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松鼠的空天随笔

 
 
 

日志

 
 

SpaceX的梦想  

2010-08-07 10:48:51|  分类: Space |  标签: |举报 |字号 订阅

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作为新兴公司,在没有足够的历史纪录的情况下,SpaceX编织了非常宏伟的计划,试图向世人证实自己的技术能力,当然也有吸引投资和影响商业航天决策的考虑. 虽然作为旁观者,我认为这些重型运载火箭没有实际需求,会慢慢沉寂下去,不过看看美国人的技术能力,还是非常震撼的.
SpaceX已有的Falcon1和Falcon9火箭建立在50吨级推力的Merlin 1发动机的基础上,Falcon1使用一台Merlin 1,Falcon 9并联9台Merlin 1,SpaceX还计划开发Falcon 9 Heavy火箭,使用公用芯级和助推器的设计,第一级具备3*9共计27台Merlin 1发动机,已经逼近了当年苏联N-1的30台发动机并联的记录。Falcon 9 Heavy的运载能力比肩现有各航天大国的主流运载火箭,如美国EELV,欧空局Ariane 5,俄罗斯Proton,日本H-IIA/B。按SpaceX公布的理论数据的话,Falcon 9 Heavy实际上是这一档次运载火箭中运载能力最强的。
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Raptor发动机的具体设计参数
 
不过和7月28日商业航天会议上SpaceX公布的新计划比起来,以往的一切都要大为失色了。新计划中,SpaceX将开发150klbf推力的Raptor上面级发动机,恩,此Raptor非彼Raptor,和美国空军的猛禽没关系,但是就性能指标来说,是非常强悍的一型氢氧推进剂发动机。真空推力150klbf/68吨,和我国正在开发的YF-77发动机几乎相同,但是Raptor使用分级燃烧循环方式工作,配合高达250的大面积比喷管,具有470秒的超高比冲。某种意义上说,Raptor简直就是SSME/RS-25的缩小版。Raptor将在Falcon 9 Heavy和构想中更大运力的运载火箭上使用。
现有的Merlin 1发动机构建大型运载火箭, Falcon 9 Heavy即使不是极限,也很勉强了,太多的发动机带来可靠性问题,在火箭设计上也麻烦得多,费效比和运载系数都不高。因此好几年前就传出SpaceX开发数百吨推力发动机的消息,累计有Saturn V火箭的F-1发动机缩小版,RS-84发动机衍生版等传闻,到了水落石出的这一天,SpaceX宣布新的发动机将是Merlin 1的放大版,再看看极高的设计指标,相信爱好者中眼睛一定摔了一地。言归正传,新型发动机编号Merlin 2,具有70%节流的能力,100%地面推力为1.7mlbf/770吨,真空推力为1.92mlbf/870吨,甚至盖过了当年F-1发动机的推力。更惊奇的是它的比冲数据,770吨推力的单室燃烧室,燃气发生器循环方式,喷管面积比只有25,但真空比冲居然高达320秒,令人叹为观止。
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Merlin 2发动机设计参数
 
作为爱好者,我对这个数据的可靠性非常怀疑,新兴商业公司的夸大其辞是常见的宣传手段,考虑到Merlin 1的比冲不过是302秒,放大10倍以上的Merlin 2做到更大的比冲几乎是不可能的,毕竟大推力燃烧室的不稳定燃烧问题很难解决,实际上也无法解决,而即使是极大缓解的不稳定燃烧现象也会影响比冲。不过SpaceX并没有足够的资金进行Merlin 2的研制工作,因此Merlin 2到底性能如何,很多年后也无法水落石出了。根据它们的说法,投入10亿美元可以在3年内拿出Merlin 2发动机,但是此前SpaceX各项成果如Merlin 1,Falcon1/9,Dragon等总费用也就是5亿美元左右,这期间还得到了NASA的COTS项目2亿多美元的预研合同,如果没有NASA或是其他美国政府机构研究重型运载火箭的合同,10亿美元的资金的确不是SpaceX能拿得出来的。
使用设想中的Merlin 2发动机,SpaceX设想了极为强大的重型火箭,这与其说是吸引商业投资,不如说是对奥古斯丁报告等认为商业公司无法开发出重型运载火箭的回击。我们看看设计图:
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重型火箭Falcon X,Falcon X Heavy和Falcon XX设计指标
 
不过这些设计似乎也只能躺在设计图上,目前商业航天发射主要是太阳同步轨道的遥感侦察卫星和地球同步轨道的通信卫星,运力局限在10吨LEO,12吨GTO以内,即使未来太空旅游发展起来,LEO的运力在20~25吨也够用了,更大运力的火箭没有实际需求。SpaceX公司首席执行官Musk的殖民火星(Mars Colonization)的梦想尽管很宏大,可惜商业上肯定赔钱,是货真价实的白日梦。至于NASA拟议的重型运载火箭(HLV),已经确定基于航天飞 机的技术开发,SD-HLV牵扯到ATK,UTC还有MSFC等一系列老牌公司和NASA核心机构的利益,还有美国 传统火箭开发地区的选票,SpaceX作为新兴公司无法在政府决策中扭转乾坤,注定和官方初步投资就有几十亿美元的巨额投资无缘。因此,Falcon XX等火箭,在这10年内只能停留在ppt里了。

 其实商业方面对这些重型运载火箭没有需求倒不是笔者信口胡说。如果说美国Saturn V火箭黯然退役,苏联Energia火箭2次就成为绝唱是太久远的历史,美国EELV火箭的分阶段开发始终得不到开发资金就是前车之鉴。EELV的Atlas V和Delta IV火箭虽然只有25吨以下的LEO运力,但是无论是LockheedMartin还是Boeing,都曾经发布过PDF文件,描述了更大运力的演进,明确表示达到Saturn V火箭的运力没有技术问题。这一方面是RS-68和RD-180发动机具有强大的推力,另一方面也说明了这些老牌公司航天运载领域的实力。

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Atlas V也可以达到140吨的LEO运力,但NASA选择了Ares V和更新的SD-HLV

如果说Atlas V火箭被弃用,是RD-180供应来自俄罗斯,而俄罗斯人的一向不厚道,供货可能出现问题的话,那么Delta IV的出局就更说明问题了。Delta IV火箭使用美国PWR公司的RS-68发动机,这是全国产的氢氧发动机,也是世界上目前推力最大的氢氧发动机,专门为大气层内飞行进行优化,性能极为强悍。
 
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Delta IV火箭的升级足以未来重型运载火箭的需求,但是仍然被NASA弃用

尽管具有可靠的技术,而LM和Boeing必要的话也可以筹集到足够的资金,但是描述这些百吨级的重型运载火箭的官方文件已经在笔者的电脑上躺了5年多了,在这些公司内部肯定沉睡了更多的岁月。如果真的有对这些超级重型火箭的需求的话,唯利是图的LM和Boeing公司不可能不去满足市场需求,赚取高额利润,根本不会等到多年后新兴的SpaceX公司染指这一领域。

安拉,图纸只是图纸,资本主义社会,没有钱赚的领域怎么可能成长起来?虽然SpaceX染指重型运载火箭甚至殖民火星的梦想很难成为现实,但是经历数十年的积累,美国这个国家在航天技术上的领先是令人高山仰止的。这些重型火箭,对于美国以外国家都是要举全国之力,经历漫长时间研制才可能成功。对美俄以外的国家,光是发动机的问题就令人望而却步,对于美国人,仅仅是商业问题,没有利润所以止步,这个差距,未免有些太大了。
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