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从“猎鹰1”到“大猎鹰” SpaceX火箭真能飞到火星?

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2019-06-24 08:24 科技日报

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SpaceX公司的火箭示意图

近日,美国太空探索技术公司(SpaceX)的新闻有点多。4月,“重型猎鹰”火箭首次商业发射成功;同月,成功拿下价值6900万美元的“双小行星变向试验”(DART)任务订单;5月,“星链”计划“一箭六十星”发射任务一经披露就成为全球舆论焦点,闪亮的卫星连成线成为夜空中的独特风景。

从“猎鹰1”“猎鹰9”到“重型猎鹰”再到携带着星际飞船的“大猎鹰”,SpaceX的火箭是怎样一步步升级的?

十年火箭路 从小型到重型

2002年,马斯克正式投身商业航天,SpaceX破壳而出。一阵招兵买马后,新生的它要解决的第一个问题就是搞出自己的火箭。直至2008年,低轨运载能力仅有420千克的“猎鹰1”在经历3次失败后终于试射成功。

“猎鹰1”是名副其实的小火箭,直径不到1.7米,高20米,一级火箭装备一台“灰背隼”(Merlin)发动机,二级也只有一台“红隼”发动机。SpaceX借助“猎鹰1”的项目经验掌握了火箭的研发、制造技术,特别是验证了“灰背隼”发动机的可靠性,在进行了几次发射后就将其“束之高阁”。

2010年6月,长70米、直径3.7米、低轨运力超过10吨的“猎鹰9”首飞成功。仅仅两年,SpaceX就实现了从小型火箭到中型火箭的跨越。这主要有两方面原因:从设计上看,“猎鹰9”一级火箭采用9台与“猎鹰1”相同的发动机并联,二级也使用一台“灰背隼”发动机。因此,在“猎鹰1”的研制中,已经嵌入了对“猎鹰9” 动力系统的研究。从试验流程上看,SpaceX堪称“快马加鞭”,极尽简化之能事。2009年10月,“猎鹰9”才进行一级火箭点火试验,但仅仅一个月后,二级火箭点火试验随即开展;七个月后,直接开始首飞。

美国国家航空航天局(NASA)曾称,如果按照传统的“开发流程”,“猎鹰9”的研制需要耗资40亿美元,而SpaceX开发“猎鹰1”和“猎鹰9”一共仅花费3.9亿美元。

2011年,SpaceX宣称将用2年时间完成“重型猎鹰”的开发。“重型猎鹰”看起来并不复杂,就是把两个“猎鹰9”的一级火箭捆绑在一枚完整的“猎鹰9”上做助推器。但SpaceX将其实现用了近7年。一方面因为期间“猎鹰9”两次发射失败,耽误了研制进程;另一方面“捆绑”火箭涉及的结构设计并没有那么简单;此外,SpaceX还腾出了大量精力提升“猎鹰9”的性能指标,并攻克了一级火箭回收技术。

2018年2月,低轨运力达63.8吨的“重型猎鹰”终于将马斯克的红色“特斯拉”送上太空。从“猎鹰1”到“重型猎鹰”,10年时间,SpaceX的火箭运力提高15倍。

欲得一火箭 必先得其“心”

火箭作为一个系统工程,发动机是其最核心的技术。从“猎鹰1”到“重型猎鹰”,“心”却没有变,都是采用“灰背隼”系列火箭发动机作为主要的动力来源。不同的是,一级火箭的发动机数量由1个提高到了27个。

“如此多的发动机并联面临工作同步性、一致性等问题,火箭动力系统的复杂性也大幅上升。”著名航天专家蒋天(化名)表示,并联方式可以降低对单台发动机的推力需求,避免研制更大推力发动机面临的大流量涡轮泵、大流量推力室等技术难题,特别是流量增大导致的地面试验系统匹配困难等问题。

蒋天介绍,“灰背隼”火箭发动机将液氧和煤油作为推进剂,使用燃气发生器式泵压循环方式,结构简单、可靠性高。更特别的是,“灰背隼”采用了针栓式喷注器,以实现推力的连续可变,从而达到火箭垂直降落回收的目的。

“从火箭发动机原理上讲,实现连续推力调节的主要方式包括改变推进剂的供应量、改变发动机的喷管喉部面积、改变喷注面面积等。”蒋天进一步解释道,改变推进剂供应量和改变喷注器面积,是实现液体火箭发动机连续推力调节的主要方式,因为改变喷管喉部面积会带来热和烧蚀等问题。针栓式喷注器就是通过改变喷注面面积,控制燃料流量,实现发动机推力的大范围连续调节。

记者了解到,20世纪60年代,美国TRW公司最先将针栓式喷注器用于“阿波罗”计划着陆器的下降发动机上。SpaceX在成立之初挖走了TRW公司的火箭专家汤姆·穆勒,借此在火箭发动机技术上走了“捷径”。“灰背隼”包括多种型号,早期“灰背隼”-1A推力仅有340千牛,新型“灰背隼”-1D的推力则超过900千牛,且能从40%到100%连续变化。

“‘灰背隼’发动机主要在提升推力、提高推重比等方面加以改进。”蒋天称,其中由A型到B型改善了涡轮泵性能,提高了转速和扬程,由B型到C型则改变了推力室冷却方式,实现了再生冷却,D型则将推力进一步提高并实现了大幅度连续变推力工作。

未来“大猎鹰” 目标是火星

为了探测月球和火星,SpaceX正在建造“大猎鹰”超重型火箭,并计划2020年首飞,2023年绕月飞行,2024年带人踏足火星。“大猎鹰”高118米,直径9米,近地轨道运载能力高达150吨,超过了“阿波罗”计划中使用的“土星5号”和正在研制的“空间发射系统”(SLS),排名全球第一。此外,“大猎鹰”的两级火箭都可实现回收并重复使用,是名副其实的“完全可重复使用运载火箭”。

“大猎鹰”超大推力的实现方式与“重型猎鹰”类似,其一级火箭由31个新型“猛禽”(Raptor)发动机并联而成,总推力高达6180万牛。二级火箭名为“星际飞船”(Starship),由6个“猛禽”发动机提供动力,总推力达到1200万牛,它既能载人进行深空旅行,也能在太空中释放探测器、卫星等航天器。

既然说到“大猎鹰”,就不能不提“猛禽”火箭发动机。记者了解到,“猛禽”发动机以液氧甲烷为推进剂,单台最大推力接近2000千牛,能从20%到100%连续调节。相比其他现役火箭发动机,“猛禽”最大的不同是采用了“全流量分级燃烧”技术。

蒋天告诉科技日报记者,所谓“全流量分级燃烧”技术需要两个预燃室,一个将大部分燃料和小部分氧化剂进行燃烧,另一个将小部分燃料和大部分氧化剂进行燃烧,产生的燃气分别驱动燃料涡轮泵和氧化剂涡轮泵,再进入主燃烧室汇合燃烧。这种系统通过涡轮的燃气温度更低,涡轮的使用寿命更长,更有利于提高发动机的重复使用次数。

“此外,液氧甲烷推进剂因其低结焦性能和相对较低的成本,常被认为适合于可重复使用火箭发动机。”蒋天介绍,俄罗斯在上世纪90年代也曾开展过推力在100吨和200吨量级的大推力液氧甲烷发动机研制。

蒋天认为,整体上看,SpaceX的火箭发动机技术有一定的先进性和借鉴意义,特别是在可重复使用领域。另外,SpaceX在降低发动机质量、提高推重比等领域也做了很多有意义的工作。

责任编辑:陶国琪(QT0003)

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