2015年12月24日 星期四

‧ 深度: SpaceX 成功了,人類歷史上的第一次火箭回收是怎麼做到的?

leiphone 毛新願

【編者按】本文作者毛新願,荷蘭代爾夫特理工大學航太工程專業博士,主攻低軌衛星定軌,北斗/GPS

1222日,一個震撼世人的消息很快傳遍了世界各地:美國SpaceX公司的獵鷹9號火箭,在運送Orbcomm公司11顆通訊衛星進入軌道後,地面成功回收了返回的一級火箭,創造了人類太空史上當之無愧的第一。

從下圖中可以看到這次發射任務火箭軌跡震撼的延時攝影。

深度:SpaceX成功了,人类历史上的第一次火箭回收是怎么做到的? 
(來自SpaceX官網)

這與20151124日美國藍色起源公司(Blue Origin),進行的New Shepard火箭回收實驗形成了鮮明的對比,下圖展示了兩次回收的軌跡巨大區別。相比而言,獵鷹九號實現了一次標準入軌的軌跡,一級火箭在將剩餘部分火箭,送入既定位置後繼續返回,返回高度已經超過200千米,飛行水準距離約95千米,而且剩餘火箭成功完成了11顆衛星的發射任務,可謂是個讓人極其信服的實驗,相較之下,藍色起源的New Shepard還處在初級驗證階段。

深度:SpaceX成功了,人类历史上的第一次火箭回收是怎么做到的?
(圖片來自Jon Ross所在的ZLSA工作室)

關於SpaceX這個公司和他老闆伊隆·馬斯克(Elon Musk)的傳奇經歷,下篇文章再談,本次先為大家回顧下,獵鷹九號火箭的成功歷程。

首先,為什麼要回收火箭?
由於技術複雜,沒有工業化批量生產,火箭的製造與發射一直是個極其昂貴的過程,動輒上億乃至數億美元。為了航太發射節省成本,上世紀美國和蘇聯在太空競賽的背景下,提出了利用可回收的優勢發展太空梭。

然而事實證明由於系統過於複雜、再利用成本極其高昂,太空梭成為一個失敗的科研專案:美國太空梭平均的發射費用,達到了瞠目結舌的15億美元,加上挑戰者號和哥倫比亞號的失敗,直接導致項目下馬。而蘇聯人做的暴風雪號,則完全沒有投入實際使用就宣告退役。這種背景下,重複回收火箭被人重新提出。

因為從理論上講,火箭的發射成本裡面,燃料的費用非常低。以獵鷹九號為例,單次發射費用為5400萬美元,但燃料費只有20萬美元,所以如果能回收單看資料自然大大降低了成本。

雖然由於系統設計難度增加、冗餘及備份、犧牲發射效率(火箭內還要留有燃料)、無法預測的發動機翻新費用等系列缺點,但沒有人敢斷言,在未來技術成熟和火箭發射頻率要求提升的背景下,這是個會多有前景的黑科技

於是乎,各個航太大國的火箭回收項目又看到了曙光,由於火箭絕大部分成本都在一級(比如獵鷹九號一級帶有9個發動機,二級只有1個),也從可行性方面考慮(二級及以上飛行距離過遠過高回收幾乎不可能),所有的火箭回收都針對一級火箭。

但目前各國尤其是美國的航太科研重心並不在於此,這讓背景為民營的SpaceX,有了自己的科研空間。但要記住,航太永遠是國之重器,SpaceX研究的火箭回收技術,只是美國太空總署出讓出去的很小一部分而已。

那麼,SpaceX是如何做到的?
  • 說到這裡,先簡單回顧下SpaceX的成立。
SpaceX是一家民營的私人航太公司,是的,你沒有看錯,剛開始這並不是政府重點扶持立項的企業。伊隆·馬斯克是個超級天才,12歲已經在賣自己開發的商務軟體,30歲不到已經兩次創業成功賺到了第一桶金。他在2002年創立了SpaceX4年後正式注資了一億美元(他一個人持有整個公司三分之二的股份,標準的私人公司),然後便開始了他的航太之路。在逐漸獲得成功之後,拿到了美國太空總署的合同和技術支持,才真正踏上了飛天之路。

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(圖片來自SpaceX官網)
  • 火箭發動機的製造
SpaceX的火箭發動機製造技術,可謂是看家本領,短短數年間就開發出了MerlinKestrelRaptorDracoSuperDraco幾個系列火箭發動機。從煤油、甲烷到自燃類引擎幾大系列,可謂是一個非常豐富的家族了,但一個Merlin系列就包含了六種版本,在這方面完全達到了航太大國水準。

獵鷹九號上的一級火箭,則由9個捆綁的Merlin Vacuum (1D)型發動機構成,整個系統採用了非常先進的系統冗餘和容錯設計,可以在兩枚發動機失效的情況下,完成正常發射入軌任務,這也是SpaceX的殺手鐧技術,前無古人。

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(圖片來自SpaceX官網)
  • 可回收火箭及其返回的跳躍實驗
有了系列發動機,SpaceX最早做出了蚱蜢(Grasshopper)系列火箭。

正如其名,這些試驗機基本上採用“跳躍”的方式發射,然後關閉發動機系統讓火箭下落,以進行垂直狀態下的火箭控制與回收。從20129月到201310月,前後進行了8次試驗,從最早的點火三秒高度1.8米,到點火80秒高度超過500米並有了橫向機動,SpaceX獲得了一系列重要試驗資料,為未來成功奠定了重要基礎。在這個過程中,他們已經從前期資金投入逐漸變為美國太空總署資助。

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(圖片來自SpaceX官網)
  • 火箭整體實驗
在蚱蜢火箭測試之前,SpaceX的獵鷹九號火箭已經開始了實際發射任務,從最早的201064日為國際空間站發射龍飛船(貨運),到最近的本次發射,已經實現了20次火箭發射任務,嚴格意義說只有一次失敗(另一次有一半載荷沒能成功入軌),但基本說明火箭整體技術已經日趨完善。

而在火箭一級回收方面,作為8次蚱蜢火箭實驗的延續,SpaceX2014年進行了4次近地火箭整體實驗,高度在1000米左右,但最後一次不幸失敗,失之毫釐謬以千里,一個小小零件的故障導致了失敗。
  • 實際發射任務——海上回收
在實際發射任務中,SpaceX也進行了幾次一級火箭在分離後的返回試驗,這就是大家比較熟悉的海上平臺回收。然而並非一切順利,總共三次試驗:
第一次(20151月)單純為了測試讓火箭直接掉到了海裡;

第二次(20154月)使用了海上平臺但火箭直接傾覆後爆炸在平臺上;
第三次(20156月)直接在空中爆炸。

深度:SpaceX成功了,人类历史上的第一次火箭回收是怎么做到的?
20154月官方回收影片截圖)
  • 陸地回收最終成功
經過了眾多失敗,SpaceX決定採用陸地回收的策略,並終於在1222日迎來了首次成功,一系列投入終於換回了讓人欣慰的回報。

火箭採取了垂直回收的方式,降落過程中逐漸導航至下降通道,最後落地前火箭發動機將相對速度降為接近0的狀態,採取四個支架平穩著陸。

在回收影片中可以看到,現場由於火箭噴射氣流產生了巨大的音爆,所有人剛開始都認為閃光中的火箭回收失敗了,但後來火焰熄滅看到火箭平穩立住的那一刻,全場爆發了無盡的歡呼聲。觀看影片時看到那些現場觀眾瘋狂的表情,讓人真正發自內心為他們對人類航太事業的巨大貢獻而自豪,這一天,一個新的時代,向我們張開了大門!

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(回收時落地的畫面,來自SpaceX官網)

火箭回收的意義到底是什麼?
是否能真正降低成本,值得商榷和進一步觀察:

a、為了回收,要增加額外的各種控制和導航空間,導致火箭的設計難度大大提高;

b、火箭為了保全,需要留下不少燃料作為後續的“刹車”減速。這對整個推進系統的設計尤其是燃料推送系統的要求極高,要增加很多冗餘設計,風險較大;

c、火箭發射一個重要指標就是推重比,相當於有效載荷(衛星或飛船)所佔比例越高越好,但如果考慮回收,相當於額外的一些燃料和系統設計會佔掉有效載荷的空間,導致發射效率降低。或者是為了達到同樣的發射能力,需要更大的火箭設計;

d、類似太空梭,回收過後的維護尤其對一級發動機的維護,恐怕成本不亞於直接換一個新的;

e、節約成本從本質上講是當發射頻率達到一定數量之後才有意義,比如歐洲,一年恐怕就發射個位數的火箭,就算用可回收火箭,使用頻率不夠,也會使運營與維護成本占火箭發射總費用的比例極大增加。

從這些方面說,在目前這個技術程度和航太發射需求下,SpaceX的火箭回收技術難以很大程度節約成本,或者只是成本略微降低而已。

但這畢竟是人類航太史上一次劃時代的成功,意義遠遠不止火箭成功回收這一技術上的勝利。SpaceX和之前藍色起源的成功,讓世間第一次意識到航太不再是一種遙不可及的領域。

這個意義就好比,當初歐洲人航海,最早都是舉全國之力,送出兩三艘船,百年之內便發現了美洲、環遊了全世界。但突然間,人類發現航海技術不再遙不可及,造船公司、航運公司成為了現實,人們可以買票做出一百多年前開拓者做出的創舉。五月花號上的人,坐在船上,已然沒有了當時開拓者們害怕的那種心境,他們只是買了在正常不過的船票,航海已經成為人類開拓新世界的工具,不再神秘。

航太亦是如此,剛發展了不過70年時間,如今已經從國之重器、國之大業,慢慢走向了商業化、產業化,一個私人公司竟然能實現如此不可思議的成就,未來的航太將會更加普及,成本將會更加低廉,可靠性將會更加令人信服。航海用幾百年普及下來,航太可能100年內即可實現,未來這些商業公司的航太,將會成為人類進入太空開發太空的一艘艘“五月花”號。這種意義上的貢獻,是要遠遠超過SpaceX做出的任何一個產品的。