美国私营公司SpaceX的猎鹰火箭真的强过国家队吗?

经过十多年的发展,美国太空探索技术公司(spaceX)的航天技术在世界范围内成为一道风景线,可以说是独领风骚。甚至很多国家的航天技术都难以匹敌!


美国私营公司SpaceX的猎鹰火箭真的强过国家队吗?

也有一些人认为,spaceX用到的全是美国军方或NASA提供的技术,没有什么好骄傲的。基本上是组装的产品,算不上自主研发。到底spaceX的技术含金量如何,我们一起来分析一下。

SpaceX不仅发展出了猎鹰9号火箭,发展出了一级火箭垂直回收技术,还发展出了现役运力世界最强的重型火箭猎鹰重型。此外,还成功研发了给国际空间站运送货物的龙飞船,以及马上要发射的载人航天飞船,甚至又提出了覆盖全球的星链计划。这些辉煌的成就,跟spaceX公司的坚守和创新是分不开的。

不可否认,spaceX能有这样的成就,没有美国强大的航天工业基础和技术储备是不可能实现的。其他国家的私营公司很难达到这样的高度。该公司在研发和改进的过程中,使用了很多美国现成的技术和人员。比如,其主发动机梅林1D,主研工程师来自美国主要发动机研发团队,有丰富的发动机研发经验。而且,在发动机制造时,不仅借鉴了土星五号发动机的相关技术,同时也直接使用了阿波罗飞船的发动机喷管。

另外,其燃料储箱,直接使用了美国成熟的先进材料铝锂合金(中国尚未完全掌握),这为火箭减重做出了不少的贡献。储箱焊接的搅拌摩擦焊技术也是美国航天工业储备下来的先进焊接技术。发动机的材料也用到了很多最新的材料,这些材料都不是spaceX公司自己的技术。其他很多方面也是这样。

但是这些基础,并不能否认spaceX自己的技术创新。如下分析:


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梅林1D发动机,真空版和海平面版

首先,发动机的不断优化,为spaceX带来了举世无双的优质发动机,其发动机的推重比达到150,位居世界第一位。这显然不是NASA或军方帮他实现的,因为美国其他公司尚不具备。借助推重比高的发动机,和很轻的储箱材料,以及超低温燃料灌装技术,为猎鹰9号带来了非常明显的运力提升,即使在一级火箭必须损失运力回收的情况下,运力依然名列前茅,载重比也比较领先。同时,其发动机还有推力大幅度可调的技术,通过调节推力,可以精准控制发射和回收。

其次,其独特的多发动机并联技术,开始虽是发动机推力不足的情况下被动选择的,但通过改进却取得了难以置信的效果。最震惊世界的莫过于猎鹰重型火箭的成功发射,那可是27个发动机协同工作的结果。要知道,在猎鹰重型以前,全世界都尽力避开多发动机并联的技术。因为,前苏联的N1火箭就是因为发动机太多,协调困难而屡次失败,最终在载人登月的竞赛中败给了美国。后来,全世界航天大国都努力研发大推力发动机,减少发动机并联太多带来的不确定性因素。

但是,spaceX却反其道而行之,直接发展出了动力冗余技术。所谓动力冗余,就是所有发动机互为备份,一旦一个发动机出现故障,其他发动机通过提高推力来弥补损失,保证发射的顺利成功。航天领域核心部件冗余设计,并不新鲜,像电脑芯片这些都是有两到三个互为备份的,避免出现意外。但是动力冗余,spaceX是最早应用的。而且在发射实战中得到了应用,避免了发射事故。据报道,猎鹰9号火箭最多能接受三个发动机失灵,通过其他六台发动机依然可以完成发射。


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再次,不得不提猎鹰火箭的成本成本节策略。其火箭芯一级垂直回收技术,是全世界首创的。航天飞机虽然也可以重复使用,但不是通过垂直动力回收的。伞降回收技术也多有应用。唯独垂直动力回收技术,是spaceX公司首次实现的,而且已经非常成熟了。目前猎鹰9号火箭的发射报价已经很低了达到6200万美元每发,回收火箭还曾经报过5000万美元每发的价格,未来可能还会更低。这样的一招鲜,在国际航天运载市场上具有得天独厚的成本优势。


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此外,猎鹰火箭大胆节约火箭制作成本还有很多高招。比如,一般航天领域的电脑芯片都是使用航天级的,安全度高,但成本也高。但猎鹰重型火箭偏偏使用普通电脑芯片来控制火箭发射,并在实践中证实完全没有问题。这又给猎鹰火箭降低了很多成本。这样的策略显然也不是NASA和美国军方建议的。再比如,猎鹰火箭,芯一级和芯二级使用相同的发动机,使用相同的燃料和储箱材料。这样生产和维护成本都可以得到有效降低。其他国家级火箭,往往一级二级使用不同的燃料、不同的发动机和不同的储箱,成本自然要高一些。


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最后,在整个美国都没有载人航天飞船的情况下,spaceX最早研发出了载人飞船,经过多次无人测试以后,马上要进行载人试飞。一旦成功,将给美国航天带来很大的利好,不用再受制于人了。自从航天飞机退役以后,美国一直依赖俄罗斯来运送航天员。本国的研发计划一再受阻,最早行动的老牌航天公司空客公司,载人飞船却一再推迟,被spaceX一举超过。要知道,空客从NASA和军方拿资金和订单都要比spaceX容易的多。而且波音等老牌公司一直靠军方的订单来维持生计。而spaceX直到近两年才开始拿到一些利润率很高的军方发射合同。与此同时,spaceX并不满足于为别人提供发射服务,充当一个快递公司的角色。他们自己提出并实施了星链计划,要通过卫星提供互联网服务,占领全新的领域,拿到更好的利润来源。


美国私营公司SpaceX的猎鹰火箭真的强过国家队吗?


经过对spaceX公司的了解,我们不得不佩服这个公司,不仅是技术,还有运营理念都值得后来者思考和学习。我国的航天发展到今天,取得了很不错的成绩,但在运载器领域还有很多短板,通过学习spaceX的一些策略,真得可以尽快补齐运载能力的短板,也能尽快降低发射成本。

通过数据来看,猎鹰火箭的整体性能参数确实超过了中国的所有火箭。但并不是遥不可及的,同时也不是全面超越。

首先,中国的长征五号,目前只是解决了大推力火箭从无到有的问题,还没有经过大量实际发射的演练,未来改进的空间还是很大的。从中国整体情况来说,我们储备了好几款火箭发动机,正在研发的大推力发动机也有至少两款。尤其是液氢发动机,这是研发难度很高的,中国在没有技术参考的情况下研发多款液氢发动机,充分体现了中国航天团队的研发能力。

其次,我们的YF-100发动机,跟猎鹰火箭使用的梅林1D发动机规格差不多,但推力更大,技术上也更先进(高压补燃循环比梅林发动机的燃气发生器循环技术更先进一些)。未来如果改进推重比的话,跟梅林1D比,应该也不会逊色。未来五米直径火箭的衍生型号,应该也会采用多台YF-100发动机并联的方案,甚至也会使用动力冗余策略。

再次,我国的整体航天水平,虽然比不上美国,却也不是一个美国一个公司可以比较的。我们有全世界仅次于美国的卫星数量,准备独立建设空间站,有独立的北斗导航系统,有技术领先的量子通讯卫星,有近乎完美的探月工程项目实施记录,还将实施高难度火星探测任务。所有这些航天技术储备,并不是一个公司具备的。中国已经是名副其实的航天大国。只是在一些领域尚有短板,需要尽快补齐而已。

最后,希望中国的航天能够尽快跳出前两次失败的阴霾,重塑金牌火箭的雄风。


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