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松鼠的空天随笔

 
 
 

日志

 
 

SpaceX正式开始重型猎鹰研制  

2011-04-06 22:11:45|  分类: Space |  标签: |举报 |字号 订阅

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SpaceX正式开始重型猎鹰研制 - squirrel - 松鼠的空天随笔
4月1日的公告,不是愚人节消息
 今年4月初,在SpaceX公司网站的醒目位置上出现了一个公告:SOMETHING BIG IS COMING。针对这个BIG THINKG,国内网友曾有诸多猜测,不过其实并不需要如此,点击公告链接直接指向youtube的视频,视频中很清晰的出现了重型猎鹰火箭的消息。4月5日,SpaceX公司CEO Elon Musk在发布会上正式公开了Falcon Heavy火箭的设计和性能指标,同时SpaceX网站也更新出现Falcon Heavy火箭的页面。从Falcon Heavy火箭的性能上看,真的是很好很强大,如果他们做到自己宣布的性能和价格,航天工业必将进入一个新的时代!
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 正式宣布Falcon Heavy的出现
SpaceX公司在网站上公布了Falcon Heavy火箭的数据,初步公开Falcon Heavy火箭可以将53吨的载荷送入28.5°倾角200千米的LEO轨道,这个运力是航天飞机现有水平的2倍多。如果说对53吨的数字没有概念的话,用Elon Musk的话说就是一架波音737的质量。Elon Musk自豪的宣布Falcon Heavy火箭将是美国阿波罗计划的土星五号火箭退役后最大的运载火箭(NASA的HLV更晚出来,被他无视了:-),它将于2013年左右首次发射。Falcon Heavy火箭基于SpaceX公司原有Falcon 9 Heavy火箭的设计,使用现有Merlin1C发动机的升级版Merlin1D,推力从125klbf增加到140klbf/63.5吨。Falcon Heavy火箭在第一级仍然使用3个9台Merlin1发动机箭体的情况下,27台发动机的总推力大大提高。火箭的第二级沿用Falcon 9 Heavy的设计,仍然是单台真空版Merlin发动机,虽然是开式循环液氧煤油发动机但比冲高达345秒。Falcon Heavy火箭全长69.2米,比Falcon 9 Heavy火箭的54.9米加长14.3米,不过直径保持原有的3.6米,整流罩也仍为直径5.2米,起飞推力提高到17MN(约1730吨),起飞质量从Falcon 9 Heavy的885吨增加到Falcon Heavy的1400吨,它不仅是土星五号和能源号之后最大的火箭,而且运载系数也远远强于现有火箭,甚至超过了全氢氧发动机的Delta IV Heavy火箭。

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 Falcon Heavy设计特点
Falcon Heavy火箭使用了大量新技术,这是它达到高运载系数的根本保证。Falcon Heavy火箭是第一种全面使用2195铝锂合金的液氧煤油火箭,2195铝合金的使用将它的结构质量降低到惊人的程度,助推器质量比(加满推进剂质量/耗尽推进剂结构质量)超过30,而现有Delta IV Heavy不过是10左右的质量比,这是Falcon Heavy作为全部使用低比冲液氧煤油发动机的火箭,但运载系数却高于全部使用高比冲氢氧发动机的Delta IV Heavy的重要原因。Falcon Heavy火箭还将是第一种使用Cross-Feeding技术的运载火箭,Cross-Feeding技术可以在助推器和芯级之间交换推进剂。根据SpaceX的介绍,通过Cross-Feeding技术保证助推器分离时芯级仍有最多的推进剂,使Falcon Heavy这种二级半结构的火箭达到三级火箭的性能。虽然通过发动机推力调节也可以实现芯级保留更多推进剂,但效果上远远比不上Cross-Feeding技术将助推器剩余推进剂输送给芯级的效果。SpaceX公司指出在发射较轻的载荷时可以关闭Cross-Feeding技术,这样虽然LEO运力下降,但减少了复杂性降低了出错概率。根据发布会的消息,不使用Cross-Feeding技术的话LEO运力大约45吨,仍然可以满足目前的各种需求。Falcon Heavy火箭在可靠性上的设计也很高,它设计留有40%的结构余量而普通运载火箭仅有25%,此外它还装备了三余度的导航控制系统,27台发动机的设计更是设计上具备在单台或多台发动机故障时火箭仍然可以顺利完成发射任务的能力,这些设计使得Falcon Heavy成为一种设计上极为安全可靠的运载火箭,也完全符合NASA的运载火箭载人航天标准。

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Falcon Heavy目前直接竞争对手Delta IV Heavy,发射费用已经高达4亿美元以上
Falcon Heavy火箭最令人惊叹的是它的报价,SpaceX公司的网站公开数据是80~125M,在1亿美元左右浮动。难怪NSF(nasaspaceflight)论坛的网友疯狂的推崇Falcon Heavy火箭,并且有很高的呼声要求用Falcon Heavy火箭取代NASA官方开发的HLV。不过SpaceX推出Falcon Heavy火箭主要还是争夺地球轨道的发射市场,而不是和HLV争锋,发布会上Elon Musk低调宣布Falcon Heavy运力低于70吨就是一个证明(70吨是HLV最小运载能力)。Elon Musk表示Falcon Heavy火箭符合EELV的要求,完全而且应该和联合发射联盟(ULA)的Delta IV/Atlas V火箭竞争。根据近期的数据,ULA向美国军方提出的报价实在高的惊人,2012年的报价在历年的高费用基础上进一步上涨30%,4次发射居然要17.4亿美元,单次发射费用4.35亿美元,和航天飞机的单次发射费用非常接近了。美军被贪婪的ULA压榨的很惨,但波音和洛马联合的ULA垄断了大型载荷的发射市场,也只能打碎牙齿和血吞。吃够了垄断企业的亏,美国军方支持SpaceX公司的Falcon Heavy火箭也就不难理解了。Falcon Heavy火箭运载能力两倍于Delta IV Heavy火箭,但发射报价只有Delta IV Heavy的1/3而已,也就是说每磅的发射费用只有Delta IV Heavy火箭的1/6,Falcon Heavy火箭每磅发射费用降低到1000美元左右,这是航天运载工具在发射费用方面的世界最低纪录。

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SLC-4的Falcon Heavy发射想象图
 
Falcon Heavy火箭首次发射将在范登堡空军基地的SLC-4工位,主要发射将在肯尼迪发射中心的LC-40发射工位进行。从首次发射地点看,虽然没有SpaceX公司声称还没有为首次发射找到客户,但客户已经呼之欲出了。Elon Musk很雄心勃勃地表示,Falcon 9和Falcon Heavy火箭可以达到总计每年20枚的产量,Falcon 9火箭占领中低质量载荷的市场,Falcon Heavy火箭则占据金额更大的商业和政府大型载荷发射市场。如果SpaceX真的实现这个产能同时报价没有大幅度上涨,届时不仅是ULA要倒大霉,俄罗斯参与的国际发射服务(ILS)公司、海射公司以及欧洲人的阿里安公司可能要面临灭顶之灾,其影响不亚于当年美国个人计算机浪潮对其他国家电子计算机工业的冲击。当然这仅仅是从纯商业角度的考虑,如果加上商业市场和政府发射市场的贸易保护,SpaceX要虎口夺食还是很难的。欧洲本身有很强大的航天工业,卫星发射会尽量使用欧洲的火箭,俄罗斯、中国、日本和印度也都会使用本国运载火箭发射本国卫星。由于美国缺乏具备商业竞争力的运载火箭,目前美国商业卫星基本都是欧洲的阿里安火箭或是俄罗斯的质子火箭发射,这是SpaceX公司要争夺的核心市场。
 
除了地球轨道的商业和政府市场,SpaceX公司的雄心也伸向了深空。Elon Musk提到Falcon Heavy火箭是发射大型月球探测器大型火星采样返回探测器的上佳选择。如果用Falcon Heavy火箭发射火星采样返回探测器,足以将3万磅/13.6吨的探测器打入火星注入轨道。如果发射月球探测器,足以将LEO运力的35%也就是大约4万磅载荷打入月球注入轨道。Falcon Heavy火箭的出现,将为人类的深空探测铺平新的道路,此前受制于火箭运载能力可望而不可及的大型探测器肯定会带来科学上更多更新的发现,这个前景是令人鼓舞的。Falcon Heavy火箭还可以用于月球、近地小星星或是火星的载人飞船发射,Falcon 9火箭目前已经获得NASA商业货运的合同,正在竞标NASA商业客运,在Falcon Heavy火箭首次发射前后,Falcon 9火箭和Dragon飞船的可靠性已经得到了足够的检验,Falcon 9负责LEO轨道如国际空间站、Bigelow的商业空间站,Falcon Heavy火箭用于深空载人探测,将又是一对互补的组合。如果SpaceX真的做到每次发射1亿美元,两次发射就足以达到一次土星五号发射的效果,重返月球将变得触手可及,不过很可能挤垮NASA目前开发的重型运载火箭(HLV)。2004年小布什提出重返月球,NASA因此提出星座计划并计划退出近地轨道,近地轨道运输将外包给商业运输(COTS)的公司,这个决策最初促成了SpaceX的大发展。多年以后奥巴马上台星座计划取消,NASA徘徊不知前程,最主要的是这些年中NASA组织和工程能力的退步与传统大公司如波音、洛马、阿连特的贪婪令人实在灰心丧气。星座70多亿美元的投资,看得见的只有5段式RSRM的两次地面试验、一次Ares I-X的试飞和猎户座飞船的空投试验,计划中的Ares I火箭遥遥无期,Ares V火箭更是只能看到绘图板上改来改去的图样。这样的暮气下SpaceX的横空出世是在给人太多惊喜,如果未来我们会看到美国人重返月球,使用的并非NASA的重型火箭和猎户座飞船,而是SpaceX的Falcon Heavy火箭和Dragon飞船,也无需惊奇。
 

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 厂房内的N1火箭,第一级30台NK15发动机。Falcon Heavy会不会成为另一个N1?
再回到Falcon Heavy火箭,在炫目的技术下也潜伏着着很多的危机。Falcon Heavy火箭计划使用27台发动机实现发动机冗余,此前也有这样想的设计,那就是著名的苏联N1巨型火箭。N1创下了4发4炸的记录。N1火箭的失败过于惨痛,直接让世界航天工业放弃了通过众多小型发动机并联设计制造大型运载火箭的设计,认为要研制大型运载火箭必须要以大推力火箭发动机为基础。SpaceX重启多发并联冗余设计带有很大风险,虽然苏联人的失败并不仅仅是设计的问题,但SpaceX公司是否能够实现预计的目标仍是未知数。Falcon Heavy火箭的长径比也很惊人,69.2米长度和3.6米的直径,长径比高达19.2,这对箭体结构设计的要求很高,SpaceX的40%结构冗余很可能就是对大长径比问题而做的预防措施,当然效果只能等Falcon Heavy实际使用后再去评价了。此外SpaceX公司的资金并不是那么充裕,他们是否会在资金压力下死保进度,从而留下设计和制造问题也很不好说。SpaceX公司固然以自己有限的资金做出了Falcon1、Falcon9火箭和Dragon飞船,堪称商业航天的传奇,但同时它也是创造Falcon1火箭连续发射3发3炸的公司。不同于Falcon1小型火箭失败的无损大局,如果Falcon 9火箭发射出现两次连续爆炸,更不要说更大的Falcon Heavy火箭出现一次爆炸,SpaceX公司恐怕就要走到破产边缘。还有维持廉价发射费用的问题,SpaceX是一家小公司时朝气蓬勃,技术敢为天下先,管理简单成本控制得力,提供了十分廉价的发射服务,但未来随着公司壮大它将不可避免的会染上官僚主义等大企业病,导致发射费用攀升。曾经风光无限的海射公司就是发射失败外加无法维持原有的低发射费用,导致公司濒临破产的,SpaceX公司能否免俗呢?
 
话说回来,这一切都是如果,关键在于SpaceX是否能够真正做到宣传中的高性能和低价格,这是一切推论的前提。如果SpaceX公司未来蜕变成另一个轨道科学公司,那么很难实现多大进步。从现有计划看,SpaceX公司计划做到年产400台以上Merlin1发动机,供应40具箭体单元的使用,对应10枚Falcon 9火箭和10枚Falcon Heavy火箭的火箭产量。Falcon 9火箭和Falcon Heavy火箭在很多设备和发射设施上都是通用的。从这个意义上说,他们试图通过简单廉价的小推力发动机的通用组合,以通用化批量化尽可能的降低火箭成本,不过能否实现还是一个未知数。笔者认为SpaceX很难实现目前公布的报价,毕竟这家公司规模进一步扩大后将很难有以前的效率,为了提高可靠性也将做出很多妥协,不过他们的实际发射费用还是会远远低于吸血鬼ULA的,这就无愧于美国国防部的支持。对于美军来说,什么每磅发射费用1000美元的白菜价、航天运输的革命都是天边的浮云,在防务预算削减的大环境下如何不被ULA继续敲诈才是他们真正关心的问题。

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未来NASA的COTS和CCDev任务将是SpaceX的稳定财源。图为对接在和谐号节点舱上的Dragon飞船想象图 
不过美国军方的发射任务根本不可能支撑SpaceX计划的发射量,在中短期内能够提供支持的只有美国商业卫星的发射和国际空间站的货运客运任务,尤其后者可以带来稳定的现金流。从这个意义上说,SpaceX公司也好其他商业航天公司也好,很长时期内都将是国家补贴下存活的产物,航天发射市场仍然不是真正的商业市场,也不具备自我造血和增殖的能力,通俗的说发展是不可持续的。目前并没有商业通信和遥感卫星市场大爆发的迹象,相反随着卫星寿命的增长和功能的加强,发射量存在减少的趋势。即使加上国际空间站的货运和客运合同,除非欧洲、俄罗斯、中国、日本、印度自身的发射都外包给SpaceX,否则根本不可能为10枚Falcon 9和10枚Falcon Heavy火箭的运载能力提供足够的任务。大马拉小车当然可以,但这必将极大甚至彻底削弱SpaceX的廉价优势。随着2020年后国际空间站退役,这些商业航天公司在市场上能得到合同数量又将进一步降低,包括SpaceX在内的商业航天公司将何去何从呢?
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