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重型猎鹰看点多 但比50年前的火箭差太远
(博讯北京时间2018年2月11日 转载)
    
    来源:观察者网
      
    “重型猎鹰”火箭发射成功,引发全球热议,虽然芯级回收失败,但从助推器回收,到戏剧感十足的特斯拉跑车载荷,确实看点很多。从技术上讲,它的优缺点在哪里?以下这篇专栏作者徐令予的文章对此作了分析。原文作于火箭发射前,发射后作者又发来了他最新的感想:
    
    这几年来遭受了太多逼屈的美国人民太需要正能量了,“重型猎鹰”首飞成功无疑来得非常及时,美国媒体的欢呼声为此做了最好的注解。但是从航天技术角度来看,用27只火箭引擎送一部小车到绕日轨道上,这种成功更多的是作秀,它一点也改变不了国家的航天事业的态势。因为“重型猎鹰”仍然无法承担起重登月球和征服火星的重任。关于这一点马斯克非常清楚,他在“重型猎鹰”发射前后多次强调,载人登月和火星之旅不会用“重型猎鹰”,他把希望押在BFR(非正式名:Big Falcon Rocket)。
    
    所以真正的好戏还在后面,我更看好长征五号,因为它有比“重型猎鹰”更好更强的火箭引擎。在“重型猎鹰”发射成功后的记者招待会上,马斯克意气奋发地宣告:“We want a new space race. Races are exciting.”(我们欢迎新的太空竞赛,竞赛使人振奋。)这话我估计也是说给中国人听的。

    
    这几天美国媒体的视线聚集在肯尼迪航天中心的39A发射工位上,矗立在这里的SpaceX的“重型猎鹰”超级重型运载火箭把首飞的零时定在了美国东部时间2月6号1:30PM。肯尼迪中心的39A发射工位是个有着许多故事的地方,阿波罗计划载人登月的所有土星五号全部在这里发射升空,这里曾是美国梦升起的地方。SpaceX选择这里作为他的“重型猎鹰”的处女航意味深远。
    
    “火箭无法进入轨道的可能性很大,我希望它能够远离发射台,不会造成发射台损坏,说实话,我甚至认为只要能如此也是一场胜利。”SpaceX的CEO马斯克的这个表白不只是伟大的谦虚,更可能是深深的无奈。重型猎鹰能否重振美国航天的荣光还真是一个大问号。
    
    重型猎鹰看点多 但比50年前的火箭差太远

    重型猎鹰说白了就是三支猎鹰9捆绑在一起。它的核心是一枚猎鹰9,另外再把两架猎鹰9的第一级作为助推器。所以重型猎鹰的第一级就有3x9=27枚“梅林-1D”液氧煤油引擎,在起飞阶段,将有多达27枚“梅林-1D”引擎同时工作。这种构型使得重型猎鹰成为自苏联时代N1超级火箭以来,起飞级引擎总数最多的一款火箭。苏联超级火箭N1正是受30台引擎的拖累而连连失败,最后葬送了苏联的登月计划。
    
    “前车之覆,后车之鉴。”苏联N1血的教训SpaceX不会不知道,只是实在也没有什么其它办法,“没有金刚钻,硬揽瓷器活。”SpaceX造不出大推力火箭引擎,手里只有推力100吨都不足的“梅林-1D”引擎。为提高总推力只能捆绑27枚“梅林-1D”引擎来凑数。
    
    捆绑大量低推力引擎实乃火箭工程中的下下策,其负面因素是多方面的有些甚至是致命的。捆绑不成夫妻,同样道理捆绑大量引擎打造不出大推力重型火箭,这个道理实际上是很容易理解的,否则你我都可以买成千上万只“串天”捆绑起来去月球转一圈了,这天下能有如此好事吗?
    
    捆绑大量引擎会使火箭效率降低。因为每只引擎都有许多的零部件,捆绑许多的引擎必然是大量零部件的重复堆砌,火箭自重必然增加从而导致推重比下降,降低了火箭的工作效率。
    
    另外,并联工作的引擎数量越多,引擎发生故障的概率就越大,运载火箭飞行中,一旦出现单台或者多台引擎故障,就会面临推力不足或推力不平衡等问题,有可能导致任务失败。吸取苏联N1火箭的教训,航天界有一个不成文的规则:火箭第一级加助推级的引擎总数不能太多,最好不超过10台。以中国长征系列火箭为例,长征2E/F、长征3B都是8台发动机,而长征5号则是10台,逼近安全上限了。事实上,目前世界各国研制的各型火箭大致都遵守这个潜规则,只有SpaceX的重型猎鹰火箭反其道而行之。
    
    与其说马斯克有造反精神,还不如说他作为资本家对市场利益有着比狗还要敏锐的嗅觉。马斯克感觉到了美国重型运载市场有着难得的好机遇。自七十年代阿波罗计划烟消云散后,美国航天界是刀枪入库、马放南山,几十年中就没有一枚像样的超级重型运载火箭。进入二十一世纪后,眼看中国的航天事业天天向上,迈向月球的脚步声越来越清晰有力。受到中国的刺激,美国决定要征服火星或重登月球,重显世界老大的威风。问题是政客们可以在网页上用PPT登月,NASA没有超级重型火箭怎样实施登月。于是马斯克看到了机会。
    
    2011年,这位SpaceX首席执行官马斯克首次在华盛顿特区的国家新闻俱乐部郑重宣布:他们的重型猎鹰能提供更多有效载荷和更高逃逸速度,这是一枚土星V型退役以来世界上从未有过的超级重型火箭。有道是“世无英雄,遂使竖子成名”。
    
    按2011年提出的最初时间表,重型猎鹰将于2012年底之前将抵达SpaceX西海岸发射地点——加利福尼亚州范登堡空军基地。首次发射将于2013年进行,而卡纳维拉尔角的首次发射将于2013年底或2014年进行。但到2015年中,由于猎鹰9试飞失败而导致重型猎鹰首次发射推迟到2016年底。设计一改再改,计划一延再延,马斯克他们是踢到了铁板,中间的辛酸也只有他们心知肚明。
    
    “事后方知重型猎鹰(的制造)比我们想象的要难得多······其中的难度远远超出我们原先的设想,我们实在过于幼稚了。”这是马斯克的原话。说实话,要重起炉灶设计制造一枚新的超重型火箭本非易事,而要在去工业化的今日美国实施此计划更是难上加难。理想很丰满,但现实很残酷。
    
    重型猎鹰制造计划一波三折、几经磨难,今天终于走上了发射台整装待发,应该说也还是非常不容易。但是仔细分析一下这枚所谓的超重型火箭的各项性能指标,不得不让人扼腕叹息。
    
    让我们先从时间轴上作个前后对比,表一显示了重型猎鹰与五十年前土星五号的主要性能指标。数字显示土星五号身强力壮,力压重型猎鹰,土星的第一级只用了5只引擎发出的总推力超过后者27只引擎近1.5倍!土星五号的运载能力是重型猎鹰的3倍。仅从性能来看,土星五号完胜重型猎鹰,事实上两者几乎就没有可比性。
    
    
    表一
    
    再让我们在空间轴上作个左右对比,表二显示了重型猎鹰与各国重型火箭的主要性能指标。从这张表上,不管是左看右看,无论哪里也看不出这枚捆绑有27只引擎的重型猎鹰有什么过人的优势,这真的不像是一枚超级重型火箭。重型猎鹰真的难以担起登上月球飞向火星的重任,单看它三米多点的直径,实际上已经被判出局。现代太空任务的载人飞船和太空望远镜都是又重又大,三米多直径作为重型火箭都不合格,“超级重型”的影子都没有。
    
    
    表二
    
    正如马斯克自己所说:“火箭引擎是目前SpaceX所面临的最大短板。”运载火箭与飞机汽车一样,引擎是它的核心技术。为了把更重的载荷送到更高更远的地方,火箭不仅需要最好的引擎,而且一枚多级火箭需要不同类型的引擎。
    
    通常中型以上的液体燃料火箭,它的初级都用大推力但效率略差的液氧煤油引擎,而最后一级都釆用效率高的液氢液氧引擎。这样的高低搭配可以在火箭的性能和价格之间求得最优化。而马斯克手中只有一款液氧煤油引擎—梅林1D,而它的真空状态改型则用来作火箭的第二级,两者性能都极其平庸。表三是目前各国拿得出手的火箭引擎性能比较。
    
    
    表三
    
    表三数据显示,SpaceX的梅林-1D引擎推力不足,比冲低下,在液氧煤油引擎排名单中是填底的。究其原因,主要是没有核心技术,缺乏技术积累。梅林-1D釆用燃气发生器而不是中国、俄罗斯的高压补燃循环引擎,燃烧室压力太低,必然导致推力不足和效率低下。基于梅林-1D引擎的数据,重型猎鹰火箭公布的载荷能力是值得怀疑的,唯一的解释可能是把将来会使用推进剂交叉输送技术(Cross-Feeding)的因素作了预估。从目前可靠的综合性能分析,中国的长征五号要优于重型猎鹰。
    
    尺有所短、寸有所长,当然SpaceX的火箭技术也有其独特的优势。主要优点可归纳为以下几点:
    
    1)火箭在结构上有创新,又大量使用新型轻质材料,大大減少了火箭的自重。所以尽管引擎不太给力,重型猎鹰的最终送入轨道的载荷仍有不俗的表现。
    
    2)SpaceX只有一种型号的引擎,研制开发的资源可以集中,也便于大规模量产提高生产效率,后期的使用维护成本也可大幅降低。SpaceX一年可以生产400台梅林引擎。在这一点上,应该为其点赞。
    
    3)SpaceX具有火箭第一级的发射回收技术,再加上引擎大规模量产,大大降低了运箭火箭的生产和发射成本。
    
    省钱一直是马斯克的主要卖点。马斯克首先是个商人,商人在商言商,省钱对于严重缺钱的美国政府最有吸引力。宣传资料是这样说的:阿波罗计划中的每次发射开支是12.3亿美元,其中7.1亿美元是火箭的生产成本(己折合成2016年美元的价格),而重型猎鹰把2.2吨载荷送入同步轨道的价格只要9千万美元。
    
    我一直对SpaceX的这种宣传深感困惑。当初土星五号花费12亿美元可把50多吨的载荷送入同步轨道,假设发射开支与载荷重量成正比,那么重型猎鹰执行土星五号相同任务的开支至少要20亿美元。实施航天任务又不是买大白菜,多买有折扣,实际上价格与任务的难度远不是正比关系,常常是非线性增长的。只要想一想买平板电视的经验,随着显示屏尺寸的增加电视机价格是加速增长的。
    
    “省钱”其实是SpaceX玩弄的把戏。他省钱的途径是靠火箭回收利用,他的引擎本来就不给力,为了回收发射过程中必须把部分燃料留作它用,这就大幅降低了火箭的最大载荷能力,导致回收的重型猎鹰只能把2.2吨载荷送入同步轨道,这还是一枚超重型火箭吗?连重型的资格都没有。
    
    更重要的是在重型和超重型火箭市场中,任务主要是载人登月和去火星,载荷的价值远超运载火箭的成本。例如,美国新一代太空望远镜詹姆斯·韦伯(JWST)就要依靠重型运载火箭送上太空,该太空望远镜价值80亿美元,该项目会在乎在运载火箭上省几千万美元吗?人家要的是一枚高性能高安全度的超级重型火箭,在这个舞台上我估计马斯克是没戏可唱的。
    
    “山中无老虎,猴子称霸王。”这是今天马斯克和他的重型猎鹰还站在舞台上的原因。美国航天界的老虎消声匿迹的原因多种多样,其中有一条十分重要,那就是失去了前苏联这样强劲的竞争对手。从大历史角度看,在前苏联的崩溃中倒下的巨人实际上是两个,只是一前一后而已,至少在航天界事实就是如此。冷战之后,美国的航天事业再难续其过去的辉煌,因为:“做小生意需要朋友,成大事业要有敌人。”这大概也是美国在全世界到处找敌人的一个原因吧。

_(网文转载) (博讯 boxun.com)
3020302
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