作者 | 王笑漁
(資料圖片)
標題 | 周到
“炸了!炸了!”
曾幾何時,這是美國媒體對美國太空探索技術(shù)公司SpaceX報道時,最常用的標題格式。在過去兩年,SpaceX的星際飛船(Starship)進行過無數(shù)次的測試,屢屢遭遇爆炸和損毀。
較為嚴重的一次,是2021年3月第12次星際飛船原型測試爆炸事件。其中炸出無數(shù)的碎片,讓SpaceX花了三個月才清理干凈。
2021年SN10 Starship爆炸
契訶夫曾說過:“困難和折磨對于人來說,是一把打向坯料的錘。打掉的應(yīng)是脆弱的鐵屑,鍛成的將是鋒利的鋼?!倍缃竦腟paceX正從陰霾中緩緩走出,并迎來新的里程碑。
北京時間2023年2月10日凌晨5時,美國當?shù)貢r間2月9日晚間,SpaceX成功進行了一次超重型火箭助推器原型Booster 7的靜態(tài)點火測試。雖然沒有全發(fā)動機點火,而且整個點火過程雖然只持續(xù)了約5秒的時間,但它已經(jīng)超越了蘇聯(lián)N1火箭一級30顆NK-15發(fā)動機同時點火的記錄。
SpaceX 31個引擎靜態(tài)點火
SpaceX創(chuàng)始人埃隆·馬斯克在社交媒體平臺上寫到:“團隊在開始前關(guān)閉了1個引擎,1個引擎自行停止,所以總共有31個引擎點火。但仍有足夠的引擎進入軌道!”
我們很多讀者可能并不了解,這種將大量小型發(fā)動機并聯(lián)組合成載人登月火箭這種技術(shù)方案有多么危險。因為,當一個系統(tǒng)變得復(fù)雜時,它的可靠性就會大大降低。SpaceX能并聯(lián)如此多數(shù)量的火箭,同時還能保證系統(tǒng)運行的可靠性,這本身就是一件難于上青天的事情。
在上世紀60年代美蘇冷戰(zhàn)期間,雙方曾圍繞載人登月進行過長時間的太空競賽。
因為技不如人和資金缺乏的原因,蘇聯(lián)無法在同樣的時間研發(fā)出像美國土星5號那樣的大推力運載火箭。但隨著美國的土星5號火箭在同期進行了多次成功發(fā)射,蘇聯(lián)高層坐不住了。為了搶在美國阿波羅飛船之前完成載人登月任務(wù),蘇聯(lián)高層甚至跳過了N1火箭的獨立測試飛行測試,在該火箭的第一次發(fā)射時就為其搭載了聯(lián)盟7K-L1登月飛船。
30個并聯(lián)NK-33發(fā)動機:像不像煤氣灶?
時間緊任務(wù)急,蘇聯(lián)的科研人員們只能寄希望于大力出奇跡了。他們將30臺NK-33型發(fā)動機并聯(lián)組成N1火箭的1級結(jié)構(gòu),用“眾籌”的方式試圖提升火箭的1級推力。按理說,NK-33發(fā)動機的足夠先進,一度是人類歷史上推重比最高的火箭發(fā)動機,直到21世紀被SpaceX的默林火箭發(fā)動機超越。
但問題在于,放在1969年1月的這個時間點上,構(gòu)成N1火箭1級推進結(jié)構(gòu)的30臺NK-33發(fā)動機才剛剛出廠,并沒有經(jīng)過點火測試,還因為各種調(diào)試過程以及發(fā)射氣象條件不佳的原因在發(fā)射臺上被風吹日曬了四個星期。最終在1969年2月21日的第一次試驗發(fā)射中,N1火箭因為1級火箭中的其中1個發(fā)動機的意外熄火,引發(fā)系統(tǒng)關(guān)閉了所有30個推進火箭。隨后在點火3分鐘后,N1火箭失去動力在距離發(fā)射塔52公里處墜毀。
在共3年多的時間里,N1火箭進行了4次發(fā)射,無一例外地以失敗告終。其中的第二次事故里,由于其中1臺發(fā)動機吸入異物,導(dǎo)致承擔1級推進任務(wù)的全部30個發(fā)動機在火箭升空200米后全部熄火,進而致使N1火箭攜帶著2300噸推進劑在發(fā)射臺墜毀并爆炸。
爆炸后的發(fā)射臺
直到爆炸發(fā)生半小時后,現(xiàn)場人員才被允許走出掩體,而當時天空中還在下著煤油雨。這次爆炸破壞力相當于7000噸當量TNT,炸碎了方圓10公里內(nèi)所有建筑物的玻璃,火光在相距發(fā)射場35公里外的列寧斯克市都清晰可見。不過幸好因為疏散即使,事故并沒有造成人員傷亡。但這次發(fā)射徹底炸毀了火箭發(fā)射臺,導(dǎo)致工作人員用18個的時間對其進行了重建。在4次連續(xù)失敗后,蘇聯(lián)被迫放棄了載人登月項目,在冷戰(zhàn)的太空競賽中漸漸落后。
如此來看,SpaceX將超過30個引擎進行并聯(lián),難度顯然不言而喻。而這次的靜態(tài)點火雖然沒有讓飛船升空,但卻意味著星際飛船完成了進行軌道發(fā)射前最后一步。接下來的3月或者4月,我們很可能就能看到星際飛船進行首次軌道飛行測試——距離馬斯克的火星移民計劃,又近了。
“總有一天,星際飛船會帶我們?nèi)セ鹦恰薄?/strong>馬斯克說道。
成功點火,意味著什么?
SpaceX的星際飛船(Starship)由兩個可重復(fù)使用的部分組成,一個是約70米高的第一級助推器Super Heavy,一個是50米高的航天器Starship。它們被統(tǒng)稱為星際飛船——代表了一個完全可重復(fù)使用的運輸系統(tǒng),旨在將船員和貨物運送到地球軌道、月球、火星及更遠的地方。
Starship
星際飛船的第一代原型機為星蟲(Starhopper),第二代原型機(Starship No.X)簡稱為SNX,X為編號。超重助推器(Super Heavy Booster No.X)簡稱BX,X為編號。
從2019年開始,星際飛船已經(jīng)歷過數(shù)十版的迭代和進化,其中部分原型機在測試中炸毀。到目前,航天器Starship迭代到了SN24,而助推器Super Heavy則為Booster 7。
航天器在上,助推器在下,兩者均由SpaceX的猛禽發(fā)動機(Raptor)提供動力,以液態(tài)甲烷和液態(tài)氧 (CH4 / LOX) 為燃料。其中,助推器Super Heavy上有33個猛禽火箭發(fā)動機,而Starship上有6個。這次成功進行靜態(tài)點火測試的,正是底部的助推器Super Heavy。
值得注意的是,SpaceX在獵鷹9號火箭上用的并不是猛禽,而用液氧煤油的梅林發(fā)動機(Merlin rocket engine)。雖然它也能夠撐到馬斯克太空移民的目的地——火星,但在其上面卻得不到補充的能源。而且,液氧煤油容易出現(xiàn)積碳、結(jié)焦,難以重復(fù)使用。
所以,SpaceX開發(fā)了猛禽發(fā)動機,其動力來源正是火星上能制造出來的——甲烷。
Raptor猛禽火箭發(fā)動機
猛禽發(fā)動機是世界上第一種實用化的甲烷火箭發(fā)動機,同時也是世界上第一種實用化的全流量分級燃燒火箭發(fā)動機。
所謂的全流量分級燃燒發(fā)動機,是通過使用多個燃燒室,部分燃料先進入預(yù)燃室燃燒,產(chǎn)生的推力再推動渦輪泵,驅(qū)動全部燃料進入主燃燒室燃燒并產(chǎn)生推力,可以將每一絲的燃料都轉(zhuǎn)換成推力。
猛禽發(fā)動機的直徑僅有為1.3米,室壓約30兆帕,單臺推力不低于200噸,盡管推力略小于藍色起源(亞馬遜創(chuàng)始人貝索斯的商業(yè)太空公司)的BE-4,但體積和燃料利用率卻遠優(yōu)于后者。
猛禽火箭發(fā)動機
但與其說猛禽發(fā)動機是燒甲烷的,不如說是“燒錢”的。
在2009-2015年間,猛禽發(fā)動機一直由SpaceX公司自籌資金研制?到2016年,美國空軍決定支持SpaceX公司的液氧/甲烷發(fā)動機研制項目,并提供了3360萬美元的研制資金,但同時還要求SpaceX自己也要投入6730萬美元的研制經(jīng)費?
所以,復(fù)用性也是猛禽發(fā)動機開發(fā)的基礎(chǔ)要求之一。馬斯克之前表示,未來安裝在星際飛船上的猛禽發(fā)動機可免維護使用100次,簡單維護后可以重復(fù)使用1000次。
理論上,復(fù)用次數(shù)越多,意味著單次發(fā)射的成本越低,最終“太空船票”也就會越來越便宜。但短期內(nèi),太空旅行仍是有錢人的游戲。
上太空,仍是富人的游戲
任何事物都是明碼標價的,太空旅行也不例外。
2022年4月,載有首個全平民乘組的美國“SpaceX Crew Dragon”商用飛船抵達國際空間站。除NASA前宇航員邁克爾·洛佩斯-阿萊格里亞之外,此次搭乘飛船參加太空旅行的乘客還包括美國人拉里·康納、加拿大人馬克·帕西以及以色列人伊爾坦·施蒂比。這3位乘客各自要為旅行支付5500萬美元。
貝索斯的藍色起源,首次亞軌道飛行的票價高達2000萬美元,在可重復(fù)使用的運載火箭的幫助下,如今的票價已降至每次二三十萬美元之間。
藍色起源
理查德·布蘭森帶領(lǐng)的維珍銀河去年發(fā)售的太空旅行機票售價為45萬美元,但要先付15萬美元押金,旅行時長為90分鐘。期間將提供幾分鐘的離座失重體驗和地球景色觀賞項目。
與藍色起源和維珍銀河在“太空邊緣”觀光不同,SpaceX的太空旅行是正兒八經(jīng)的要送富人們到月亮上去。日本富豪前澤友作(Yusaku Maezawa)在2018年重金包下的SpaceX繞月之旅的所有座位。在2022年12月,他宣布了10名機組人員,其中還包括了韓國明星BIGBANG成員TOP。
前澤友作的機組人員
這次繞月之旅,是要到達距離月球表面200公里以內(nèi)的地方。最初計劃使用獵鷹重型與龍飛船的組合運載器,但后來改為星際飛船(Starship),也就是這次進行發(fā)動機靜態(tài)點火測試的那艘。
最早的計劃是2023年四季度發(fā)射,但以現(xiàn)在的進度來看,雖然星際飛船的靜態(tài)點火測試完成,但真正要奔赴月球仍有待時日。
在發(fā)動機靜態(tài)點火之前一天,SpaceX總裁兼首席運營官 Gwynne Shotwell公開表示,星際飛船需要經(jīng)過數(shù)百次無人飛行驗證后,才能用于載人飛行。星際飛船會先用于載人登月任務(wù),而后再考慮在登陸火星任務(wù)中使用星際飛船。星際飛船首次載人登陸火星的目標時間,或許可以是在2030年。
最后能不能上月球和火星再說,至少現(xiàn)在的SpaceX靠已經(jīng)開始有盈利的跡象了。Shotwell表示,SpaceX公司的關(guān)鍵業(yè)務(wù)線正在盈利,美國國家航空航天局所依賴的主要火箭發(fā)射服務(wù)之一已經(jīng)成為該公司的盈利來源之一。
馬斯克的火星移民計劃
去年,SpaceX取得了幾個新的里程碑成就。該公司在2022年共發(fā)射了61次火箭,幾乎是2021年31次發(fā)射的兩倍。獵鷹9號運載火箭也借此成為了一年內(nèi)單一型號發(fā)射次數(shù)最多的火箭。此外,SpaceX的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)星鏈(Starlink)的用戶超過了100萬。她還表示,在2022財年,若不包括發(fā)射相關(guān)費用,星鏈有一個財季現(xiàn)金流為正。
寫在最后
在SpaceX的官網(wǎng)上,寫著馬斯克曾說過的話:“你想要早上醒來睜開眼睛時,希望我們的未來會更好——這就是作為一個太空文明的意義所在。就是相信未來,認為未來會比過去更好。我想不出還有什么比去宇宙中,在那里和星辰在一起更令人興奮的了。”
但目前看來,太空旅行的興奮感都是留給富人們?nèi)ハ硎艿?,普通老百姓們還在為特斯拉漲漲跌跌的那幾千塊,而爭論不休。
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