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现实版“钢铁侠”与SpaceX:神话将触手可及
2022-11-23

出品:科普中国

制作:超导与航天新战队 徐明研究团队

监制:中国科学院计算机网络信息中心

还沉溺于《复仇者联盟》热浪中的你,是否被“钢铁侠”遨游太空的高科技装备和他的Stark军火公司所深深震撼? 许多曾经于我们而言只是科幻电影的场景,如今却不再遥远。现实版的“钢铁侠”埃隆-马斯克(Elon Musk)就用他的追梦之旅将神话变得触手可及。

传奇人物埃隆-马斯克

马斯克的人生可用“传奇”二字来形容。与乔布斯相似,马斯克的创造性思维也像苹果系列一样改变了人类的生活。

从研发环保电动跑车,到成立自己名下的太阳能公司;从参与创立和投资Paypal(目前全球最大的在线支付提供商),到研制可重复利用火箭和未来交通工具,马斯克创造了太多的不可能。其中,最浓墨重彩的要数最近几年马斯克投入全部精力的SpaceX公司。

太空探索科技公司SpaceX

SpaceX公司成立于2002年6月。2008年12月,SpaceX获得NASA价值16亿美元的商业补给服务合同,开始了它的高速发展之路。

SpaceX成立十多年以来,在航天领域异军突起,成为一颗闪耀的新星,这是因为它创造出了一种新的航天发展模式——低成本商业发射模式。公司的唯一目标就是降低成本、提高可靠性,迅速研制出“能飞的火箭”。

马斯克曾表示,制造能重复使用的火箭,才是人类航天的未来。一枚火箭的成本,燃料仅占很小一部分,火箭的导航控制系统、燃料储箱和火箭发动机等部分才是绝对的大头。

如果一枚火箭可以重复使用,就可以大大降低发射成本。火箭的成功回收将节省资金高达75%以上,最终成本只有我国目前火箭发射成本的十分之一甚至更低。此外,它还将提高登陆的安全性能,使得火箭这种软着陆技术手段在未来登陆火星上发挥至关重要的作用。

SpaceX运载火箭的垂直回收

默林火箭发动机和“猎鹰1号”运载火箭

默林火箭发动机是SpaceX研制的第一个火箭发动机,采用燃气发生器循环,使用航空煤油和液氧作为推进剂。这款发动机质量轻,推重比大,并且价格低廉,它被用于“猎鹰1号”和“猎鹰9号”运载火箭来实现海上回收和重复使用。

“猎鹰1号”火箭由两节推进系统组成,第一节使用默林发动机,第二节使用Keserel发动机。“猎鹰1号”可不经特殊处理就发射,第一节推进系统利用降落伞系统减速降落至海面,找回并重复使用。

在SpaceX的测试中,默林发动机回收过程完美,相应的发射金额也如预期的降低,每次只要670万美元。然而在“猎鹰1号”的第一次发射中,默林引擎在发射中着火,回收结果失败。

猎鹰1号火箭和它尾部的默林发动机

猎鹰9号火箭和它的回收技术

为了实现移民火星的理想,火箭的回收继续成为SpaceX发展的重中之重。

2010年6月4日,SpaceX的“猎鹰9号”首次成功发射。它同样有两节推进系统,第一节有九台默林火箭发动机,第二节则只有一台。根据SpaceX的远期计划,两节皆可被完全回收重复使用。

“猎鹰9号”火箭所采用的回收方案是采用动力反推实现垂直下降。在返回过程中,第一级火箭通过箭上的液氮推力器来调整姿态,以应对气动扭矩和旋转的影响,防止箭体在下落过程中出现滚转。同时,箭体的四周安装了四个栅格翼,以增加火箭在回收着陆过程中的稳定性,控制火箭向地面的平台降落。

“猎鹰9号”火箭发射时发动机部分特写

除了在下降过程中对火箭的姿态进行调整外,利用发动机点火来控制下降速度也是另一项极其重要的回收保障。

在第一级与第二级火箭分离后,第一级通过两次重启火箭主发动机来实现制动减速。到火箭快要落入大西洋,重启另一台发动机,使火箭从最初的1300m/s的速度减到2m/s,配合带有液压减震器的四个着陆支架,使其最终可以实现落地精度小于10m。

最近一次的“猎鹰9号”回收在最后部分出现了意外。主要是由于发动机在减速控制上并不十分准确,加上海上风速较大,导致降落速度未能控制良好,使得箭体落在回收平台上的速度仍然很大,最终箭体倾倒,未能实现完美的回收。但是距离最终马斯克想要追求的效果已经近在咫尺,SpaceX也在为下一次的火箭发射并回收积极准备,蓄势待发。

“猎鹰9号”一级火箭上的栅格翼

天龙号太空船(Dragon V2)

2015年5月30号,SpaceX公司发布第二代龙飞船(Dragon V2)。这是全球首个由私营公司推出的载人飞船,一次最多可运送7名宇航员前往国际空间站。根据NASA和SpaceX的规划,天龙二号有望在2017年正式飞往太空。

据马斯克介绍,天龙二号可以返回地球并能“像直升飞机一样精确地降落在任何地面,并且它可以快速地重复使用。你只需要重新注入推进剂,然后就可以再一次体验太空旅行”。

运载火箭垂直回收的预期效果图

天龙二号载人飞船使用通过3D打印技术制造SuperDraco反推火箭发动机,每具发动机可产生16000磅的推力,这使得天龙二号能像直升飞机一样,依靠推进器精准地降落在任何地面。

天龙二号有着陆支架,配合反推发动机制动后可以垂直降落,这种着陆技术与联盟飞船、神舟飞船完全不同,可以实现重复使用。这一点在未来的火星任务中体现,这也使得着陆火星正在成为可能。

“猎鹰9号”火箭着陆失败

此外,天龙二号的成本也十分有优势。据估算,Dragon V2每次飞行的成本在2000万美元左右,相比较美国宇航局购买一个联盟号座位要便宜很多。

虽然SpaceX运载火箭的回收经历了多次失败,但是每一次试验都距离成功更近了一步,差距不断减小是科学技术发展的必然,马斯克移民火星的梦想不再遥不可及。

天龙号太空船(Dragon V2)驾驶员舱

天龙号太空船(Dragon V2)

这位新时代的“钢铁侠”对未来充满信心,相信在不远的将来,火星之上将出现人类的身影,太空之旅将成为更多人的全新选择。

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