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  • SpaceX回收火箭有多难?中国火箭专家这样说……
  • 日期:2019-08-15   点击:   作者:admin   来源:未知   字体:[ ]

  2015年3月,《卫星与网络》杂志在腾讯、搜狐、新浪、和讯等100多家网站与相关媒体重磅推出了“航天+”理念及系列专题共6篇深度阐述文章,并于2015年6月和7月分两次,刊发于《卫星与网络》杂志。为了持续不断地推广航天+的理念与实践设想,《卫星与网络》公众号自2015年起,持续多次将这些深度文章推送给各位读者,链接如下,期待交流:

  这几年,国际航天界公认的热点一定是SpaceX公司的Falcon 9可回收火箭技术。

  2016年Falcon 9火箭首次实现一子级的回收,2017年SpaceX又首次实现“二手火箭”的成功发射。2018年的时候,它的猎鹰重型火箭首飞成功,同时实现了陆上回收。

  2018年5月份,SpaceX最新型的猎鹰9-Block 5火箭发射成功,这种小修状态下可以重复使用10次,大修状况下可使用100次。

  SpaceX公司和伊隆•马斯克对技术的探索和对科研的追求一直在感动我们。

  人类为什么要探索宇宙?人类是怎么样探索宇宙的?接下来我一一给大家分享一下。

  第一,其实太空探索的成果对我们人类的影响是实实在在的,都有很多的好处。比如说如果没有通信卫星的话,大家就收看不到这么多的电视节目;如果没有气象卫星,我们就没有办法对天气进行准确的预报;如果没有导航卫星,我们就不能够便捷地使用手机导航功能。所以说,我们现在的生活基本上已经离不开太空探索的成果了。

  第二个,人类探索宇宙的这种追求一直没有停歇过。从康斯坦丁•齐奥尔科夫斯基到万户飞天,到加加林冲出地球,再到探月、登月,再到探索火星。我们人类实际上是一步一步在对宇宙进行探索。

  我们怎么来实现对宇宙的探索呢?我想先给大家解释一下理论上我们是怎么做的。

  大家小时候有没有扔过石头,其实我们火箭发射的原理跟这个是一样的——你扔的速度越快,石头就落的越远。火箭也是一样,当它的飞行速度超过第一宇宙速度,也就是7.9千米/秒的时候,就可以围绕地球飞行;如果达到第二宇宙速度(11.2千米/秒),就可以脱离地球的束缚;如果达到第三宇宙速度(16.7千米/秒),就可以飞向更远的太空。

  实际上我们怎么做呢?这个图是我们目前运载火箭的结构图,整个过程并不复杂,就是通过分级火箭按照“使用-分离-抛弃”的顺序,一级一级地把有效载荷运到轨道上去。

  有人就会问,做一枚火箭直接入轨不就行了吗?这其实就叫做单级火箭,但是有一个问题,目前化学燃料的能量水平只能达到五到六千米每秒,而我刚才提到的第一宇宙速度要达到7.9千米/秒。

  再举个例子,现在汽车最高的速度也就是100米每秒的水平,火箭入轨的速度最起码要达到汽车速度的79倍,这还是很难的。

  另外一个问题,火箭还很贵,每一次都抛掉子级是不是挺浪费?而且在抛的过程中,大家也经常看到新闻,一下就砸到哪了,藏宝图图库图片搜索,会产生一些损害;也有可能没掉到地面,再入轨的时候形成碎片,对整个轨道产生一些危害。

  很多科学家就在想,能不能把火箭收回来再次利用?实际上几十年来各个国家的科学家都一直在做这个事情,尤其以SpaceX取得了非常好的成绩。

  我以它执行第一地球轨道任务为例解释一下。火箭起飞之后到140多秒的时候,高度是60公里左右,这个时候它的速度就比较快了,已经达到6个马赫。这时候它的一子级就关机和二子级分离,之后发动机喷口朝着回收点的方向,做第二次点火,来减小飞行的速度。

  当飞行高度达到70公里左右,一子级上的栅格翼打开,它的作用有两个,一是利用气动进行减速,第二是对姿态进行控制。

  接下来还有第三次点火,快到着陆点的时候就进行第四次点火,使速度降到5米每秒,着陆缓冲支撑腿再打开。最后也是最惊险的环节——垂直落在地面上。

  这个过程说起来好像也挺简单的,可是Falcon火箭实现海上回收之前失败了四次,这种执着的精神着实让我们很感动。同时也说明这个事还是挺难的,难在哪呢?

  第一个难点,就是加了回收这一步骤,所以火箭的总体参数优化和设计变复杂了。回收过程中首先它需要有一定动力,也就需要携带一部分的推进剂。在它落地过程中,气动加热会导致子级外壳出现一定的损失,这时候需要相应的增重一些,而且可能需要对下落的弹道进行调整。所以它是一轮一轮进行迭代。

  打个比方,这就好像是又要马儿多扛货物,又想让它本身体重轻,所以整个过程是挺复杂的。

  第二个难点,整个垂直返回的精度控制要求高。可以把回收的过程比喻成一个动作——你手上有一支铅笔,要把这个铅笔抛出去,而且要让它垂直落在一个点上。

  大家可以想,这个过程中可以分成两个阶段:一个是抛出去以后要准确找到那个点,这个对整个过程中的导航制导精度要求比较高;第二它快要落地时候要垂直下来,不能倾倒,这对它本身姿态的控制要求比较高。

  第三点,火箭子级落地过程中,要对它本身的推力进行调节,有时候需要从60%调节到110%,调节范围是比较宽的。

  第四个是推进剂的管理难度大,它下来的时候,实际上是“半桶水”或者更少,这里有一个控制的问题。

  第五个是着陆时候的缓冲问题。Falcon火箭配了缓冲的装置,它起的作用是三个,第一个是防止倾倒,第二个是缓冲着陆,第三还要忍受发动机喷射的高温。

  总的来说,火箭的回收确实是挺有意思的一个事。但是它也有缺点,其中很大的一个缺点就是火箭子级回收的时候,它的运载能力损失比较大。我们也计算过,如果它返回到原发射场的话,整个运载能力的损失可以达到52%,如果是就近回收,运载能力损失有28%。

  实际上各国科学家也在想一些别的回收方式,总的来说各有利弊,我想不久的将来也可以看到更多样的成果。

  去年SpaceX还提出了星际运输系统,用来进行火星探测,我们业内觉得这是一个很庞大的系统。

  举个例子,它本身的助推级叫BFR,号称重复使用次数达到1000次,但是它的起飞重量是10500吨。这是什么概念呢?目前人类制造过的起飞重量最大的运载火箭,也只有3000多吨,助推级是它的三倍。

  刚才说了Block5火箭的重复使用次数只有10次,它现在要做到1000次。运载火箭以后要完成1000次回收,可能它的结构就像飞机一样,能反复地使用。


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