一文读懂全球最强大重型火箭首飞成功:把跑车送上太空十亿年

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。

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。

文章主要内容引自 腾讯科技

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