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那辆漂浮在宇宙中的特斯拉跑车,成了太空探索的最新里程碑

马若飞2018-02-07 16:34:45

资本市场数字游戏的同时,SpaceX 距离火星又近了一点

一台红色的特斯拉 Roadster 电动跑车,驾驶座上坐着一个人,姿势放松,右手握着方向盘,左手放在窗沿上。这个场景看似平淡无奇,但实际上极为震撼:这台车和这个“人”正在快速远离地球,目标是太阳轨道。

这台车属于特斯拉 CEO 伊隆·马斯克,车上坐的不是真人,是一个身穿宇航服的测试假人。它由“猎鹰重型”火箭于北京时间 2 月 7 日凌晨 4 点 45 分,在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心 39A 发射台发射升空,28 分之后二级发动机第二次关机,这台车进入远地点 7000 公里的地球轨道上运行。在穿越范艾伦辐射带,在停泊轨道上运行 6 小时后,北京时间 11 点 50 分二级发动机再次点火,马斯克的 Roadster 进入环太阳轨道,远地点位于火星与木星之间的小行星带。

借由此次的成功发射,“猎鹰重型”成为现役最强大的运载火箭,可以将 63.8 吨重的载荷送上近地轨道(LEO),相当于一架坐满人、加满油的波音 737-600 客机;可以将 26.7 吨重的载荷送进地球同步轨道(GTO);可以将 16.8 吨重的载荷一次性送到火星。

更重要的是,“猎鹰重型”是一种高度可回收的运载火箭,它的两枚助推器和第一级火箭都可以自动飞回地球,整流罩装有降落伞也可以回收。实际上,这次首飞的“猎鹰重型”火箭的两枚助推器就是曾经在“猎鹰 9 号”上用过的二手火箭,借由可回收设计,猎鹰重型火箭的发射报价仅为 9000 万美元,仅有能力相近的美国联合发射联盟“德尔塔-4 重型”火箭 4 亿美元的四分之一。

而且,“猎鹰重型”是 SpaceX,一家自负盈亏的私人公司设计建造和发射的。

发射全程视频回顾

首次发射一波三折,但实现了主要目标

“猎鹰重型”火箭在 2017 年 12 月 28 日就在肯尼迪航天中心完成了组装,被安置在了发射台上。马斯克宣布,这次测试发射中,火箭搭载的有效载荷是他的特斯拉 Roadster 电动跑车。

在此之前,这次测试任务本来定在 2016 年下半年,但因为 2016 年 6 月的 CRS-7 任务失败,火箭在空中爆炸后计划延迟。SpaceX 是一家小公司,研发人员有限,失败任务的复盘和随后的调整影响到了与“猎鹰 9 号”并行的“猎鹰重型”,任务一直从 2017 年初推迟到了 2018 年 2 月。

1 月 24 日,“猎鹰重型”在发射台上完成了静态点火试验,27 台发动机全部点火模拟发射时的状况,但火箭被固定在发射台上不起飞。在此之前 SpaceX 很少做类似的实验,因为“猎鹰重型” 27 台发动机因为太大,很难做整体的地面试验,所以必须在发射台上做静态点火试验。

昨天凌晨,原定 2 时的发射时间被推迟,因为当地天气有一些变化,出现了高空风切变,可能导致发射失败。

在推迟了两小时之后,北京时间凌晨 4 时 45 分“猎鹰重型”火箭点火起飞。

  • 1 分 06 秒,火箭时速超过 1200 公里每小时,达到最大动压值(Max-Q),意味着火箭越过了对结构强度考验的最困难阶段。随后时速超过音速。
  • 2 分 29 秒,两枚助推器发动机关机;2 分 33 秒,助推器在机械推杆和氮气喷射机构动作下成功与芯级分离。
  • 2 分 50 秒,两枚助推器姿态调整完成,部分发动机再次点火,开始再入大气层,目标是发射台旁边的陆地降落场。
  • 3 分 07 秒,芯级火箭分离,随后二级火箭点火。
  • 3 分 24 秒,芯级火箭姿态调整完成,部分发动机再次点火,开始再入大气层,目标是正在大西洋上停泊的无人平台驳船“我当然还爱着你”号(Of Course I Still Love You)。
  • 3 分 49 秒,整流罩分离,摄像机画面显示,特斯拉 Roadster 跑车中还有一个穿着航天服的假人,当它们开始暴露在真空中,大卫·鲍伊的歌曲《太空怪谈》(space oddity)作为背景音乐开始响起。之后,价值 500 万美元的整流罩将落回地球并回收。
  • 6 分 41 秒,助推器降落前再次点火,8 分 06 秒,两枚助推器几乎同时成功降落。
  • 6 分 47 秒,芯级火箭降落前再次点火,但因为燃料耗尽,原定的 3 台工作发动机仅有一台点火。8 分 40 秒,“我当然还爱着你”号无人驳船的摄像机画面显示信号中断,最后的画面是一片白雾。随后的记者会上,马斯克确认芯级火箭回收失败。
  • 8 分 31 秒,二级火箭第一次关机。
  • 28 分 22 秒,二级火箭再次点火,28 分 52 秒再次关机,Roadster 跑车进入远地点 7000 公里的停泊轨道。
  • 7 小时 01 分,二级火箭第三次点火,Roadster 跑车进入环太阳轨道,在可见的未来,这台跑车将越过火星轨道,最远抵达火星与土星之间的小行星带。

在整个发射过程中,火箭上搭载的摄像机记录下的画面从来没人见过:背景是蓝色的地球,画面上一台红色的跑车中坐着一名穿着航天服的人,一边还似乎听着大卫·鲍伊的歌。

正如马斯克自己所说,这是“史诗般的景象”。

SpaceX 还在这台 Roadster 跑车上设置了几个彩蛋:汽车的中控台上有一个小小的 Roadster 跑车模型,模型车里也坐着一个模型小人;汽车的中控屏幕上贴着“不要恐慌”,这是著名科幻小说《银河系漫游指南》中的著名台词;在这台车的一块电路板上,写着“人类制造,来自地球”;跑车里还放着一套缩微版《基地》,那套阿西莫夫所著的著名科幻小说。

“猎鹰重型”不仅是现阶段人类能发射的最强大火箭,大概也是宅男、科幻迷们的最强寄托。

“猎鹰重型”的结构太复杂,以至于马斯克自己都没信心

“猎鹰重型”火箭项目是伊隆·马斯克 2005 年开始构想,2011 年正式宣布的。2011 年时,SpaceX 刚刚成功发射了两枚“猎鹰 9 号”火箭,还没有开始火箭回收试验,“猎鹰 9 号”的几次失败发射和工程整体的巨大难度最终导致“猎鹰重型”的发射推迟了 5 年。

简单的说,“猎鹰重型”是就是三枚“猎鹰 9 号”捆在一起。

猎鹰 9 号的名字来自于第一级 9 台“默林 1D”液氧煤油火箭发动机,采用这种多台发动机的结构是为了精简生产,减低研发成本。如果不考虑成本,比如 NASA 花钱的联合发射联盟“德尔塔 4”火箭,第一级只有一台 RS-68 火箭发动机,这种发动机非常强大,但也非常昂贵。

“猎鹰重型”既然是三枚“猎鹰 9 号”的芯级捆绑,第一级自然就会有 27 台发动机一起点火。两侧的叫助推器,中间的叫芯级,实际上三枚火箭的硬件是一样的。这种结构极为罕见,在一般的火箭设计中,为了减少故障率就要尽量减少零件数量,从概率上减少故障的可能性。

除了可能的故障概率,多台发动机的设计还有“耦合共振”的问题:在 27 台发动机工作时,产生的振动可能会与箭体叠加,最终导致结构损坏和发射失败。

去年 7 月,马斯克曾说,“猎鹰重型”火箭可能在首次发射时爆炸。他甚至希望火箭爆炸的时候远离发射台,不损坏发射台甚至可以算作某种成功。

延迟 5 年的“猎鹰重型”火箭坚持这么做,还是要为了降低成本。

在今天凌晨的发射中,“猎鹰重型”两枚助推器都是“二手火箭”,也就是之前的发射中用过的:一枚来自 2016 年 5 月发射 Thaicom 8 卫星的“猎鹰 9 号”,一枚来自 2016 年 7 月发射 CRS-9 国际太空站补给任务的“猎鹰 9 号”。这两枚助推器在之前的发射回收后经过检查,在顶端加装了一个小型整流罩之后就变成了今天的助推器。

助推器成功回收

在任务成功之后的新闻发布会上,伊隆·马斯克确认,这两枚回收后的火箭状态都非常良好,可以再次上天。

“猎鹰重型”的芯级火箭是一枚崭新的火箭,这次是第一次发射。在原计划中也要回收,但最终失败了。马斯克在发射后的发布会上确认,这枚芯级最终接近了大西洋上的无人驳船,但因为燃料耗尽,原计划点火减速的 3 台发动机只有一台工作,最终火箭以 300 公里的时速坠落在距离驳船附近 100 米的海里,大概率是摔成了碎片。

不过,芯级火箭没有回收成功只能算是本次任务的一个小挫折。和以往“猎鹰 9 号”的商业发射有人买单不同,这次的“猎鹰重型”发射是一次单纯的投入,为的是验证设计结果,顺便给未来的潜在客户打一则广告,顺便再完成一点马斯克的中二梦想。以这个“测试”这个任务目标来看,这次发射是无所谓“失败”的。

在未来的“猎鹰重型”商业发射中,如果是回收三枚第一级的设计,地球同步轨道的筹载能力为 8 吨。如果只回收助推器,芯级火箭无需节省燃料的话,地球同步轨道的筹载能力将是 16 吨。这两种版本的任务将会有不同的报价,用二手火箭执行的价格将更低。

SpaceX 以后要抢走波音等大公司更多生意了

SpaceX 的火箭和美国政府主导的,正在研发的火箭相比,显得有点“经济适用”:NASA 的下一代火箭“太空发射系统 SLS”芯级使用 4 台航天飞机遗留的 RS-25 氢氧发动机,以真空推力来计算,这种发动机比“猎鹰重型”使用的“默林 1D”发动机的两倍还多。

“太空发射系统 SLS”整体的筹载能力和“猎鹰重型”也不是一个层次,它的最强版本可以把 130 吨载荷送进近地轨道,比猎鹰重型强大一倍多。而猎鹰重型受限于芯级的直径,筹载能力不会再有太大提升了。

“太空发射系统 SLS”计划 2019 年首次发射,报价 5 亿到 10 亿美元,未来美国发射更大、更重的深空探测器,或者重返月球,都将依靠政府主导的 SLS。

“太空发射系统 SLS”艺术想象图/Wikipadia

但剩下的市场就不乐观了。

2017 年美国完成了 29 次商业发射,SpaceX 占其中的 16 次,超过一半。这其中不仅有商业公司的卫星,比如铱星公司的通信卫星;也有 NASA 的项目,比如国际太空站的货运飞船补给任务;也有来自军方的机密任务,比如 X37-B 绝密空天飞机。

换句话说,在中小型航天发射上,SpaceX 已经依靠低价和几乎 100% 的可靠性赢得了市场。

但换句话说,SpaceX 只能在这些市场上有所作为,在政府主导的,更看重可靠性而不是经济性的重要项目上,比如去月球,去火星,这大概都和 SpaceX 关系不大。

猎鹰火箭家族和其他火箭的尺寸对比

从左至右为长征五号、Vulcan、阿丽亚娜 6 号、猎鹰 9 号 v1.0,其后为猎鹰 9 号 v1.1、猎鹰 9 号 FT、猎鹰重型、太空发射系统 1B 货运版、太空发射系统 1B 载人版、土星 5 号阿波罗版、航天飞机

SpaceX 的下一步目标是自己去火星。

在猎鹰重型之后,SpaceX 正在开发两样东西,一个是更强大的氢氧火箭发动机猛禽(Raptor),一个是基于这种发动机的“超级大火箭”(Big Fucking Rocket)。在这两样的基础上,SpaceX 计划在 2025 年之后把人送上火星,而单人单程费用可能会低到 100 万美元以下。在 NASA 的计划中,这个价格是 100 亿美元。

对于一家致力于送人上火星的私人公司来说,SpaceX 还很小。2017 年,SpaceX 募资了 3.5 亿美元,估值 210 亿。开发新项目也会有来自客户的前期付款,比如美国空军就给“猛禽”发动机预先支付了 3000 万美元的资金。

SpaceX 计划在 2018 完成两次猎鹰重型火箭的商业发射,客户是阿拉伯卫星公司和美国国防部。2019 年计划送游客前往月球附近。


图片/SpaceX

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