨道(GTO)运载能力8.3吨。而我们的长征7号,发射质量597吨,但LEO运力仅13.5吨,仅有猎鹰九的一半左右。

并且不仅是我们的火箭,欧洲,美国采用氢氧发动机的火箭,运载系数也与猎鹰九有较大差距,要知道氢氧动力火箭运载系数天然比液氧煤油动力火箭有优势。

但正如前文所说,猎鹰重型与猎鹰九的梅林1D发动机性能其实很一般,无法满足猎鹰九GTO的需求,于是采用9台发动机并联设计,提高运力的同时大幅降低了可靠性,猎鹰重型更是如此,采用三个猎鹰九火箭第一级,来组成它的第一级与助推器,看起来极其壮观。
最疯狂的小白鼠,详解猎鹰重型火箭背后那些不为人知的秘密!​图注:猎鹰重型,27台梅林1D发动机壮观的组合。


最疯狂的小白鼠,详解猎鹰重型火箭背后那些不为人知的秘密!​图注:猎鹰重型与前苏联N1火箭第一级30台并联火箭发动机相比,不遑多让。

而且猎鹰九与猎鹰重型取消了两套传统火箭发动机的废气回路,它将箭体结构做得非常轻,与此同时,还要将一级回收再利用,并且它们的发射准备还是“三平准备”方式,即火箭发射前是平躺在地面进行测试,然后水平进行整体星箭对接,再水平躺着运送到发射台,最后再在发射台上起竖。
最疯狂的小白鼠,详解猎鹰重型火箭背后那些不为人知的秘密!

最疯狂的小白鼠,详解猎鹰重型火箭背后那些不为人知的秘密!​​图注:重型猎鹰水平竖起。

这种方式可以使发射前的准备工作很便捷,也可以将发射场设备简化到最低程度。

但火箭是一种非常精密、复杂、柔弱的设备,特别是猎鹰九与猎鹰重型的箭体做到这么轻的情况下,采用三平准备的方式,对火箭的可靠性提出了极大的考验。

而猎鹰九还有一项与众不同的设计,就是以前各国发射近地轨道航天器,比如卫星,航天飞船,都会用二级火箭,而发射高轨道航天器比如GPS卫星、通讯卫星都会采用三级火箭。

发射高轨航天器用三级火箭,原因是星箭在进入近地轨道后,可以抛弃第二级减轻重量,这样往高轨道运送的效率更高。

可是猎鹰九的箭体足够轻,是一种火箭包打天下,既可以发射近地轨道航天器,又可以发射高轨道航天器,以后还会发射火星探测器,这样生产上会更有效率、成本更低。

这就造成了,与猎鹰九激进的高性能不同,它的可靠性很低,不算它的回收失败,它的26次发射中,2次失败,成功率仅有92.3%。如果除开使用梅林1C发动机的V1.0版本,使用梅林1D发动机的猎鹰9V1.1、猎鹰9FT(全状态)的两个版本共发射19次,2次失败,成功率就只有89.5%。
最疯狂的小白鼠,详解猎鹰重型火箭背后那些不为人知的秘密!​图注:爆炸的猎鹰九。

与之相比,我们长征系列火箭的发射成功率达到97%,美国德尔塔、宇宙神两种主力火箭成功率也超过95%,中国的载人火箭发射成功率更是达到100%。(骄傲脸)
最疯狂的小白鼠,详解猎鹰重型火箭背后那些不为人知的秘密!​图注:中国载人航天迄今为止成功率100%

而为了进一步提高运力,SpaceX公司这两年开始让猎鹰9V1.1/FT火箭尝试使用低温的液氧、煤油。众所周知,液体温度越低,它的密度越大,这样同样的火箭就能加注更多的燃料,并调大发动机功率,自然有更大的运力。

作为对比我们长征7号火箭使用的煤油是常温的,液氧温度是零下180多度;而这两年发射的猎鹰9号煤油是零下6至8度,液氧是零下207度。

但可怕的是,虽然燃料在低温下,密度提高,利于提高运力;但同时粘度也相对提高,安全性又进一步降低。

运载火箭从来都不是玩具,它是一个喜怒无常的人造怪物,它的发动机、管路负荷远超人们的想象。

火箭发动机的涡轮泵每秒要喷出数以吨计的燃料和氧化剂,功率达到10多万、20多万马力,与10万吨超级航母的发动机功率相当!这是一个极其可怕的数字,航母的动力系统是上千吨的重量,而火箭发动机的涡轮泵要达到如此惊人的功率,仅有几百公斤。
最疯狂的小白鼠,详解猎鹰重型火箭背后那些不为人知的秘密!​图注:俄罗斯RD-170火箭发动机的涡轮泵,功率是25.7万马力,与美国尼米兹级超级航母2座核反应堆的总功率相当。

而在原有发动机,燃料,氧化剂输送管路没有大幅改进的前提下,使用低温燃料,让粘度提高,这样涡轮泵、管路的负荷就变的更大,甚至达到了危险的程度,猎鹰九与猎鹰重型这样的尝试在以前都是疯狂的。

没有人知道那些失败的猎鹰九都经历了什么,但是,所有人都知道,它的第一级还要回收再利用,而以前的火箭发动机经过此般摧残后,就被抛弃了,一次性全是为了“安全”
最疯狂的小白鼠,详解猎鹰重型火箭背后那些不为人知的秘密!​图注:已回收的猎鹰9火箭第一级,以后还要多次经受烈焰和高压的考验。

猎鹰九的发射成本是6000万美元,猎鹰重型的发射成本目前还不清楚,但肯定要超过猎鹰九,相对其它重型火箭要低一些。

可是很多人却不知道,猎鹰九与猎鹰重型要发射的卫星其实比火还要贵。

比如今年9月猎鹰九爆炸时星箭俱毁卫星,是Facebook公司为非洲偏远地区接入互联网服务的通信卫星,造价就高达2亿美元。

这还是相对便宜的,而正常一颗先进宽带通讯卫星造价要高达8亿美元,其实现在的卫星早就越来越重、越来越先进、造价也越来越高了,卫星造价早就普遍超过发射费用了。

我们买东西往往都知道一个道理,那就是有时候哪怕选那些贵的,也要比那些廉价的质量更好一些,不然不但用起来闹心,最后还要花更多的钱。

商用火箭也是如此,一旦失败,星箭俱毁,损失的不仅仅是金钱,更是时间和技术。

所以说,不是廉价的火箭就一定好,但不安全的火箭一定最坑人。

最疯狂的小白鼠,详解猎鹰重型火箭背后那些不为人知的秘密!​图注:一个经常被人忽视的事实是,卫星的造价比庞大的火箭高得多。

而重型猎鹰的最终目标是运送龙式飞船登录火星。

飞船、卫星都可以用金钱来衡量,但人命却真的无法衡量。
最疯狂的小白鼠,详解猎鹰重型火箭背后那些不为人知的秘密!


图注:马斯克与龙式飞船​

说实话,小编不清楚SpaceX这种近乎疯狂的激进做法,到底意味着什么?也不清楚当猎鹰重型真正首飞成功会为航天界,带来哪些变化,但有一点是肯定的,那就是在很多不明真相的人眼中,艾隆马斯克和他的猎鹰重型火箭必是远超中国航天的存在。

可为什么,中国航天一定要和一家近乎实验性质的私人航天公司来对比?难道中国的航天事业做的还不够好吗?当我们发射第一颗卫星之前,别人已经登陆月球了,别人一发火箭的研发资金相当于过去我们二十年航天资金的总额,可即使这样,我们的航天人还是数十年如一日的去追赶别人近乎不可能的成就。
最疯狂的小白鼠,详解猎鹰重型火箭背后那些不为人知的秘密!​图注:美国土星五号的研发资金,按照今天的购买力物价计算,比中国载人航天20年的投资总额还多。

如今,我们有了自己的载人航天,自己的北斗导航系统,自己的快舟系列火箭,有全世界最大的固体直径火箭发动机,未来我们还会有全世界唯一的空间站,我们还将会登陆月球。

面对这些成就我们为什么不能更自信一些。从始至终都是我们对中国航天提出要求和期盼,而我们的航天人却只需要我们多给点时间与自信!难道这些最简单的东西我们都给不了吗?

朋友们,我们一定要自信,因为只有自信我们才能自强,只有自信才能做到最好。
最疯狂的小白鼠,详解猎鹰重型火箭背后那些不为人知的秘密!​向所有中国航天人致敬!!!


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