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SpaceX猎鹰9号火箭的注册送3金币捕鱼之道

2016-03-05 22:27   浏览:2980 次
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猎鹰9号运载火箭

图:猎鹰9号运载火箭

自从2010年起来,美国的SpaceX(太空探索技术公司)已近乎发展成为了一种流行文化。有狂热的粉丝,也有相关的文化图腾,更有无数力挺的跨界著名关注者。目前,已被许多营销团体或者个人包装用于各类营销目的。

当然,这种现象并不奇怪。截至2015年末该公司的猎鹰9号火箭(Falcon-9)完成了至少6次发射,把多颗航天器送入轨道。作为一种LEO运载能力达13吨、典型发射任务报价只有5400万美元的“经济适用型”中型运载火箭,猎鹰9号的实用、可靠已经得到证明。而这并非SpaceX最著名的地方。

最吸引眼球的是——迄今为止猎鹰9号回收型进行了4次一子级垂直回收试验,有一次获得圆满注册送3金币捕鱼(载荷入轨+回收注册送3金币捕鱼),剩下的几次也部分注册送3金币捕鱼(载荷入轨+回收失败)。众所周知,SpaceX的创始人埃龙·马斯克并非航天专业出身,但是自创办SpaceX以来,搞得有声有色。这一切是怎么做到的?

货架产品+成熟技术+扁平化研发+够用就行 = 猎鹰火箭

SpaceX的注册送3金币捕鱼之道,简而言之两个字——堆砌。

以猎鹰9号(注:本文所有数据均取自最新的版本1.1型号)为例,其采用涡轮发射器循环的梅林(Merlin)液氧煤油发动机单台推力一般。为了能满足推力要求,火箭第一级居然并联9台梅林1D型(起飞级型号)。最终实现了整箭最大起飞质量541吨,200km/28°圆轨道酬载约13吨的优异成绩。

众所周知,发动机是决定运载火箭性能的最关键因素,而梅林发动机是在上世纪60年代、阿波罗计划的登月舱的下降段发动机的基础上演进发展而来,海平面比冲只有270s~275s(梅林1D,更早型号的比冲还要低一些),它的循环模式、比冲都指标都已经落后,推力也偏低,哪怕是最新型号、海平面推力最大的梅林1D,也只有大约66吨推力。

梅林1C发动机,小巧、简单

图:梅林1C发动机,小巧、简单

是因为没有更好的引擎?显然不是。

在NASA琳琅满目的货架上,梅林发动机和航天飞机的主发动机SSME相比,就是技术落伍的“大路货”。比如大名鼎鼎的洛克达因(Rocketdyne),它研发的SSME,液氢液氧燃料、高压补燃循环、可以重复使用,海平面比冲366s、海平面推力约190吨,甩开梅林1D一大截,真空比冲(452s)的差距就更大了,梅林1D只有310s。基于坊间戏称SpaceX是NASA的“干儿子”,而梅林发动机也是这位干妈带来的礼物之一。如果说这种发动机很一般,那么看来似乎妈对这个“干儿子”也不怎么样咯?

答案还是否定的,因为这是SpaceX自己的选择。

猎鹰9号的注册送3金币捕鱼就在于它采用了梅林发动机这样的“大路货”。

梅林发动机廉价,最新型的梅林1D、据推算价格也只有百万美元级别,而SSME的价格是几千万美元,折算成单位海平面推力价格,SSME是梅林1D的至少十倍,燃料的价格也差异极大(液氢VS煤油)。梅林发动机的推力适中,一子级九发并联、二子级一台梅林V,梅林V是在起飞级型号的基础上,采用大面积比的高空喷管改进而来,和梅林1D有很大的继承性。于是,一种发动机满足了所有需要,而其技术始于外来的无偿转让,公司要做的只是在获取技术的基础上进行开发和改进——这也极大地摊薄了研发成本。更是有利于组织批量生产、控制成本、提升质量。最终,以最经济的价格生产出适用的引擎。

“梅林”发动机生产流水线

图:“梅林”发动机生产流水线

除了发动机,猎鹰9号还大量选用商业、工业级电子元器件,相比较昂贵的宇航级器件,不仅有效降低了成本,这些器件采用的技术更先进、性能指标更好,比如说CPU,宇航级CPU比商业、工业级产品至少落后两代。猎鹰9号毕竟不是卫星、不是深空探测器,它的工作寿命以分钟计、而非以月、以年计,商业、工业级元器件只要经过严格测试,辅以有针对性的辐射防护,完全可以在火箭上使用。

在研发/生产管理上,互联网行业投资人出身的埃隆·马斯克把该行业的管理体制和组织架构引入SpaceX,采用扁平化管理模式:公司内部没有通常意义上的部门划分,甚至没有组织机构图,各领域的员工平等地参与技术研讨、设计和开发等工作,研发与生产的联系更为紧密,抛弃了不必要的繁文缛节和复杂低效的冗长管理流程。有一个不能保证真实性的故事,姑且算个段子吧,可见SpaceX的管理风格:猎鹰9号研发工作的早期,某次发射前,经过计算和分析、一子级发动机的喷管需要调整面积比。如果是传统的航天系统作风,这个调整从请示报告再到层层批复、直到最终实施,最快也要一个星期。SpaceX不走这个套路,现场的技术负责人当场拍板,工程师马上拿着工具就去把喷管剪掉一截,前后统共几个小时,搞定。得益于这种扁平化管理、互联网基因,加之NASA全力支持,提供了大量设备、设施和智力支援,SpaceX长期保持着研发、生产团队的精干高效,公司曾经多年维持在数百人规模,2012年才扩张到千人,在有效控制人力成本的同时、保证了研发工作的高效率,猎鹰9号火箭从方案论证到首飞,仅用了四年半时间。

背黑锅你来,送死我去!SpaceX的抉择

SpaceX是NASA大力扶持,用来对抗联合发射联盟(ULA)的重要工具,NASA不仅授予SpaceX大量发射合同,还向其近乎无偿地转移了大量技术,并提供关键的设备、场所,帮助SpaceX研发、制造运载火箭和注册送捕鱼金币19元,这种扶持力度之大,放在中国的体制下、甚至有国有资产流失+利益输送的嫌疑。但是这并不意味着SpaceX在技术上完全依赖NASA、吃NASA在过去几十年攒下的老本。相反,SpaceX很重视打造自己的技术力量、掌握核心和关键技术,进行了大胆的技术革新。在这个过程中,包括埃隆·马斯克在内的SpaceX公司决策层,表现出很好的“技术感觉”,有所为、有所不为,战略眼光精准、独到,赋予猎鹰9号火箭诸多技术亮点。

在发动机方面,SpaceX没有去啃富氧燃烧、高压补燃循环这块硬骨头。SpaceX很清楚高压补燃循环发动机的技术难度,把突破点放在了另一个方面:减重。梅林发动机的原型,阿波罗飞船的降落发动机,本来就以高推重比为特点,SpaceX在研发过程中更是大胆采用了诸如爆炸成型工艺等新技术、新材料,在大幅度提高燃烧室压力、增加发动机推力的同时,减重30%,梅林1D发动机的推重比高达150。

梅林1C(左)/梅林1D(右)对比,后者的结构进一步简化

图:梅林1C(左)/梅林1D(右)对比,后者的结构进一步简化

另一方面,SpaceX在箭体减重方面也下了很大力气,大胆使用诸如2198铝-锂合金这样的新材料,并且在结构减重设计方面堪称冒进。例如,猎鹰9号1.1版的级间段把分离机构从1.0版的九个减为三个,并且把火箭的长径比放大到19,这个设计可谓惊世骇俗。根据中国航天系统多年积累的经验,增大长径比有利于降低火箭的飞行阻力、减轻箭体重量,但是同时造成箭体纵向刚度不足、容易发生震颤、进而降低火箭的可靠性,所以长径比最好不要超过15——火箭纵向刚度不足带来的后果可能是灾难性的,“东风2”导弹首飞,就是因为纵向刚度不足、箭体发生震颤导致发射失败,教训十分惨痛。可以说,在箭体设计方面,SpaceX榨干了材料的潜力、颠覆了一系列火箭设计的经验公式,甚至带着一副“人有多大胆,地有多高产”的混劲来进行“赌博”式的尝试。但他们博对了,由此带来的好处也很明显,猎鹰9号1.1版做到了高达30的干质比,箭体减重做到了极致。

对火箭公式有所了解的朋友应该知道,决定运载火箭性能的因素有两个:一是发动机比冲,二是火箭的干重。提高比冲、降低干重都可以提高火箭的运载系数。梅林发动机采用的燃气发射器循环限制了发动机比冲的提高,从较早的梅林1C到最新的梅林1D,燃烧室压力从1000psi提升到1420psi,海平面比冲仅仅从约266s提升到273s(推测值),比冲提升的空间已经很小。但是,通过发动机和箭体的减重,猎鹰9号用比冲指标落伍的发动机、实现了还算不错的运载系数,和我国长征七号火箭相当。

要知道长征七号火箭使用的YF100发动机可是高压补燃循环、富氧燃烧技术,海平面比冲301s,技术领先“梅林”整整一代,但是,因为箭体设计保守、加之发动机推重比不高(坊间传闻,YF100有超重问题),长征七号的干质比不高,潜力并没有被充分挖掘,运载系数仅仅和猎鹰9号打了个平手,发动机的领先并没有转换成运载系数的领先,实在不太令人满意——这恐怕也是长征七号将来需要大力改进提高的地方。

项庄舞剑——“醉翁之意不在酒”的一子级回收复用技术

行文至此,有一个结论已经跃然纸上:SpaceX的猎鹰9号火箭,是一款使用货架产品+成熟技术,并且大胆运用新材料、新工艺,性能较好、成本控制非常注册送3金币捕鱼的“经济适用性”火箭。但是SpaceX在2015年最吸引眼球的地方,并不是猎鹰9号的技术成熟与价格低廉,而是它的一子级回收复用试验。虽然多次试射磕磕碰碰,只有一次陆上回收取得了注册送3金币捕鱼,但是猎鹰9号回收型所采用的主发动机减速+垂直回收模式无疑是开创性的,埃隆·马斯克更是频频放话,要凭借这个技术实现航天发射的“白菜化”,把单位质量发射成本降低1/20,震惊世界。对此,外界褒贬不一,心悦诚服、深信不疑者有之,半信半疑、谨慎观望者有之,更有人嗤之以鼻、认为这纯属嘴炮牛皮……那么,猎鹰9号的一子级回收复用,真的能兑现埃隆·马斯克的豪言、颠覆国际航天发射市场的格局?或者,这根本就是“项庄舞剑,意在沛公”?

根据目前披露的技术细节和相关数据,我认为,SpaceX并不是把猎鹰9号的一子级回收复用当作忽悠,但是,也未必真的寄希望于大幅度降低发射成本,他们另有深远考虑。

第一,主发动机减速+垂直回收,符合猎鹰9号的技术特点。它的一子级发动机单台推力适中,以节流降推力模式运行、正好可以给一子级减速、缓冲,辅以气动格栅翼+RCS+着陆支架,垂直回收是一个很合理的技术选择,在技术上没问题。以埃隆·马斯克本人追求挑战的个性、以SpaceX技术团队的锐意进取,他们一定非常喜欢这个具有开创性的好主意,哪怕仅仅是技术积累的角度,这件事情也值得做。

第二,猎鹰9号一子级回收复用,在降低成本方面是否有巨大收益,高度存疑。要回收复用一子级,在一、二子级分离的时候,一子级必须保留相当数量的燃料,初步估算大约10%或者略少,这等于增加了很大的死重(数十吨),再加上用于姿态控制而额外增加的子系统、着陆支架,一子级的干质量也会有明显增加。猎鹰9号火箭本来靠减重实现了还算不错的运载系数,这些增加的重量不仅吃掉了减重的成果、更是增加了大量一子级死重,必然导致运载能力减少。粗略估计,LEO运载能力有可能减少10%,也就是说,回收复用一子级、至少要节约540万美元,经济上才能收支平衡。

按照SpaceX自己公布的数据,猎鹰9号一子级的制造成本大约1500万美元,复用一子级、必然要大修,真的能够节约540万美元?梅林发动机不是什么高端货,九台发动机大修后复用,能省下多少钱?猎鹰9号的箭体本来就榨干了材料的潜力,回收后的箭体经历了低温、高温、震动和冲击的考验,出现材料疲劳和结构损坏的可能性很大,到底还能有多大的剩余价值?航天运载工具的回收复用是多年来全世界航天人的梦想,NASA的航天飞机早就做到了高价值部件回收复用,但是经济性却被证明纯属呵呵呵~还不如一次性使用的运载火箭呐!

第三,虽然一子级回收复用未必能降低发射成本,但也不一定增加发射成本。前面列举了一子级复用需要增加的子系统:姿控平台,气动格栅翼,RCS,着陆支架,这些东西并不会大幅度增加火箭的制造成本;猎鹰9号也未必每次发射都能碰上恰到好处的酬载、把火箭的性能吃干榨尽,这种情况下,一子级回收复用损失的酬载、恰好消耗了这部分多余的运力。以上两点综合考虑,只要选择执行合适的发射任务,回收复用型的任务成本很可能和标准型火箭相差不大,也就是说,在验证和完善一子级回收复用技术的同时、不一定付出额外的经济代价。

第四,猎鹰9号一子级回收复用技术,也许现在不能降低发射成本,但是将来有这个潜力。梅林发动机比较廉价,回收价值低,但是别忘了NASA的货架上还有SSME这样的高端货,更何况NASA也正在研制高压补燃循环液氧煤油发动机,如果哪天猎鹰9号火箭、或者是SpaceX的其它型号火箭,用上了牛逼的发动机,一子级回收复用的技术经济性优势就很明显了。“未雨绸缪”,这句古话是很有道理的。

最后,一子级回收复用,对于SpaceX在资本市场的运作大有裨益。猎鹰9号回收复用型火箭只需要保持一定的发射频次,就足以不断制造新闻话题,在资本市场制造一系列概念,SpaceX公司从中获得的利益是显而易见的——大家不要忘了埃隆·马斯克是啥出身,人家可是做风险投资发家的,公关和资本运作的技能点满格!

上述这些,就是SpaceX创造出“奇迹”的原因。而这却是一个只有在美国这种不正常的市场内才能实现的“奇迹”。

然而现在,这个“奇迹”似乎有被透支的迹象——重型猎鹰项目,即将在今年试飞。

马斯克似乎已经习惯在特斯拉上堆砌锂电池的做法,打算彻底将这种办法用到火箭之上——重型猎鹰将由3枚猎鹰9号捆绑,这也意味着发动机数目将达到骇人的27台……

本文由飞天众智投稿,略有修改。欢迎关注飞天众智官方微信。

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