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跑车奔火星,“猎鹰重型”挑战技术极限

2018-02-08 20:44:11       来源:科技日报

北京时间2月7日,“猎鹰重型”运载火箭从美国佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空。

太空探索技术公司(SpaceX)官网、美国全国广播公司网站、哥伦比亚广播公司网站7日消息称,“猎鹰重型”火箭首次发射成功,标志着人类商业太空探索的重大突破。火箭两个助推器同时完成回收,芯级火箭海上平台回收失败。但首射成功这一至关重要的动作,仍让该火箭夺下当今航天界“运载火箭之王”的桂冠。

北京时间7日凌晨4时45分左右,肯尼迪航天中心历史悠久的卡纳维拉尔角发射场39A发射台升腾起一片烟雾与火光,“猎鹰重型”火箭起飞级27台“灰背隼1D”发动机点火,火箭咆哮升空。约8分钟后,火箭的两个助推器成功在着陆器区同时回收。但芯级火箭按计划接近大西洋上的无人海上平台试图着陆时,出现故障坠海。

带着一辆跑车奔向火星

高度近20层楼的“猎鹰重型”火箭,具有执行月球或火星载人任务的潜力,可以将超大型卫星、太阳帆飞船及宇航员送入太空,如回收顺利,火箭还可以重复再利用。

该火箭很早就进入研发,但发射时间推迟数次,今年1月底终于完成静态点火测试。此次在火箭发射前,SpaceX公司创始人埃隆·马斯克非常保守地表示,只要发射平台没被炸毁就算成功,否则要花费近一年时间修复平台,因此他希望火箭至少能飞到离发射塔远一点的地方。

此次火箭升空的同时,还携带一辆樱桃红色特斯拉跑车作为载重测试,这也成为第一辆进入太空的跑车。按马斯克的设想,这台特斯拉十年前出品的首款电动跑车“ROADSTER”,将在火星轨道绕飞10亿年。

我国航天专家庞之浩对科技日报记者表示,跑车可能到不了火星。“虽然它能达到第二宇宙速度,满足进入地火转移轨道的条件,但毕竟不是火星探测器,途中也无法进行轨道修正。”他说,“它只能飞到哪算哪,最终在地球和火星之间,围绕太阳运转。”

“猎鹰重型”火箭是现役推力最大的运载火箭。其近地轨道运载能力达63.8吨,相当于一架满载的波音客机;地球同步轨道运载能力为26.7吨,与美军M7中型坦克相当;地火转移轨道运载能力为16.8吨,相当于一台重型货车。仅从运力来看,区区2吨多重的超跑别说是火星,送到冥王星也绰绰有余。

相比运力,该火箭最大的特点还是可重复使用。此次火箭升空约2分33秒时,两枚由“二手”猎鹰九号改装而成的助推器与芯级分离,5分多钟后并肩降落在陆地回收场。遗憾的是,另一枚担任芯一级的猎鹰九号火箭却没能成功落在海上回收平台上。据了解,其反推发动机出现故障,只有一台点火,最终以每秒134米的速度坠入海里。庞之浩说,这次芯级回收与以往海上回收相比,分离时间较晚,飞行轨道更高,回收难度更大。

以最小代价实现了运载能力大飞跃

在庞之浩看来,“猎鹰重型”火箭只是一件过渡产品,定位也有些尴尬。他表示,该火箭的运载能力比大型火箭强许多,但并未达到真正重型火箭的标准,只能算是准重型火箭。SpaceX计划研发的下一代发射系统BFR,最大运载能力高达150吨,未来将全面取代它;NASA研发多年的太空发射系统(SLS),计划2019年首飞,其运载能力也高于“猎鹰重型”火箭。如此看来,它显然风光不了多久。

同时庞之浩认为,该火箭在技术上也存在一些风险,最关键的是没有大推力发动机。“推力不够数量凑”的方法,苏联人曾在N-1火箭上尝试过。他们将30台发动机捆绑成火箭芯级,状若蜂窝,但只要其中一台出现问题,就可能导致全军覆没。该型火箭在20世纪70年代前后进行了4次试射,均以失败告终。“猎鹰重型”火箭主要以3枚猎鹰九号火箭为基础,相当于把27台发动机每9台一组分为3“捆”,如同把鸡蛋装进3个篮子,虽然分摊了风险,但对控制系统、结构系统都有更高要求。“归根结底,这还是由于没有大推力发动机而做出的无奈之举。”庞之浩说。

尽管如此,“猎鹰重型”火箭的首飞成功,仍具有重大意义。庞之浩说,首先,该火箭的运载能力可以满足更多任务需求,比如组装空间太阳能电站,组建月球轨道空间站,发射比较大的火星探测器等。

同时,该火箭用最小的代价,实现了运载能力的飞跃。虽然有风险,但做到了前人没有做到的事。由于有着N-1火箭彻底失败的前车之鉴,以及多发并联带来的一系列问题,航天领域多年来一直将火箭多台发动机并联的思路视为禁忌,如今主流火箭最多不过10余台发动机。“猎鹰重型”火箭如果能解决多发并联技术难题,或将为火箭设计开辟新的思路。

庞之浩还表示,虽然“猎鹰重型”火箭只是过渡产品,但能为SpaceX未来的产品奠定基础,积累经验。相较SLS,其低成本优势颇为显著。此外该火箭还有许多创新之处,例如在设计上采用了40%的结构冗余,远高于普通火箭的20%至25%。虽然很多元器件只是工业级,但是用双备份甚至三备份的办法提升了可靠性,这在商业航天领域也有借鉴价值。

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