猎鹰上升 从“猎鹰1”到“大猎鹰” SpaceX火箭真能飞到火星

最近有很多关于美国发现科技公司的新闻。 4月，“重型猎鹰”火箭首次发射成功；同月成功拿下价值6900万美元的“双小行星变轨试验”任务订单；5月，“星链”计划“一箭六十星”的发射任务一经披露就成为全球舆论的焦点，闪耀的卫星成为夜晚的一道独特风景线空 SpaceX火箭是如何从猎鹰1号、猎鹰9号、重型猎鹰到大猎鹰搭载星舰一步步升级的？十年火箭之路从小到大2002年，马斯克正式加入商业航天，SpaceX爆发 经过一段时间的招募，新生儿要解决的第一个问题就是自己造火箭 直到2008年，低轨运载能力只有420公斤的猎鹰1号在三次失败后终于成功试飞 “猎鹰1号”是名副其实的小火箭，直径不到1.7米，高度20米。一级火箭配备“灰背”发动机，二级火箭只有一台“红蜻蜓”发动机 SpaceX借助“猎鹰1号”项目经验，掌握了火箭的R&D和制造技术，特别是验证了“灰背”发动机的可靠性，并在多次发射后将其上架 2010年6月，长70米、直径3.7米、低轨能力超过10吨的猎鹰9号成功首飞 仅仅两年时间，SpaceX就实现了从小型火箭到中型火箭的飞跃 这主要有两个原因:从设计上看，“猎鹰9号”一级火箭与“猎鹰1号”并联使用9台发动机，二级也使用“灰背”发动机 因此，在猎鹰1号的研制中，已经嵌入了对猎鹰9号动力系统的研究 从测试过程来看，SpaceX堪称“快马加鞭”，极其简化 2009年10月，“猎鹰9号”进行了一级火箭点火试验，但仅仅一个月后，二级火箭点火试验立即进行；七个月后，第一次飞行直接开始 美国国家航空航天局空曾表示，如果按照传统的“研制流程”，研制“猎鹰9号”将耗资40亿美元，而SpaceX将研制“猎鹰1号”和“猎鹰9号”。只花了3.9亿美元。 2011年，SpaceX宣布将在两年内完成“重型猎鹰”的研制 “重型猎鹰”似乎并不复杂，即它将两枚“猎鹰9号”一级火箭捆绑在一枚完整的“猎鹰9号”上作为助推器 但是SpaceX已经用了将近7年了 一方面是因为猎鹰9号在期间两次发射失败，导致研制进程推迟；另一方面，“捆绑”火箭所涉及的结构设计也不是那么简单；除此之外，SpaceX还释放了大量的精力来提升猎鹰9号的性能指标，攻克一流的火箭回收技术 2018年2月，低轨运力63.8吨的“重型猎鹰”终于将马斯克的红色“特斯拉”送到了Tai 空 从猎鹰1号到重型猎鹰，SpaceX的火箭能力在10年内增长了15倍 想要得到火箭，首先要得到它的“心脏”火箭作为一个系统工程，而发动机就是它的核心技术 从“猎鹰1号”到“重型猎鹰”，“心”没有变，“灰背猎鹰”系列火箭发动机作为主要动力来源 不同的是，第一级火箭的发动机数量从一个增加到了27个 “这么多并联发动机都面临着工作同步性、一致性等问题，火箭动力系统的复杂程度也明显增加 著名航天专家蒋天表示，并联方式可以降低单台发动机的推力需求，避免研制更大推力发动机所面临的大流量涡轮泵、大流量推力室等技术难题，特别是流量增大带来的地面试验系统匹配困难。 蒋天介绍，“灰背”火箭发动机采用液氧和煤油作为推进剂，采用气体发生器式泵送循环，结构简单，可靠性高 更具体地说，“灰背隼”采用销式引射器实现连续变推力，从而达到火箭垂直着陆回收的目的 “从火箭发动机的原理来看，实现连续推力调节的主要途径包括改变推进剂的供应量、改变发动机的喷管喉部面积、改变喷射表面积等。 蒋田进一步解释说，改变推进剂供给和喷射器面积是实现液体火箭发动机连续推力调节的主要途径，因为改变喷管喉部面积会带来发热、烧蚀等问题 针式喷油器是通过改变喷射表面积来控制燃油流量，实现发动机推力的大规模连续调节 记者了解到，上世纪60年代，美国TRW公司首次在阿波罗计划着陆器的下降发动机上使用了针式喷油器 成立之初，SpaceX挖走了TRW火箭专家汤姆·穆勒，从而在火箭发动机技术上走了一条“捷径” “灰背猎鹰”包括许多型号。早期的“灰背隼”——1A推力只有340千牛，新型“灰背隼”——1D推力超过900千牛，可以从40%持续变化到100% “灰背”发动机主要在提高推力和提高推重比方面进行改进 蒋天说，其中，A型到B型改善了涡轮泵的性能，提高了转速和扬程，B型到C型改变了推力室的冷却方式，实现了再生冷却，D型进一步提高了推力，实现了大规模连续变推力运行 未来“大猎鹰”的目标是火星。为了探索月球和火星，SpaceX正在建造“大猎鹰”超重型火箭，计划于2020年首飞，2023年绕月飞行，2024年载人火星 “大猎鹰”高118米，直径9米，近地轨道运载能力可达150吨，超越“阿波罗”计划使用的“土星5号”和正在研制的“空发射系统”，位居世界第一。 此外，“大猎鹰”的两级火箭可以回收再利用，是名副其实的“完全可重复使用的运载火箭” “大猎鹰”超级推力的实现与“重猎鹰”类似。其一级火箭由31台新型“猛禽”发动机并联组成，总推力为6180万牛 二级火箭叫“星舰”，由6台猛禽发动机提供动力，总推力1200万n，不仅可以载人进行深空旅行，还可以在Tai 空释放探测器、卫星等航天器 既然我们谈到了“大猎鹰”，我们就不能不提到“猛禽”火箭发动机 记者了解到，“猛禽”发动机采用液氧甲烷作为推进剂，单机最大推力接近2000千牛，可从20%持续调整到100% 与其他主动火箭发动机相比，猛禽最大的不同是采用了“全流分级燃烧”技术 蒋天告诉科技日报记者，所谓“全流分级燃烧”技术需要两个预燃室，一个燃烧大部分燃料和小部分氧化剂，另一个燃烧小部分燃料和大部分氧化剂，产生的气体分别驱动。燃料涡轮泵和氧化剂涡轮泵，然后进入主燃烧室进行联合燃烧， 在该系统中，通过涡轮的气体温度更低，涡轮的使用寿命更长，更有利于增加发动机的重复使用次数 “此外，液氧甲烷推进剂通常被认为适合用于可重复使用的火箭发动机，因为它的结焦性能低，成本相对较低 蒋田介绍，俄罗斯在20世纪90年代还研制了推力分别为100吨和200吨的大推力液氧甲烷发动机 蒋田认为，总体而言，SpaceX的火箭发动机技术具有一定的先进性和借鉴意义，特别是在可重复使用领域 此外，SpaceX在降低发动机质量、提高推重比等领域也做了大量有意义的工作