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载人龙飞船别飘!猎鹰 9 号火箭才是 SpaceX 最大功臣

2020/6/7 8:30:15来源:网易科技作者:小小责编:远洋评论:

6月5日消息,据外媒报道,美国太空探索技术公司SpaceX最近连续创造了两次历史,即实现了私营公司首次载人试射,以及私人航天器与国际空间站首次自动对接,从此拉开了私营航空公司载人航天的序幕。然而,SpaceX之所以能够取得这些成功,并使其在市场竞争中脱颖而出,最大功臣实际上应该是猎鹰9号运载火箭。

图1:2010年6月4日,在美国卡纳维拉尔角空军基地,SpaceX猎鹰9号测试火箭从40号发射台升空

猎鹰火箭是SpaceX创始人兼首席执行官埃隆·马斯克根据《星球大战》系列中的“千年隼”(Millennium Falcon)命名,由于火箭第一级上有9个发动机而得名“9号”。2010年6月4日,猎鹰9号火箭成功完成首次发射。但在当时,人们还没有意识到这款火箭将会给21世纪的航天领域带来怎样的波澜。

2010年6月3日,随着夏季雷雨从大西洋向内陆滚滚而来,狂风咆哮着席卷了佛罗里达的太空海岸。天空仿佛被打开了闸门,暴雨在1小时内给卡纳维拉尔角部分地区带来了7.5厘米降雨量。对于首枚猎鹰9号火箭来说,暴风雨似乎是个不好的预兆,SpaceX发射团队刚刚在1天前将其安装在发射台上。在2010年春季完成了一系列静态点火和加油测试后,SpaceX终于获得了空军的发射批准,最早于6月4日进行发射。

在过去四年里,SpaceX曾五次尝试从热带岛屿上发射体型更小的猎鹰1号火箭,其中三次发射失败。现在,这家公司已经获准进入位于佛罗里达州东海岸、美国最具传奇色彩的卡纳维拉尔角太空港。这里布满了昂贵的发射台和无数火箭设施,发射失败造成的损害可能不仅仅是SpaceX声誉扫地,还可能会摧毁国家安全资产。

四座高大的避雷塔在降雨期间保护火箭免受闪电袭击,但风暴后的检查显示,猎鹰9号火箭第二级天线发出的遥测信号十分微弱。那天的倾盆大雨肯定进入了电子设备,这对第二天的发射尝试来说是个潜在的威胁,必须被尽快修复。为此,SpaceX发射总监蒂姆·巴扎(Tim Buzza)、创始人埃隆·马斯克(Elon Musk)以及航空电子高级总监布伦特·阿尔坦(Bulent Altan)共同驱车前往发射台。

他们在天黑后很久才到达发射台,猎鹰9号火箭已经从垂直发射位置降回水平放置。阿尔坦和其他人一样了解航空电子系统,他爬上梯子来到火箭第二级天线所在的地方。他揭开盖子评估损失,证实雨水的确进入了火箭的电子设备。

阿尔坦回到地面,与马斯克、巴扎和其他几名工程师快速地商讨起来。他们应该试着换掉发射台上的电子产品吗?他们是否需要将猎鹰9号火箭推回机库,并将发射推迟几天?这些方案都不合适,工程师们决定尝试一种低技术含量的解决方案,即采用烘干机。阿尔坦回到梯子上,他开始来回挥动烘干机,直到天线及其电子设备看起来干爽为止。

与此同时,在地面上,马斯克和其他人焦躁地等待着。SpaceX当时刚刚成立八年,该公司在两年前的濒临破产危机中幸存下来,后来被NASA出资拯救,这笔资金使这次发射成为可能。发射台上的猎鹰9号火箭将进行首次试飞,如果一切顺利,该公司可能很快就会开始为NASA向国际空间站运送货物。但是,如果失败,有很多怀疑者准备猛烈抨击SpaceX,他们不相信马斯克或他的公司能承担起运送太空补给的重任。

在完成烘干工作后,阿尔坦关闭了火箭上的电子舱,并涂上了硅胶密封剂,以便火箭在升入太空时能够存活下来。然后,在所有人的注目下,阿尔坦爬回地面。当他走下梯子时,马斯克立即带着疑问走了过来。他问道:“你觉得明天能够发射吗?”阿尔坦回复称:“这应该能奏效。”

马斯克没有说话,只是用眼睛盯着阿尔坦,好像在问,这就是你的最终答案吗?在这种情况下,马斯克想知道阿尔坦是在给老板他想听到的答案,还是在表达自己的真实想法。几秒钟后,马斯克再次得到了肯定答案。事实证明,一切进展顺利。尽管第二天发射时第二级天线的遥测信号仍然没有预期的那么强,但马斯克表示已经足够。当地时间2010年6月4日下午2点45分,第一枚猎鹰9号火箭从佛罗里达海岸发射升空。

图2:2010年6月4日,SpaceX首枚猎鹰9号火箭升空时的照片

SpaceX此次试飞的第一个目标很简单,即避免损坏其在卡纳维拉尔角的发射台或其他有价值的设施。其次,该公司希望火箭能够进入轨道。猎鹰9号火箭不仅实现了上述目标,甚至做得更好。对于全新的运载火箭来说,第二级发射的精确度令人惊叹,它以34.494度的倾角将自己插入轨道,仅仅略低于35度的目标。于是,从10年前开始,猎鹰9号火箭的时代正式到来。

启动商业发射模式

刚刚过去的上个周末,SpaceX的载人龙飞船登上了所有头条新闻,这是自9年前航天飞机退役以来,人类首次从佛罗里达进入太空。但SpaceX在过去10年崛起背后真正的功臣无疑是猎鹰9号火箭。

猎鹰火箭助推器已经创造了许多行业第一,从垂直着陆到可重复使用,再到用第一级上9台发动机进入轨道。再聊聊猎鹰火箭的成本问题。在10年前首次亮相时,SpaceX提供的猎鹰9号火箭基本发射成本为5000万美元。经过几次增量上调,自2016年以来,该公司将猎鹰9号火箭基本发射价格定为6200万美元,这给卫星发射行业的竞争对手们带来了巨大的压力。

全球大约三分之二的发射市场实际上不存在竞争问题,因为发射的大多数有效载荷都属于国家。例如,俄罗斯和其他航天国家通常会用国产火箭发射军事和科学卫星。只有大约三分之一的整体发射市场真正对竞争开放,包括发射卫星网络或为没有发射能力的国家提供通信卫星和成像卫星发射等。

几十年前,美国发射公司放弃了这一商业市场,因为他们开始专注于赢得美国军方更有利可图的发射合同。到2006年,当波音和洛克希德·马丁将他们的火箭业务合并为合资企业联合发射联盟公司(ULA)时,美国在竞争激烈的发射市场上所占份额几乎为零。美国和国外的客户转向欧洲、俄罗斯和其他地方以成本更低的价格进入轨道。与此同时,由于垄断了NASA和美国国防部的发射任务,ULA的发射价格也稳步上涨。

猎鹰9号火箭的成功戏剧性地扭转了这一趋势。为了降低向国际空间站运送物资的成本,美国宇航局(NASA)从2006年到2010年向SpaceX投资了3.96亿美元,以开发其货运龙飞船、猎鹰9号火箭以及在开普敦建立发射台。这项投资促成了2010年6月4日的猎鹰火箭发射,这不仅为NASA带来了更大好处,也为这个国家带来了价值。

NASA局长吉姆·布里登斯廷(Jim Bridenstine)说:“得益于NASA对SpaceX的投资,我们现在拥有大约70%的商业发射市场份额。与2012年相比,这代表着很大的变化,当时我们的占有率为零。”

比烘干无线电天线更疯狂的事!

今年早些时候,有记者问及马斯克及关于2010年6月深夜前往发射台的事情,以及猎鹰9号火箭航空电子设备在最后一刻的修复情况。记者问道:“对我来说,你们坚持第二天发射的决定似乎相当疯狂,但那是一次完美发射。”对此,马斯克回应说:“我做过比烘干无线电天线更疯狂的事!”

事实上,在猎鹰9号火箭的第二次飞行中,他们确实干过更疯狂的事情。2010年12月初,SpaceX将其第二枚猎鹰9号火箭送入发射台。这次发射的目的是测试“龙”太空船在飞行和重返地球大气层期间的情况。这项任务备受关注,因为SpaceX在太空舱内放了Brouère奶酪,以向喜剧团体巨蟒组(Monty Python)的《奶酪商店》(Cheese Shop)致敬。

但真正的戏剧性事件再次涉及猎鹰9号火箭的第二级。猎鹰9号火箭的第二级由单个梅林真空发动机提供动力,它在较大的第一级脱落后将有效载荷推入轨道。发动机上有个加长的喷嘴,可以在地球大气层上方获得最佳推力。这个喷嘴是由C-103铌合金制成的,属于相当坚固的材料。

猎鹰9号火箭第二次飞行的准备工作进展始终都很顺利,直到12月8日发射前几天的最后一次发射前拍照检查。在这些照片中,SpaceX的发射团队意识到他们有个严重问题,即喷嘴上出现了裂缝,而且裂缝沿着喷嘴向上延伸了近三分之一。原来,大约在发射前一个月,SpaceX收到了NASA的要求,希望在火箭的级间添加更多气态氮。因此,技术人员在底部铺设了2.5厘米长的管路,并将氮气炸入。这股气流导致梅林发动机喷嘴振动,并最终破裂。

火箭在喷嘴破裂的情况下无法发射,而更换它的过程非常繁琐,需要SpaceX加州工厂尽可能快地生产出喷嘴,将其运往佛罗里达州,并安装在火箭上。这可能需要长达一个月的时间。马斯克讨厌延迟任务日期。随着货运龙飞船的发射,他完全知道SpaceX将创造新的历史。之前没有任何私营公司将航天器送入轨道,然后安全地将其收回。因此,他拿出手机,给公司的王牌技术人员马蒂·安德森(Marty Anderson)打了电话。

马斯克想让安德森带着金属剪刀进入火箭内部,将加长喷嘴剪短,这是解决发动机喷嘴破裂的最快办法。安德森接受了任务。几个小时后,他乘坐马斯克的私人喷气式飞机从该公司位于加州的工厂飞往佛罗里达州,进入电梯,并乘坐起重机到达火箭级间位置。当时,火箭直立在发射台上,很快安德森就把喷嘴剪短了。

较短的发动机喷嘴将使SpaceX火箭的第二级性能略有下降,推进率也会降低。但更大的担忧是,此举破坏了一层抗氧化涂层,这可能会导致点火后的某些侵蚀。马斯克解释说:“我们认为,只要侵蚀速度不是太快,那就没有关系。”但马斯克并没有最终决定权。事后,SpaceX不得不说服它的客户NASA相信这个解决方案的可靠性。这次飞行的成功将使SpaceX向空间站运送货物又近了一大步。另一方面,在龙飞船完成关键轨道测试之前失去它,对NASA和该公司来说都是严重的挫折。

图3:SpaceX发射总监蒂姆·巴扎在发射后的派对上向技术员马蒂·安德森致敬

长期担任SpaceX发射总监的布扎表示,要说服NASA并非易事。他和公司的其他副总裁,包括汉斯·科尼斯曼(Hans Koenigsmann)和汤姆·穆勒(Tom Mueller),向NASA商业货运项目的负责人,包括迈克·霍卡丘克(Mike Horkachuk)和艾伦·林登莫耶(Alan Lindenmoyer)介绍了他们的发现。布扎说:“他们无法理解我们提出的建议,也不理解我们对喷嘴做了什么。”

但是SpaceX的副总裁和NASA的工程师们共同解决这个问题,此事持续了大约24小时。在分析结束时,他们将工作提交给了NASA载人航天负责人比尔·格斯滕迈尔(Bill Gersten Maier),他拥有最终拍板权。布扎说:“在发射的前一天凌晨2点,马斯克打电话给我,说他和格斯滕迈尔谈过了,我们的发射获得批准。”

第二天中午前不久,猎鹰9号火箭发射升空。发射再次取得了成功,被剪短喷嘴的第二级运行良好。三个小时后,龙飞船及其携带的奶酪食品安全返回地球。那天晚上,SpaceX团队狂欢不已。他们终于拥有了可以运行的火箭和飞船。

“SpaceX的火箭比同行领先10年以上”

猎鹰9号火箭并非没有瑕疵。在2015年6月的第七次商业再补给任务(CRS-7)中,其助推器在进入轨道的途中失败,摧毁了向国际空间站运送补给的龙飞船。一年多后,SpaceX在卡纳维拉尔角的一次静态点火测试中又损失了一枚火箭。此后,SpaceX已经连续50多次成功发射猎鹰9号火箭。自那以来,SpaceX的工程师们始终在了解他们的助推器,一直在寻求改进。

最明显的是,SpaceX展示了对第一级助推器的可重复使用能力。事实上,在CRS-7失败后的任务中,SpaceX首次回收了猎鹰9号火箭第一级助推器。次年4月,该公司完成了首次飞船无人试飞着陆。然后在2017年3月,SpaceX首次成功利用二手猎鹰9号火箭助推器发射有效载荷。在那之后的三年里,SpaceX已经回收了50多次火箭,有的助推器甚至发射了5次以上。

分析公司Bryce Space and Technology的创始人卡丽莎·克里斯滕森(Carissa Christensen)表示,航天界几十年来一直在讨论垂直发射和着陆的火箭再利用问题。她说:“这总是会带来不同的结果,这是令人向往的,但它从未发生过。然后,SpaceX实现了这一目标。”

与此同时,SpaceX是主动这么做的。通常在太空飞行中,政府机构会为某种类型的项目提供合同,并挑选一名承包商来执行这项工作。虽然SpaceX获得了NASA的大量资金,用于向空间站运送货物和机组人员,但没有资金用于研发可重复使用功能。相反,克里斯滕森说,SpaceX选择自己投入资金以清除技术障碍。作为回报,SpaceX现在拥有世界上唯一可重复使用的轨道火箭,它刚刚进一步增强了主导商业卫星市场的能力。

图4:SpaceX猎鹰火箭家族

克里斯滕森表示,在过去的十年里,SpaceX使用猎鹰9号火箭不仅占领了商业卫星发射市场,还获得了大部分NASA货运和载人项目、诸多科学任务以及越来越多的军事合同。猎鹰9号火箭第一级也是世界上最强大运载火箭猎鹰重型火箭的基础。她说:“SpaceX确实证明了这种飞行器具有很强的适应性,有相当不错的成功记录。”

在世界各地,公司和国家都在努力竞争。在美国,ULA公司正在退役其阿特拉斯(Atlas)和德尔塔(Delta)火箭,转而使用更具竞争力的火神(Vulcan)火箭。日本H3火箭的灵感来自于降价的需要,俄罗斯正在逐步淘汰其传闻中的质子(Proton)火箭。克里斯滕森说,Arianespace公司正在淘汰老式的阿丽亚娜5号火箭,转而使用成本更低的阿丽亚娜6号火箭。不过,这些火箭是否能赶上猎鹰9号还有待观察,因为SpaceX也总是在进步。

克里斯滕森惊叹道:“很明显,航天工业正走在迈向下一代运载火箭的道路上,但SpaceX的火箭比同行领先10年以上。SpaceX早在10年前就发射了它的下一代运载火箭。与十年前相比,发射行业已经变得几乎面目全非。当时,SpaceX还是新贵。而现在,猎鹰9号火箭被认为是老式的、可靠的运载火箭。”

星际飞船才代表未来

在2005年之前,SpaceX专注于提高发射频率,更多的发射意味着更多的收入。在经历了成长的阵痛之后,该公司成功了,将发射频率从2016年的平均每年不到四次提高到最近每年约20次。

在SpaceX寻求大幅提高火箭性能的同时,发射节奏也在不断加快。该公司在十年前发射最初的猎鹰9号火箭五次之后,推出了三次重大升级。1.1版本出现在2013年,燃料箱更大,推力提高了60%。2015年,SpaceX推出了猎鹰9号全推力版本,它的特点是升级了梅林发动机,并采用更大的第二级。

担任蓝色起源公司总裁长达15年之久的罗布·迈尔森(Rob Meyerson)对1.1版和全推力版之间取得的进展感到惊讶。他说:“在18个月内,这些火箭在地球静止转移轨道上的性能几乎翻了一番。这绝对是了不起的。对于最大限度地以减少变化为荣的行业来说,SpaceX内部必须进行无数变革才能实现这一切。”

这些性能提升最终实现了猎鹰9号火箭的可重复使用目标。2018年5月,该公司推出了对猎鹰9号火箭的最后一次重大改进,名为“Block 5”。这优化了助推器的重复使用,因为只有Block 5版本曾经飞行过两次以上。总的来说,猎鹰9号火箭的提升能力从2010年的10吨增加到了2018年的22.8吨。有了这种额外的性能,SpaceX可以为受控着陆留出燃料,最终将可以完全重复使用。

现在,马斯克的大部分精力都放在开发他的下一代发射系统“星际飞船”上。猎鹰9号火箭已经成为历史,因为对于SpaceX来说,星际飞船才代表着未来。但若没有猎鹰9号火箭就不会有星际飞船。有了这些火箭,马斯克向NASA和世界其他地方证明了SpaceX可以建造世界级的火箭。这个助推器提供了有关推动性能改进和重用性挑战的诸多经验。现在,随着全世界都在关注猎鹰9号火箭,马斯克有能力展望他设想的低成本星际旅行未来。

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关键词:SpaceX

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