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SpaceX的神话始于NASA?SpaceX核心技能—发动机
    2023-11-13 23:06:47
  • 来源:网友发布
  • 作者:网友发布

马斯克毕业于宾夕法尼亚大学,拥有南非、加拿大和美国三重国籍,2002年6月创建美国太空 探索 技术公司(SpaceX)。马斯克的SpaceX有一个明确的目标——火星殖民,要实现火星殖民就要降低太空运输的成本,SpaceX的疯狂就此开始。SpaceX的成就是惊人的,2008年发射了世界首个私人投资的轨道级液体火箭——猎鹰1号;2010年首次成功将货运龙飞船送入近地地球轨道并回收;2015年12月,猎鹰9号芯级回收成功;2017年3月第一次重复使用猎鹰9号芯级并回收成功;2018年2月重型猎鹰首飞成功,并回收两枚助推器,芯级失败;2019年开建星链卫星系统,2020年5月实现了载人航天;而现在正在如火如荼的开发载人星际航行的项目—SpaceX星际飞船(starship)。马斯克似乎要将航天玩“疯了”,一切都因“火箭发动机(Merlin)”而始,一切都以“火箭发动机(Raptor)”而狂。

为了实现自己的梦想,2002年马斯克决定自己研发低成本火箭,实现移民火星的计划。而一切都要从一款名不见经传的火箭发动机(Fastrac)说起。Fastrac是由NASA(美国国家航天局)开发的涡轮泵供给的液氧煤油火箭发动机,发动机使用气体发生器循环来驱动涡轮泵,然后排出少量的富燃料。Fastrac发动机非常便宜,每台的成本价仅有350000美元,可产生285kN的推力,最关键的是该发动机的所有零件均可重复使用。

SpaceX和Fastrac有什么关系吗?SpaceX成立后,第一件大事当然是开发自己的火箭发动机。考虑到成本和重复使用等因素,SpaceX瞄上了Fastrac。虽然Fastrac火箭发动机从未飞行过,但是在NASA的帮助下,SpaceX的第一款发动机Merlin 1A(梅林)采用了许多Fastrac的设计和技术。这也许就是,马斯克感谢NASA的资金和技术支持的原因吧。SpaceX的工程师们非常给力,Merlin火箭发动机不断迭代,性能出现了质的提升,以至于Merlin 1D真版空的推力达到981kN,真空比冲达到348秒,推重比更是达到了199:1。

Merlin火箭发动机作为猎鹰火箭的核心 科技 ,让SpaceX名声大噪。为什么说Merlin火箭发动机是核心 科技 ?SpaceX通过火箭回收再利用使得火箭发射成本降低了一个数量级,直接碾压了竞争对手。火箭的回收重复使用主要有两块儿难啃的骨头,一是精确控制飞行与着陆技术,一是变推力可重复使用发动机技术。对于信息技术不断革新的前沿,变推力可重复使用发动机技术更为核心。Merlin火箭发动机的不断迭代,不仅使猎鹰9号发射稳定、成本低廉,更是让SpaceX造出了现役运载能力最强的火箭——重型猎鹰(三九二十七台梅林火箭发动机)。

要想实现星际航行,Merlin火箭发动机是远远不够的。因此,SpaceX开发了一款专门用于火星 探索 与殖民的火箭发动机——Raptor(猛禽),该发动机燃料为甲烷,推力是Merlin 1D的数倍,达到了3500kN(真空)。SpaceX的工程师们通过Merlin的迭代,已经玩转了火箭发动机,换路子重新设计一款火箭发动机,并不算摸不着头脑的难题。2019年8月27日,搭载着猛禽发动机的“星虫”(星舰缩小版)成功完成了150米的跳跃测试。猛禽火箭发动机的出现,让超重鹰+星舰也有了“核心 科技 ”。猛禽之所以使用甲烷为燃料,一是可以结合液氢液氧发动机和液氧煤油发动机的优点(包括难易程度、成本、效率等),二是可以在富含二氧化碳的火星直接制备甲烷作为燃料。猛禽作为甲烷为燃料的全流量分级燃烧循环发动机,它竭力兼容了成本(200万美金)、推力、效率、重复使用等优点,让SpaceX有了实现starship的底气。虽然,液氧煤油发动机有RD—170/180,液氢液氧有RD—68、RD—25,液氧甲烷有CE—4等众多优秀的火箭发动机,但是,要实现低成本的星际航行,还是Raptor最靠谱。

还是那句话,SpaceX因“火箭发动机”而始,因“火箭发动机”而狂。因为有了低成本高性能的Merlin,SpaceX可以毫无顾忌的打星链;因为有了低成本高性能的Raptor,SpaceX可以毫无顾忌的炸原型机。

SpaceX的一切——火箭发动机。

马斯克的火箭曾经是“劣质”的代名词, SpaceX推出默林(又称梅林,我喜欢称为默林)发动机时,欧洲空间局称这是一款在自家后院车库里拼出来的发动机。

那时候的默林发动机仅有34吨推力,我们不应该说有什么发动机推力比它高,而是有什么发动机推力比它低。 装备了默林发动机的“猎鹰1号”三次试射全部失败,但是都不关默林发动机的事。直到第4次发射才获得成功,让SpaceX免于一死。为什么会死?三次火箭爆炸赔得谁承受得住啊。

后来推出了“猎鹰9号”运载火箭,一下子塞了9台发动机因此得名。“猎鹰9号”最初的性能也平平,因为发动机就是那样嘛。但是,“猎鹰9号”装配的默林与“猎鹰1号”装配的有区别,前者进行了大幅度的改善。

SpaceX的成长之路,也是默林发动机的成长之路。

默林的最初版本与现在的相比较,现在的推力已经达到了90吨左右,推力翻了几倍,一举成为推重比最高的液体火箭发动机。关于默林发动机的身世,有不少人说是NASA生的。这确实没错,但是默林发动机经历了不少4次大幅度改造已经与NASA没有什么关系了,SpaceX后来者居上。

得益于默林的高性能,“猎鹰9号”也成为了干质比最高的液体火箭。后来马一龙推出了可回收版本的“猎鹰9号”,遭到了以美国联合发射同盟为首的西方世界嘲笑。没错,这就像太空运输行业里的中国。

很少人知道联合发射同盟这公司,这家外号“黑店的”公司撑起了美国整片天的火箭发射,直到SpaceX出世瓜分战场。 屌丝的逆袭之路。 后来的结果大家也都知道,太空叉成功实现了回收火箭技术。并且依靠这项技术压低了运载火箭成本,这直接重创了欧洲空间局,俄罗斯联邦航天局,美国联合发射同盟的业务。原因嘛就是,谁便宜我找谁咯。

欧洲空间局的主力火箭是阿丽亚娜5号火箭,俄罗斯的是质子号火箭,黑店的是德尔塔系列。而阿里丽娜5号的商业发射次数明显减少,质子号的更明显。质子号一年都不见发射几次,并且已经进入了退役倒计时,当然不是因为猎鹰9号才退役。质子是出了名的毒王火箭,太老旧了,用了半个世纪。

太空叉:你有种再说我句试试?

俄罗斯联邦航天局:试试就试试,你家的载人龙飞船就是个蹦床,你们就靠蹦床上天吧。

2020年5月31日,载人龙飞船成功载人发射,俄航局局长回应了……

回归正题,后来马一龙不满足于“猎鹰9号”,提出了“重型猎鹰”的构想。(典型吃饱了撑出一片新天地)

关于重型猎鹰,人们最常提到的是27台发动机太多了不安全,很容易失败。马一龙表示:不不不,不存在的不存在的。 这里涉及到一个专业知识动力冗余,意思就是推力的富余程度。重型猎鹰因为塞了27台发动机,推力富余得相当高。什么概念?如果让央视给你解释:这可以推动上几头大象,厉害吧?;我给你解释的话就是:都可以推动一枚长征7号了。因此这样的好处是,一两台发动机故障了也完全没问题。我也没啥资本,就是发动机多。

不仅是重型猎鹰,猎鹰9号同样有这项本领,并且是实战过的。 不少人说重型猎鹰没啥技术,不就捆了两枚一样的一级嘛。没错儿,当年老马也是这么想:嘻嘻,简单,好做

后来老马又说了:它的困难程度远超我们想象;因此发射时间一推再推 难在哪?第一点就是,这就像两个壮士用力各拉你一边手,痛不?要命不?因此需要加强芯级结构,当然这不是加两块板子就能解决的。另一点是控制问题,话是这么讲但要控制27台发动机难度还是相当高的。

2018年年初重型猎鹰首飞之际,老马又说了:只要不损坏到发射台,发射就算成功。(可见要求)之低按照国际标准,一款新型运载火箭成功发射3次时,就可以认可为安全火箭。而重型猎鹰已经发射满3次了。如果你们还说不安全那我就不满你们这种双标了,自家某五火箭可是在二次发射时就给砸了,首飞时没把卫星送上预定点,你们知道吗?

谁都不会想到,多年后世界第一的位置居然让一个公司给坐了。

现如今,SpaceX推出了“猛禽”发动机。当年老马那叫一个豪迈啊:我们要把它的推力干到800吨级。后来,我们要干到600吨级。现在,猛禽推力是200吨级。反正吹牛不收税,为什么不吹呢? 猛禽发动机又钻了一个空子,成为世界上第一款全流量分级燃烧循环的发动机。之前也有,毛子苏联干过,不过下马了。

猛禽发动机的室压非常高,猛禽发动机测试时的燃烧室内压力已经达到了惊人的330个大气压。什么概念?中国推力最大的发动机是YF-100,室压180左右,央视给你解释的话,就是可以把海平面的水射到珠穆朗玛峰上。那猛禽这330多的室压,可以射到哪去呢? 尽管现在猛禽只有200多吨的推力,但是其先进的循环方式加上超高室压,改进的空间是不小的。万一老马又发烧把它像梅林发动机一样改呢。

编辑:陈北航

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