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蓝色起源的新格伦火箭能否超越重型猎鹰,火箭

作者: 军事资讯  发布:2019-04-22

  出品:科普中国

蓝色起源公司公布了新谢泼德飞行器第二次试飞的视频。这次试飞实现了从距地面100千米以上的太空垂直着陆回收火箭的壮举。视频来源:蓝色起源

军事资讯 112月22日,北京时间9:39分左右,SpaceX猎鹰9号火箭的一级火箭稳稳着陆,实现了人类航天发射历史上的首次火箭回收。图片来源:SpaceX

  作者:矛隼工作室

垂直起降复用运载器,这个技术大坑曾经“坑杀”过无数航天前辈,连美国研制的“三角快帆”最终也半途而废。然而,这一技术时下已经成为热门,太空探索技术公司(SpaceX)的猎鹰九号火箭(Falcon 9),和蓝色起源公司(Blue Origin)的新谢泼德飞行器(New Shepard),都是典型的垂直起降复用运载器。

北京时间12月22日上午,太空探索技术公司(SpaceX)的猎鹰9号火箭成功将轨道通信公司(Orbcomm)的11颗第二代通信卫星送入太空。这是6月28日猎鹰9号爆炸事故以来,猎鹰火箭的再次展翅。不过,更被人关注的,反而是火箭第一级的返回着陆试验。9点39分左右,猎鹰9号第一级成功着陆在卡纳维拉尔角的LC-1着陆场。人类航天发射的历史,掀开了新的一页。

  监制:光明网科普事业部

根据蓝色起源公司的消息,11月23日新谢泼德成功实现了人类历史上第一次越过卡门线(即距离地面100千米、标志着太空起点的分界线)的垂直起降。

ELV还是RLV

猎鹰9号第一级飞回着陆的成功,作为猎鹰9号火箭走向重复使用的重要一步,绝对值得大书特书。这一成功不仅是可重复使用运载火箭的技术上一个里程碑,还可能彻底开创世界航天廉价发射的新时代。

经过几十年的发展,目前航天发射工具可以分为一次性运载工具(ELV)和可重复使用运载工具(RLV)两种方式。

从理论上说运载火箭的燃料费用仅仅是一个零头,而火箭的箭体、发动机、导航制导控制等设备,占去了火箭成本的绝大部分。一次性运载火箭之所以昂贵,火箭本身只使用一次是最根本的原因,那么让火箭可重复使用,不就可以大幅度降低成本了吗?这正是可重复使用运载工具的初衷。

太空探索技术公司的老板伊隆·马斯克(Elon Musk)就曾分析,猎鹰9号发射报价6100万美元,但使用的液氧和煤油不过价值20多万美元而已。这么大的成本降低空间,也就意味着空前的利润。为了这份惊人的利润,几十年来,全世界航天机构和航天公司都不断地探索可重复使用运载工具的发展道路。

或许是航天发射的难度和运载工具面对的苛刻环境超出了人们的预期和能力,简而言之,过去几十年来人类追求可重复使用运载工具的努力,无一例外全都以失败告终,其中最著名的当属航天飞机。20世纪70年代初,科学家、工程师和媒体公众都曾指望航天飞机通过重复使用开启廉价进入太空的时代,他们的热情比我们今天更为猛烈和纯粹,但20世纪80年代的实际运营表明,航天飞机没能实现这一梦想。

最终美国不得不重启一次性火箭生产线,研制了我们今天熟知的渐进一次性火箭(EELV)。2011年航天飞机宣布退役,而联合发射联盟(ULA)的宇宙神5型(Atlas V)和德尔塔4型(Delta IV)火箭,仍将服役很长时间。

军事资讯 22011年7月8日,亚特兰蒂斯号航天飞机发射升空执行STS-135任务。这是航天飞机的最后一次发射,随后航天飞机全部退役。图片来源:Bill Ingalls

  一说到商业航天,大多数人脑子里的第一印象就是SpaceX太空技术探索公司,这家由埃隆马斯克创建的航天公司长期占据航天媒体的头版,而其他公司却在我国媒体发报道中难寻踪迹。

新谢泼德试飞

说起蓝色起源公司,它的老板杰夫·贝索斯(Jeff Bezos)是无法回避的主角。贝索斯试图从太空亚轨道旅游出发,最终实现廉价往返太空的目标。新谢泼德飞行器就是贝索斯实现梦想的工具,它将首先服务于亚轨道太空旅游。

蓝色起源公司重新集中起“三角快帆”DC-X的研究团队,试验飞行器的外形和设计也与DC-X相当相似。2006年蓝色起源公司开始“戈达德”(Goddard)原型飞行器的飞行试验,成功飞到了87米高度并垂直着陆。第二具试验飞行器被称为PM2,进行了两次试飞,其中2011年8月的第二次试飞中,飞行器飞到14000米高空,速度也达到了1.2马赫。虽然这次试验中飞行器由于攻角超限坠毁,但它的飞行包线不仅远远超过了DC-X的试验记录,也是今天SpaceX的两只“蚱蜢”(Grasshopper)试验飞行器从未达到的高度。

继承了“三角快帆”的基础,又有“戈达德”的试飞经验,虽然千呼万唤始出来犹抱琵琶半遮面,但新谢泼德的试飞要顺利得多。新谢泼德是一种单级复用运载器,使用了50吨级推力的BE-3液氧液氢发动机,这在商业航天公司中别具一格。一般来说,液氧液氢燃料较贵,而发动机和储箱要付出更多的研制生产成本,哪怕复用也不太适合斤斤计较的商业航天公司,但新谢泼德打破了这一传统。究其原因,新谢泼德除了用于亚轨道旅游,还是未来蓝色起源大型运载火箭第二级的试验器。

对比传统一次性火箭,新谢泼德推进段增加了环形和鳍形稳定翼,多个减速板和液压系统驱动的尾翼,尤其是尾翼可在约4马赫的高速下工作,保证下落过程中的稳定性。

2015年4月29日,新谢泼德进行了首次试飞,飞行器达到了93.5千米的高空,随后返回舱分离并成功着陆,但由于液压系统故障,推进段的垂直着陆失败。第一次飞行验证了新谢泼德总体设计的可行性,从实际飞行试验看,新谢泼德的设计并没有明显问题,成功已经指日可待。

2015年11月23日的第二次试飞中,新谢泼德成功飞到了100.5千米的高空,推进段分离后受控下降并精确降落在指定位置,完成了人类历史上第一次亚轨道垂直起降试验。相比之下,SpaceX的“蚱蜢”垂直起降试验飞行器飞行高度低到可以忽略,高调宣传的猎鹰九号第一级海上着陆试验则屡战屡败,在试验进度和外界观感上都落了下风。

军事资讯 3从太空返回的新谢泼德火箭运载器,稳稳地垂直降落在预定地点。图片来源:蓝色起源

SpaceX的梦想

《资本论》曾指出:“如果有10%的利润,资本就保证到处被使用……有300%的利润,资本就敢犯任何罪行,甚至冒绞首的危险”。重复使用运载工具的尝试虽然屡战屡败,然而一旦成功的话,可能带来的利润何止300%。无论付出什么样的代价,人类对重复使用运载工具的摸索和尝试都不可能偃旗息鼓,只不过新世纪重复使用运载工具研制的主角,变成了太空探索技术公司。

马斯克一直有一个太空殖民的梦想,希望有生之年能移民开拓其他行星。要实现这一梦想,就必须能够廉价进入太空。太空探索技术公司研制可重复使用运载火箭,其实是梦想的基石。简而言之,无论是作为一个商人,还是作为一个梦想家,马斯克都执着地追求火箭的重复使用。

猎鹰9号火箭的发射成功,证明一家商业公司也能研制出中型运载火箭,从而为太空探索技术公司踏足可重复使用运载火箭领域奠定了基础。猎鹰火箭复用尝试的第一步,就是火箭第一级的回收和再次利用。

太空探索技术公司进行了从降落伞海上回收到海上平台降落在内的一系列试验,但都以失败告终。屡败屡战的执着固然难得,但更令人钦佩的是他们吸取失败经验教训快速改进提高的努力。

多次试验箭体再入大气层却空中解体,从而发现无控再入行不通后,他们增加了冷气RCS做姿态控制,并使用发动机二次点火减速,实现了受控完整再入。接下来,他们实现了第一级火箭大气层内的点火减速,随后又完成了完整坠海。随后,他们又专门改装了海上平台,供猎鹰9号火箭第一级在海上着陆。即使有蚱蜢试验器多次垂直起降成功的经验,猎鹰9号火箭的海上降落仍然连续以失败告终,但他们持续改进液压系统和格栅舵,距离最后成功只有一步之遥。

这次成功的着陆试验更是艰难。先有6月猎鹰9号火箭发射失败的打击,11月又面对蓝色起源公司新谢帕德火箭垂直降落成功的压力(参见《火箭垂直回收,居然不是SpaceX?》一文),太空探索技术公司的工程师迎难而上,决定在大幅改进的猎鹰9号V1.1全推力(FT)版本的首次发射中,挑战火箭第一级的陆上着陆试验。

陆上着陆试验和海上发射试验又有所不同。海上发射试验是飞行弹道前向降落,而陆上着陆试验需要转向飞返发射场,实际难度还要更大。此外,着陆失败的话,其影响也远比海上平台着陆失败大得多。正因为如此,太空探索技术公司直到上周五才拿到了美国联邦航空管理局(FAA)和美国空军第45太空连队发布的陆上着陆许可。

12月22日,SpaceX发射猎鹰9号火箭及回收一级火箭的视频回放。视频来源:SpaceX

  而有这么一家公司,处处要和SpaceX相比,各位看官先别笑,这家公司还是有一定的资本的,这家公司就是蓝色起源公司。

难分高下

伊隆·马斯克(Elon Musk)和贝索斯是美国商业航天的两巨头,他们的对决当然会是人们津津乐道的话题。不过有趣的是,实际上,这种对决并不成立。马斯克的SpaceX占据先机,已经拿到了轨道补给合同,即将拿到载人运输合同,而贝索斯的蓝色起源公司到现在仍在亚轨道徘徊,轨道发射还有待时日。时下热门的垂直起降运载器研制上,两巨头也尚未正面冲突。

贝索斯的蓝色起源公司以新谢泼德先拔头筹,率先实现了进入太空的垂直起降,这是航天技术发展的一个里程碑,但我们看蓝色起源公司发布的数据,就会发现它的成色并不太足:新谢泼德固然突破了100千米高度的卡门线,但最高飞行速度仅有3.72马赫,甚至很难说是高超音速。

要说新谢泼德的亮点,主要在于它是第一个到达太空又垂直着陆返回地面的飞行器。“蚱蜢”等试验飞行器多次成功降落,但飞行高度和速度都太低。猎鹰九号的第一级分离速度约6到7马赫,却从未成功降落。

新谢泼德飞行器体积重量都比猎鹰九号第一级小得多,甚至小于“蚱蜢”试验飞行器。从某种意义上说,新谢泼德飞行器可以看作是加了更多燃料、飞得速度更快高度更高的“蚱蜢“。它的飞行过程要比猎鹰九号第一级高速再入加上定点着陆简单一些,但突破就是突破,新谢泼德飞行器已经载入史册

贝索斯创办的蓝色起源公司,研制了新谢泼德飞行器,着眼于亚轨道旅游业务,而马斯克创办的SpaceX,则致力于猎鹰九号火箭第一级的重复使用。马斯克希望通过复用降低猎鹰九号火箭的发射成本,并最终实现猎鹰九号火箭的重复使用,将发射成本降低到前所未有的水平。猎鹰九号火箭第一级的回收试验屡经坎坷,先是花费很大精力验证解决了高速下受控完整再入大气层的问题,随后卡在着陆上屡战屡败。

SpaceX的猎鹰九号火箭第一级,在2015年4月15日尝试在海上平台进行垂直着陆回收。这是猎鹰九号火箭最接近成功的一次海上平台着陆实验。视频来源:SpaceX

对此我们应该看到,猎鹰九号火箭首先要满足一次性运载火箭的需求,因此第一级存在长径比大、剩余推进剂少、控制手段少等问题,成功着陆的难度要更大一些。同样的,猎鹰九号火箭第一级能够突破着陆甚至回收复用的话,无论在技术上还是对航天工业的影响上,都是新谢泼德飞行器望尘莫及的

新谢泼德飞行器抢先完成了成功着陆,在进度已经毫无疑义地压过了猎鹰九号一头。这对高调的马斯克来说,不能不说是个遗憾。连他发的祝贺推文,都刻意强调了轨道和亚轨道飞行的区别,显得酸味十足。(编辑:Steed)

复用的经济性

22日上午猎鹰9号火箭第一级的成功着陆,让无数航天爱好者热泪盈眶。尽管这次试验还只是八字第一撇,距离实现火箭的重复使用还有很长一段距离,要证实这种复用方式的经济性更是遥遥无期,但从航天飞机梦想破灭以来,重复使用火箭新尝试的成功,我们等了实在太久。

话说回来,猎鹰9号的重复使用,到底能降低多少成本呢?

起飞级复用绝非太空探索技术公司的原创,美国曾有一家名为StarBooster的公司,计划使用可重复使用的飞回式液体助推器,据称发射成本可以降低30%左右。

据推测,猎鹰9号火箭梅林-1D发动机的造价在80万到100万美元之间,那么第一级9台发动机的总成本不过900万美元。有些推测认为,火箭第二级一台梅林-1D真空版发动机外加导航制导控制系统的总成本可能在2000万到2500万美元。再加上官方网站猎鹰9号火箭发射报价6100万美元的数据,可以推测,猎鹰9号第一级箭体本身造价不菲。这就是猎鹰9号不仅回收发动机,也要回收箭体的重要原因。

根据马斯克的说法,猎鹰9号火箭和其他火箭设计有所不同,第一级占去了全箭大部分成本。这一点看来绝非虚言,但也意味着猎鹰9号第一级的重复使用可以降低更多的成本。即使以StarBooster对比推断,猎鹰9号火箭第一级重复使用也有望将成本降低40%甚至更多。

猎鹰9号火箭还在研究第二级的受控再入和着陆,并计划最终实现第二级的重复使用。根据太空探索技术公司参与国际会议公布的指标,该公司的中期目标是通过火箭的重复使用,将猎鹰9号的发射报价降低到600~700万美元,也就是现有发射价格的大约1/10。这将对航天发射市场构成空前冲击,但发射成本的降低,更可能极大地激活空间应用市场,让人类空间活动进入一个大发展的时期。

这段视频展示了未来载人龙式飞船发射的场景,不只要实现一级火箭的回收,更要实现全部火箭的回收,进一步降低航天发射的成本——这是SpaceX公司未来的目标。视频来源:SpaceX

前面提到,猎鹰9号火箭发射报价高达6100万美元,但燃料成本只有20多万美元,那么600万美元的发射价格还是太贵了些。马斯克曾经雄心勃勃地表示,通过火箭重复使用,有望在远期将火箭的发射成本降低到现有水平的1/100——这是一个和当年航天飞机一样极具雄心的目标。如果他真的能实现这个目标,载人登月乃至移民火星都不再是幻想。

过去十几年时间里,太空探索技术公司创造了一个个奇迹。让我们期待他们在未来能创造新的奇迹,开始人类迈向星际时代的第一步。(编辑:Steed)

  蓝色起源公司是一家美国公司,和spaceX一样,其也有一个传奇般的老板,不过这个老板不是和埃隆马斯克一样的技术天才,而是一个超级互联网富豪——杰夫·贝佐斯,在2018年3月发布的福布斯富豪榜中,贝佐斯以1120亿美元的资产成为了世界首富。

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图为蓝色起源和亚马逊共同的老板——贝佐斯(来源:百度图片)

  在巨大的资金支持下,蓝色起源公司的目标也和SpaceX一样——通过快速复用火箭技术,打造自己的航天帝国。

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  图为各种主要运载火箭的示意图,右数第二到第四个是新格伦火箭(来源:蓝色起源)

  蓝色起源的超重型火箭名字为“新格伦”,其体型介于重型猎鹰和SLS太空发射系统之间。而且,这种超重型火箭也将具有其复用回收能力。

  新格伦火箭的设计与重型猎鹰不同,其有多个可旋转的空气动力侧翼,这些侧翼将可以起到减速和控制飞行方向的作用。其作用更类似于猎鹰九号的格栅舵和反冲火箭的联合效果。随后的新格伦火箭将在接近回收船的时候打开火箭引擎进行减速。全程中只有这一次减速火箭启动,而与之对比的猎鹰火箭在减速时要三次启动反冲火箭。

  新格伦火箭也是进行海上着陆,这样可以更加节省火箭的运力。而其海上着落船与SpaceX相比可以说是豪气无穷——其将用一个数万吨的轮船直接改装成着陆平台,而SpaceX的着陆船只有几百吨。

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  图为新格伦火箭着陆在平台船上的示意图(来源:蓝色起源)

  新格伦火箭的初步预计近地轨道运载能力约为45吨,略低于SpaceX的重型猎鹰。支撑起巨大推力的是其BE-4发动机,这种发动机除了将装备新格伦火箭之外,还将装备ULA联合发射联盟的火神级火箭。2009年NASA商业载人发展技术第一阶段开启之后,两家公司开始了一系列的合作,BE-4就是合作产物之一。

  7台BE-4发动机将排列在新格伦一级火箭的底部,采用了单轴富氧分级燃烧技术(single-shaft oxygen-rich staged combustion)每个发动机将提供2400千牛推力。BE-4将使用液化天然气和液氧作为反应燃料,这最大的好处是积碳较少。

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  图为BE-4火箭发动机(来源:蓝色起源)

  积碳指的是火箭发动机启动时,未燃烧完全的碳元素的堆积。液化天然气相对来说更为清洁,尤其是相对于SpaceX的梅林(Merlin 又名灰背隼)发动机的液氧煤油燃料来说。这将大大降低后期火箭的复用清理流程,据悉,一个BE-4发动机将可以复用100次。

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图为两种新格伦火箭的构型和单独着陆状态的新格伦火箭(来源:蓝色起源)

  不过,液化天然气的密度远远小于煤油,这迫使蓝源不得不在新格伦火箭上采取超大型的储箱,大大增大了一级火箭的体积,事实上是不利于火箭的回收的。就目前为止,世界上尚未如此吨位火箭的整体回收记录——重型猎鹰火箭虽然比新格伦更大,但是其一级火箭是分开为三部分分别回收的。

  此外,新格伦火箭的另一个优势在于其只有七台发动机,可靠性相较于重型猎鹰火箭的27台发动机要高得多。而需要清理的发动机数量也就少得多。蓝色起源公司也为之提出了快速复用理念——发射回收后快速清理检查然后重新加注,曾有报道称蓝色起源公司计划在回收船上将完成火箭的发射——回收——检查——加注——再发射的一条龙。

  使用BE-4的新格伦和火神两型火箭的主要服务对象除了传统的美国空军、美国国家侦察局、美国航空航天局之外,还将更多地服务于民间公司。值得一提的是,蓝色起源公司将使用新格伦火箭与oneweb公司进行合作,发射数百枚网络卫星为世界提供无线网络。而这一计划与spaceX和Starlink的计划非常相似,也确实可以看出这是一个处处与spaceX对比看齐的公司。

  在这个重型火箭的黄金时代,很多公司都计划着地外探索,例如spaceX的目光一直订在火星上,而ULA联合发射联盟则也提到过将建立月球殖民地。蓝色起源的老板贝索斯却觉得,蓝色起源将更多地考虑如何通过零重力工业和太阳能造福人类,而不是探索外星球。

  无论怎么样,蓝色起源也将为世界贡献自己的运载火箭,或许,他们将会是人类太空时代的新答案。

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