运载火箭的能力有多大 航天的舞台就有多大
2018-02-12 09:01:00 来源:南方日报 作者:王腾腾2018-02-12 来源:南方日报 作者:王腾腾

  美国东部时间2018年2月6日15时45分,经过数次推迟之后的Space-X(太空探索科技公司)猎鹰重型运载火箭从美国宇航局的肯尼迪发射中心起飞升空,一举成为当今世界运载能力最大的火箭。

  该火箭两个助推器以及一级火箭共装载27台火箭发动机,两个助推器分别来自于此前猎鹰九号发射后成功回收的一级火箭,并且再次完成回收。

  虽然特斯拉汽车的轨道并不如预期一样,而是更远了一些;虽然一级火箭未能完成回收;虽然它并没有打破土星五号的运载力纪录;但是,在众多的光环下面,这些不完美也就不那么重要了。

  “只要发射平台

  没被炸毁就算成功”

  猎鹰重型火箭发射时间曾数次推迟,在发射当天也几次推迟点火。Space-X公司创始人埃隆·马斯克更是显得小心翼翼,他表示,只要发射平台没被炸毁就算成功,要么是激动人心的成功,要么是激动人心的失败。

  猎鹰重型火箭的运力,已经成为世界现役运载火箭中的领头羊:其近地轨道运载能力达63.8吨,地球同步轨道运载能力为26.7吨,地火转移轨道运载能力为16.8吨,它能运送重达3.5吨载荷抵达冥王星,远远超过新视野号的0.5吨级别。

  荷兰代尔夫特大学航天学博士毛新愿对南方日报记者表示,美国“德尔塔4”火箭近地轨道运载能力为28.8吨,“宇宙神5”型火箭近地轨道运力约19吨,地球同步转移轨道运力约9吨;俄罗斯2014年首次发射成功的大型运载火箭“安加拉5”,其火箭近地轨道运力近25吨,地球同步转移轨道运力可达7吨以上;此外,中国的大火箭“长征五号”能把25吨重的货物运送到近地轨道,其极限是运送一个5吨左右的探测器到火星。

  毫无疑问,猎鹰重型火箭在上述火箭中遥遥领先。当然,从人类航天史来看,猎鹰重型不能算是老大,在美国有“土星五号”的传奇,前苏联有“能源号”运载火箭。

  美国“土星五号”是人类历史上最强大的火箭,土星五号高达110.6米,重约3039吨,推力可达3408吨,而它至今保持着人类史上火箭最大的运载能力纪录:近地轨道(LEO)140吨,比猎鹰重型火箭的两倍还多。从1967年首飞到1973年退役,土星五号共发射了17次,从未发生过任何事故,没损失过任何有效载荷,成功率达100%。而前苏联的“能源号”火箭在推力与运载能力上也是不遑多让:“能源号”的推力达到3500吨,近地轨道的运载能力也不低于100吨。

  27台发动机

  托举“猎鹰重型”

  火箭发动机被看作是火箭的心脏,这也决定了火箭能不能承担起巨大的载荷飞向太空。推力强大的“土星五号”第一级火箭采用5台F-1发动机,推进剂为液氧和煤油,布局为中间一台,外围四台,总推力达到34020千牛。

  而猎鹰重型火箭的起飞推力也达到了22819千牛。但是相比较“土星五号”的F-1发动机,猎鹰重型所使用的梅林(Merlin-1D+)发动机在单台推力方面,实在是小得多。

  正应了那句“推力不够,数量来凑”,猎鹰重型火箭的一级火箭以及两个助推器,一共使用了27台梅林发动机。

  “目前的情况下,在资金以及研发周期等条件限制下,Space-X缺少大推力的火箭发动机。所以当前的这种发动机布局,在不用投入大量的资金以及周期的情况下,把火箭的推力提高到60多吨。”航天专家庞之浩告诉南方日报记者。

  同时,庞之浩也表示,这种技术风险也很大,发动机越多越不安全,“27台发动机同时点火会产生巨大的震动与互相的干扰,对控制要求也很高,对结构要求也很高,在分离的时候要求也很高,因为它的助推器很长,和一级火箭是一样的。”

  毛新愿表示,在传统设计理念中,为避免多发动机耦合振动导致火箭可靠性下降,火箭一级发动机数目通常控制在10台以内。

  为了提高起飞推力,在一级火箭大量地堆积发动机的设计也曾出现过,为了完成登月计划,前苏联设计的N-1火箭,夸张地在底部串联了30台发动机,让整支火箭看起来就像是一个圆锥。但是该型号火箭四次发射均以失败告终。

  “N-1火箭发动机都是串联的方式组合,只要有一台出现问题,就可能导致发射失败。那么多的发动机,也很容易出现问题。猎鹰重型的创新在于将两台猎鹰九号捆绑,都是一样的发动机,安全性比N-1要高很多。在结构方面,猎鹰重型比N-1要复杂一些,需要捆绑。当然,各发动机之间的相互干扰风险更小一些。而且因为还要考虑回收,发动机都放在一级火箭上,回收难度会很大。”庞之浩说。

  我国重型运载

  火箭计划于

  2030年前后首飞

  既然前面有古人,那么后面必有来者。“猎鹰重型火箭只是一件过渡产品,定位也有些尴尬。其运载能力比大型火箭强许多,但并未达到真正重型火箭的标准,只能算是准重型火箭。”庞之浩说。

  在马斯克的构想中,下一步将人类送上火星的运输系统叫“星际运输系统”,由可重复使用的飞船和BFR火箭构成,这枚火箭近地轨道运载能力550吨,为“土星五号”的4.7倍,猎鹰重型火箭的8.6倍。

  NASA研发多年的太空发射系统(SLS)也计划2019年首飞。“根据目前透露的消息显示,该系统的初步构型是近地轨道运载能力70多吨,最终要达到130吨以上。而且是专门用来发射载人深空探测器的,比如火星登陆飞船之类。这个发射系统采用了航天飞机发动机的技术,还有改进的‘土星五号’发动机技术。”庞之浩说。

  别忘了还有中国。航天界有句行话:“运载火箭的能力有多大,航天的舞台就有多大。”根据中国航天科技集团公司火箭研究院公布的《2017-2045年航天运输系统发展路线图》,我国重型运载火箭计划于2030年前后首飞。此前《2016中国的航天》白皮书发布会上曾透露,备受瞩目的中国重型运载火箭拟命名为“长征九号”。

  也就是说,大约10年后,“长征九号”运载火箭将飞天,运载能力超过猎鹰重型火箭。“长征九号”起飞质量达3000吨,最大直径约10米,近地轨道运载能力大于百吨,其结构和尺寸质量均将突破我国现有运载火箭能力水平。

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