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獵鷹9號火箭才是SpaceX最大功臣

2020-06-08 10:10:39  來源:網易科技

6月5日消息,據外媒報道,美國太空探索技術公司SpaceX最近連續創造了兩次歷史,即實現了私營公司首次載人試射,以及私人航天器與國際空間站首次自動對接,從此拉開了私營航空公司載人航天的序幕。然而,SpaceX之所以能夠取得這些成功,并使其在市場競爭中脫穎而出,最大功臣實際上應該是獵鷹9號運載火箭。

獵鷹火箭是SpaceX創始人兼首席執行官埃隆·馬斯克根據《星球大戰》系列中的“千年隼”(Millennium Falcon)命名,由于火箭第一級上有9個發動機而得名“9號”。2010年6月4日,獵鷹9號火箭成功完成首次發射。但在當時,人們還沒有意識到這款火箭將會給21世紀的航天領域帶來怎樣的波瀾。

2010年6月3日,隨著夏季雷雨從大西洋向內陸滾滾而來,狂風咆哮著席卷了佛羅里達的太空海岸。天空仿佛被打開了閘門,暴雨在1小時內給卡納維拉爾角部分地區帶來了7.5厘米降雨量。對于首枚獵鷹9號火箭來說,暴風雨似乎是個不好的預兆,SpaceX發射團隊剛剛在1天前將其安裝在發射臺上。在2010年春季完成了一系列靜態點火和加油測試后,SpaceX終于獲得了空軍的發射批準,最早于6月4日進行發射。

在過去四年里,SpaceX曾五次嘗試從熱帶島嶼上發射體型更小的獵鷹1號火箭,其中三次發射失敗?,F在,這家公司已經獲準進入位于佛羅里達州東海岸、美國最具傳奇色彩的卡納維拉爾角太空港。這里布滿了昂貴的發射臺和無數火箭設施,發射失敗造成的損害可能不僅僅是SpaceX聲譽掃地,還可能會摧毀國家安全資產。

四座高大的避雷塔在降雨期間保護火箭免受閃電襲擊,但風暴后的檢查顯示,獵鷹9號火箭第二級天線發出的遙測信號十分微弱。那天的傾盆大雨肯定進入了電子設備,這對第二天的發射嘗試來說是個潛在的威脅,必須被盡快修復。為此,SpaceX發射總監蒂姆·巴扎(Tim Buzza)、創始人埃隆·馬斯克(Elon Musk)以及航空電子高級總監布倫特·阿爾坦(Bulent Altan)共同驅車前往發射臺。

他們在天黑后很久才到達發射臺,獵鷹9號火箭已經從垂直發射位置降回水平放置。阿爾坦和其他人一樣了解航空電子系統,他爬上梯子來到火箭第二級天線所在的地方。他揭開蓋子評估損失,證實雨水的確進入了火箭的電子設備。

阿爾坦回到地面,與馬斯克、巴扎和其他幾名工程師快速地商討起來。他們應該試著換掉發射臺上的電子產品嗎?他們是否需要將獵鷹9號火箭推回機庫,并將發射推遲幾天?這些方案都不合適,工程師們決定嘗試一種低技術含量的解決方案,即采用烘干機。阿爾坦回到梯子上,他開始來回揮動烘干機,直到天線及其電子設備看起來干爽為止。

與此同時,在地面上,馬斯克和其他人焦躁地等待著。SpaceX當時剛剛成立八年,該公司在兩年前的瀕臨破產危機中幸存下來,后來被NASA出資拯救,這筆資金使這次發射成為可能。發射臺上的獵鷹9號火箭將進行首次試飛,如果一切順利,該公司可能很快就會開始為NASA向國際空間站運送貨物。但是,如果失敗,有很多懷疑者準備猛烈抨擊SpaceX,他們不相信馬斯克或他的公司能承擔起運送太空補給的重任。

在完成烘干工作后,阿爾坦關閉了火箭上的電子艙,并涂上了硅膠密封劑,以便火箭在升入太空時能夠存活下來。然后,在所有人的注目下,阿爾坦爬回地面。當他走下梯子時,馬斯克立即帶著疑問走了過來。他問道:“你覺得明天能夠發射嗎?”阿爾坦回復稱:“這應該能奏效。”

馬斯克沒有說話,只是用眼睛盯著阿爾坦,好像在問,這就是你的最終答案嗎?在這種情況下,馬斯克想知道阿爾坦是在給老板他想聽到的答案,還是在表達自己的真實想法。幾秒鐘后,馬斯克再次得到了肯定答案。事實證明,一切進展順利。盡管第二天發射時第二級天線的遙測信號仍然沒有預期的那么強,但馬斯克表示已經足夠。當地時間2010年6月4日下午2點45分,第一枚獵鷹9號火箭從佛羅里達海岸發射升空。

SpaceX此次試飛的第一個目標很簡單,即避免損壞其在卡納維拉爾角的發射臺或其他有價值的設施。其次,該公司希望火箭能夠進入軌道。獵鷹9號火箭不僅實現了上述目標,甚至做得更好。對于全新的運載火箭來說,第二級發射的精確度令人驚嘆,它以34.494度的傾角將自己插入軌道,僅僅略低于35度的目標。于是,從10年前開始,獵鷹9號火箭的時代正式到來。

啟動商業發射模式

剛剛過去的上個周末,SpaceX的載人龍飛船登上了所有頭條新聞,這是自9年前航天飛機退役以來,人類首次從佛羅里達進入太空。但SpaceX在過去10年崛起背后真正的功臣無疑是獵鷹9號火箭。

獵鷹火箭助推器已經創造了許多行業第一,從垂直著陸到可重復使用,再到用第一級上9臺發動機進入軌道。再聊聊獵鷹火箭的成本問題。在10年前首次亮相時,SpaceX提供的獵鷹9號火箭基本發射成本為5000萬美元。經過幾次增量上調,自2016年以來,該公司將獵鷹9號火箭基本發射價格定為6200萬美元,這給衛星發射行業的競爭對手們帶來了巨大的壓力。

全球大約三分之二的發射市場實際上不存在競爭問題,因為發射的大多數有效載荷都屬于國家。例如,俄羅斯和其他航天國家通常會用國產火箭發射軍事和科學衛星。只有大約三分之一的整體發射市場真正對競爭開放,包括發射衛星網絡或為沒有發射能力的國家提供通信衛星和成像衛星發射等。

幾十年前,美國發射公司放棄了這一商業市場,因為他們開始專注于贏得美國軍方更有利可圖的發射合同。到2006年,當波音和洛克希德·馬丁將他們的火箭業務合并為合資企業聯合發射聯盟公司(ULA)時,美國在競爭激烈的發射市場上所占份額幾乎為零。美國和國外的客戶轉向歐洲、俄羅斯和其他地方以成本更低的價格進入軌道。與此同時,由于壟斷了NASA和美國國防部的發射任務,ULA的發射價格也穩步上漲。

獵鷹9號火箭的成功戲劇性地扭轉了這一趨勢。為了降低向國際空間站運送物資的成本,美國宇航局(NASA)從2006年到2010年向SpaceX投資了3.96億美元,以開發其貨運龍飛船、獵鷹9號火箭以及在開普敦建立發射臺。這項投資促成了2010年6月4日的獵鷹火箭發射,這不僅為NASA帶來了更大好處,也為這個國家帶來了價值。

NASA局長吉姆·布里登斯廷(Jim Bridenstine)說:“得益于NASA對SpaceX的投資,我們現在擁有大約70%的商業發射市場份額。與2012年相比,這代表著很大的變化,當時我們的占有率為零。”

比烘干無線電天線更瘋狂的事!

今年早些時候,有記者問及馬斯克及關于2010年6月深夜前往發射臺的事情,以及獵鷹9號火箭航空電子設備在最后一刻的修復情況。記者問道:“對我來說,你們堅持第二天發射的決定似乎相當瘋狂,但那是一次完美發射。”對此,馬斯克回應說:“我做過比烘干無線電天線更瘋狂的事!”

事實上,在獵鷹9號火箭的第二次飛行中,他們確實干過更瘋狂的事情。2010年12月初,SpaceX將其第二枚獵鷹9號火箭送入發射臺。這次發射的目的是測試“龍”太空船在飛行和重返地球大氣層期間的情況。這項任務備受關注,因為SpaceX在太空艙內放了Brouère奶酪,以向喜劇團體巨蟒組(Monty Python)的《奶酪商店》(Cheese Shop)致敬。

但真正的戲劇性事件再次涉及獵鷹9號火箭的第二級。獵鷹9號火箭的第二級由單個梅林真空發動機提供動力,它在較大的第一級脫落后將有效載荷推入軌道。發動機上有個加長的噴嘴,可以在地球大氣層上方獲得最佳推力。這個噴嘴是由C-103鈮合金制成的,屬于相當堅固的材料。

獵鷹9號火箭第二次飛行的準備工作進展始終都很順利,直到12月8日發射前幾天的最后一次發射前拍照檢查。在這些照片中,SpaceX的發射團隊意識到他們有個嚴重問題,即噴嘴上出現了裂縫,而且裂縫沿著噴嘴向上延伸了近三分之一。原來,大約在發射前一個月,SpaceX收到了NASA的要求,希望在火箭的級間添加更多氣態氮。因此,技術人員在底部鋪設了2.5厘米長的管路,并將氮氣炸入。這股氣流導致梅林發動機噴嘴振動,并最終破裂。

火箭在噴嘴破裂的情況下無法發射,而更換它的過程非常繁瑣,需要SpaceX加州工廠盡可能快地生產出噴嘴,將其運往佛羅里達州,并安裝在火箭上。這可能需要長達一個月的時間。馬斯克討厭延遲任務日期。隨著貨運龍飛船的發射,他完全知道SpaceX將創造新的歷史。之前沒有任何私營公司將航天器送入軌道,然后安全地將其收回。因此,他拿出手機,給公司的王牌技術人員馬蒂·安德森(Marty Anderson)打了電話。

馬斯克想讓安德森帶著金屬剪刀進入火箭內部,將加長噴嘴剪短,這是解決發動機噴嘴破裂的最快辦法。安德森接受了任務。幾個小時后,他乘坐馬斯克的私人噴氣式飛機從該公司位于加州的工廠飛往佛羅里達州,進入電梯,并乘坐起重機到達火箭級間位置。當時,火箭直立在發射臺上,很快安德森就把噴嘴剪短了。

較短的發動機噴嘴將使SpaceX火箭的第二級性能略有下降,推進率也會降低。但更大的擔憂是,此舉破壞了一層抗氧化涂層,這可能會導致點火后的某些侵蝕。馬斯克解釋說:“我們認為,只要侵蝕速度不是太快,那就沒有關系。”但馬斯克并沒有最終決定權。事后,SpaceX不得不說服它的客戶NASA相信這個解決方案的可靠性。這次飛行的成功將使SpaceX向空間站運送貨物又近了一大步。另一方面,在龍飛船完成關鍵軌道測試之前失去它,對NASA和該公司來說都是嚴重的挫折。

長期擔任SpaceX發射總監的布扎表示,要說服NASA并非易事。他和公司的其他副總裁,包括漢斯·科尼斯曼(Hans Koenigsmann)和湯姆·穆勒(Tom Mueller),向NASA商業貨運項目的負責人,包括邁克·霍卡丘克(Mike Horkachuk)和艾倫·林登莫耶(Alan Lindenmoyer)介紹了他們的發現。布扎說:“他們無法理解我們提出的建議,也不理解我們對噴嘴做了什么。”

但是SpaceX的副總裁和NASA的工程師們共同解決這個問題,此事持續了大約24小時。在分析結束時,他們將工作提交給了NASA載人航天負責人比爾·格斯滕邁爾(Bill Gersten Maier),他擁有最終拍板權。布扎說:“在發射的前一天凌晨2點,馬斯克打電話給我,說他和格斯滕邁爾談過了,我們的發射獲得批準。”

第二天中午前不久,獵鷹9號火箭發射升空。發射再次取得了成功,被簡短噴嘴的第二級運行良好。三個小時后,龍飛船及其攜帶的奶酪食品安全返回地球。那天晚上,SpaceX團隊狂歡不已。他們終于擁有了可以運行的火箭和飛船。

“SpaceX的火箭比同行領先10年以上”

獵鷹9號火箭并非沒有瑕疵。在2015年6月的第七次商業再補給任務(CRS-7)中,其助推器在進入軌道的途中失敗,摧毀了向國際空間站運送補給的龍飛船。一年多后,SpaceX在卡納維拉爾角的一次靜態點火測試中又損失了一枚火箭。此后,SpaceX已經連續50多次成功發射獵鷹9號火箭。自那以來,SpaceX的工程師們始終在了解他們的助推器,一直在尋求改進。

最明顯的是,SpaceX展示了對第一級助推器的可重復使用能力。事實上,在CRS-7失敗后的任務中,SpaceX首次回收了獵鷹9號火箭第一級助推器。次年4月,該公司完成了首次飛船無人試飛著陸。然后在2017年3月,SpaceX首次成功利用二手獵鷹9號火箭助推器發射有效載荷。在那之后的三年里,SpaceX已經回收了50多次火箭,有的助推器甚至發射了5次以上。

分析公司Bryce Space and Technology的創始人卡麗莎·克里斯滕森(Carissa Christensen)表示,航天界幾十年來一直在討論垂直發射和著陸的火箭再利用問題。她說:“這總是會帶來不同的結果,這是令人向往的,但它從未發生過。然后,SpaceX實現了這一目標。”

與此同時,SpaceX是主動這么做的。通常在太空飛行中,政府機構會為某種類型的項目提供合同,并挑選一名承包商來執行這項工作。雖然SpaceX獲得了NASA的大量資金,用于向空間站運送貨物和機組人員,但沒有資金用于研發可重復使用功能。相反,克里斯滕森說,SpaceX選擇自己投入資金以清除技術障礙。作為回報,SpaceX現在擁有世界上唯一可重復使用的軌道火箭,它剛剛進一步增強了主導商業衛星市場的能力。

載人龍飛船別飄!獵鷹9號火箭才是SpaceX最大功臣

圖4:SpaceX獵鷹火箭家族

克里斯滕森表示,在過去的十年里,SpaceX使用獵鷹9號火箭不僅占領了商業衛星發射市場,還獲得了大部分NASA貨運和載人項目、諸多科學任務以及越來越多的軍事合同。獵鷹9號火箭第一級也是世界上最強大運載火箭獵鷹重型火箭的基礎。她說:“SpaceX確實證明了這種飛行器具有很強的適應性,有相當不錯的成功記錄。”

在世界各地,公司和國家都在努力競爭。在美國,ULA公司正在退役其阿特拉斯(Atlas)和德爾塔(Delta)火箭,轉而使用更具競爭力的火神(Vulcan)火箭。日本H3火箭的靈感來自于降價的需要,俄羅斯正在逐步淘汰其傳聞中的質子(Proton)火箭??死锼闺f,Arianespace公司正在淘汰老式的阿麗亞娜5號火箭,轉而使用成本更低的阿麗亞娜6號火箭。不過,這些火箭是否能趕上獵鷹9號還有待觀察,因為SpaceX也總是在進步。

克里斯滕森驚嘆道:“很明顯,航天工業正走在邁向下一代運載火箭的道路上,但SpaceX的火箭比同行領先10年以上。SpaceX早在10年前就發射了它的下一代運載火箭。與十年前相比,發射行業已經變得幾乎面目全非。當時,SpaceX還是新貴。而現在,獵鷹9號火箭被認為是老式的、可靠的運載火箭。”

星際飛船才代表未來

在2005年之前,SpaceX專注于提高發射頻率,更多的發射意味著更多的收入。在經歷了成長的陣痛之后,該公司成功了,將發射頻率從2016年的平均每年不到四次提高到最近每年約20次。

在SpaceX尋求大幅提高火箭性能的同時,發射節奏也在不斷加快。該公司在十年前發射最初的獵鷹9號火箭五次之后,推出了三次重大升級。1.1版本出現在2013年,燃料箱更大,推力提高了60%。2015年,SpaceX推出了獵鷹9號全推力版本,它的特點是升級了梅林發動機,并采用更大的第二級。

擔任藍色起源公司總裁長達15年之久的羅布·邁爾森(Rob Meyerson)對1.1版和全推力版之間取得的進展感到驚訝。他說:“在18個月內,這些火箭在地球靜止轉移軌道上的性能幾乎翻了一番。這絕對是了不起的。對于最大限度地以減少變化為榮的行業來說,SpaceX內部必須進行無數變革才能實現這一切。”

這些性能提升最終實現了獵鷹9號火箭的可重復使用目標。2018年5月,該公司推出了對獵鷹9號火箭的最后一次重大改進,名為“Block 5”。這優化了助推器的重復使用,因為只有Block 5版本曾經飛行過兩次以上??偟膩碚f,獵鷹9號火箭的提升能力從2010年的10噸增加到了2018年的22.8噸。有了這種額外的性能,SpaceX可以為受控著陸留出燃料,最終將可以完全重復使用。

現在,斯克的大部分精力都放在開發他的下一代發射系統“星際飛船”上。獵鷹9號火箭已經成為歷史,因為對于SpaceX來說,星際飛船才代表著未來。但若沒有獵鷹9號火箭就不會有星際飛船。有了這些火箭,馬斯克向NASA和世界其他地方證明了SpaceX可以建造世界級的火箭。這個助推器提供了有關推動性能改進和重用性挑戰的諸多經驗?,F在,隨著全世界都在關注獵鷹9號火箭,馬斯克有能力展望他設想的低成本星際旅行未來。 (小小)

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