狂人馬斯克:探索火箭回收,難度不亞於狂風中將笤帚豎立在手掌中

對於馬斯克來說,目前最科幻的業務就要數他的“太空探索公司”(SpaceX),這傢公司的目標是研發降低太空運輸成本的運載火箭和太空船,期盼最終實現人類移居火星的願望。

狂人馬斯克:探索火箭回收,難度不亞於狂風中將笤帚豎立在手掌中

一、太空探索公司

這傢公司最著名的代表作就是“獵鷹9號”,我們以它為例,一次發射的花費報價為6200萬美元,其中所耗費推進劑的費用為20萬美元,僅為花費的0.4%,大部分發射費用都用在瞭制造火箭上。如果發射一次就報廢實在是浪費。

如果火箭發射後能回收重復發射10次至100次,則將大幅降低執行太空任務的發射成本。馬斯克之前也想過通過“展翼平飛”或“傘降”的方式回收,但隻有“定點垂直降落”才能夠實現快速回收和重復使用。不過這種看似最方便的方式是技術難度最大的,也最不容易成功的。

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它的原型結構是在箭體底部安裝4個收展式支架(垂直著陸用),頂部安裝有4片格柵式啟動翼(控制飛行姿態用),發射上升到一定高度後進行減速和定點著陸的控制。

“獵鷹9號”的火箭回收模式,是將形態“長細”的子一級火箭以垂直姿態“軟著陸”豎立於指定的著陸區。箭體要克服高空、高速空氣動力條件下的姿態控制,多次點火與發動機逆推,以及落地時的精確控制等難題,這是一項非常困難的技術。

馬斯克曾經對“獵鷹9號”的回收進行過比喻:在狂風中將一把笤帚豎立在手掌中。

既然如此艱難,為什麼還要堅持呢?這是因為“定點垂直降落”能夠對火箭“無損傷和無污染”,保證其原本的功能部件不丟失,且便於維修,才能節省費用用於再次發射。

“獵鷹9號”最終於2015年的聖誕節前夕“眾望所歸”般獲得瞭首次成功,遺憾地是它並沒有創造人類歷史紀錄,因為在它成功的前30天,藍色起源公司完成瞭首次回收太空飛行器的試驗。

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二、藍色起源公司

藍色起源公司是亞馬遜集團專門用於開展太空旅遊業務的下屬公司。飛行器的全稱為:“新謝潑德”號亞軌道飛行器。“新謝潑德”是為瞭紀念美國的宇航員先驅,“亞軌道飛行器”是因為飛行軌道沒有突破卡門線。

所謂的“卡門線”就是外太空與地球大氣層頂端的分界線,具體高度為100公裡,飛行軌道高於卡門線就是太空軌道,反之則為亞太空軌道。

“新謝潑德”號亞軌道飛行器由一級式火箭模組與加壓載人太空艙整合而成。火箭模組由1具液氫與液氧為推進劑的BE3發動機推動;加壓載人太空艙擁有15立方米的艙內空間,可以搭載6名乘客,具備發射出現意外時需要的逃生系統。

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它垂直上升至適當高度時,火箭模組與載人太空艙自動分離,火箭模組自動垂直降落於地面或海上平臺,供回收重復使用;載人太空艙上沖至最高點後降落傘張開緩緩返回地面,太空艙中的觀光乘客可在亞軌道太空享受數分鐘的“失重”體驗,觀賞地球的美麗景色。

藍色起源公司先後建造瞭3臺“新謝潑德”號飛行器,陸續進行瞭9次試射。最終在馬斯克這個“鋼鐵俠”成功的前一個月創造瞭歷史。

三、兩傢公司“垂直火箭”技術的對比剖析

太空探索公司的“獵鷹9號”與藍色起源公司的“新謝潑德”號都是“垂直起飛、垂直降落”方式回收,但兩者的技術難度上有很大的差距,下面就來簡單對比一下。

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1、兩者降落時的高度與水平距離不同,“新謝潑德”號降落時的高度約為100公裡,與發射點的水平距離約為20公裡;而“獵鷹9號”的高度為200公裡,與發射點的水平距離為95公裡。

從這個數字上可以看出,馬斯克公司的產品性能更好,但隨之而來的操作難度也更大。從長遠看,“獵鷹9號”更勝一籌。

2、兩者的燃燒速度不同,“新謝潑德”號的燃燒速度約為3馬赫;“獵鷹9號”的速度約為7馬赫,兩者都必須在著陸前減速近乎到0才能實現軟著陸,相比之下還是“獵鷹9號”的性能參數更加優秀。

3、兩者的“長細比”不同,“新謝潑德”號的長度約為15米,直徑3米,細長比為5;“獵鷹9號”的長度為33米,直徑3.5米,細長比為9.43.

對於火箭來說,“長細比”越高,垂直下降過程中控制姿態就越困難,這也是SpaceX公司幾次回收火箭都失敗的原因,降落時太難控制瞭。

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綜合以上3點可以看出,兩傢公司都采取瞭“垂直起飛、垂直降落”的模式,但是馬斯克的火箭性能參數更好,也更加難以操作。不過NASA為首的業內代表還是看好“獵鷹9號”的性能,目前一些國傢也在進行“垂直起降”的相關試驗,多數都在參照SpaceX公司的作品。

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