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中国商业航天继续“摸着马斯克过河”

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中国商业航天继续“摸着马斯克过河”

十八天后,美国中部的德克萨斯州,SpaceX星舰满载着超过4500公吨推进剂,在巨大的欢呼声中腾空。

如果要给这两件事寻找关联性,那么相似之处的确很多。比方说,无论是天龙二号的研发机构天兵科技,还是星舰的拥有者SpaceX均属商业航天公司,并且两支火箭均为液体火箭,尤其是天龙二号,是目前中国第一个由民营火箭企业发射成功的液体火箭。

当然,不同之处也有不少,最显著的一点是,二者的命运不同。发射后,天龙二号成功将“爱太空科学号”遥感卫星送入500公里高度太阳同步轨道,而在起飞3分钟后,星舰在空中开始摇摆、旋转,助推器与飞船船舱未能实现分离。据SpaceX的公告,星舰在飞行测试期间经历了多个引擎熄火,测试团队最终启动自毁程序。爆炸时,火箭距离地面仅24英里,这距离国际公认的太空边界100公里卡门线还很远。

但切莫因此感到侥幸,因为从参数和技术难度上来说,天龙二号与星舰尚不可同日而语。据报道,天龙二号液体运载火箭为三级状态,全箭直径3.35m,总长约32.8m,起飞质量153吨,起飞推力193吨,而星舰则高120米,起飞质量为5000吨,起飞推力7500吨 。

这并不是长他人志气,灭自己威风。自2014年11月26日,国务院印发《关于创新重点领域投融资机制鼓励社会投资的指导意见》,鼓励民间资本参与国家民用空间基础设施建设起,中国商业航天领域迎来了春天。但彼时SpaceX已经在航天领域耕耘了12年,失败过无数次,也积累了无数经验和技术,在这个重资产、重技术需要时间积累的行业里,起步较晚的中国民营企业,还有很长的路要赶。

所幸的是,星舰的发射升空在资本圈再次泛起涟漪,“更多人对火箭、卫星以及整个航天产业链条感兴趣了。”从事航天领域投资多年的程凯对《最话》说。

01 冒险

一位航天市场领域的研究专家告诉《最话》,到目前为止,中国商业火箭的整体规模还上不去,民营公司大多在做固体火箭,少数在研发液体燃料火箭,目前所发射的火箭搭载质量很小的卫星,“其实小卫星的意义是很小的。”

相比之下星舰被业内人士称为是“有史以来性能最强大的火箭”,这是一套运载能力惊人的太空运输系统。用马斯克的话来说,星舰是“非常现代的诺亚方舟”,是实现人类太空移民必不可少的载体。

星舰由一级助推器“超重型推进器”(Superheavy)和二级飞船“星舰”(Starship)组成,超重型推进器高达70米,直径9米,配置33台“猛禽”2.0发动机。猛禽发动机是液氧甲烷发动机,推力可达230吨,星舰通过并联33台猛禽发动机来实现整体的动力系统。

这是套奇特的“非常现代”又“非常原始”的动力系统。单从推力来说,“猛禽”2.0发动机只属于中等推力,为了实现7500吨推力,是极富想象力地把33台发动机并联。这种多台中推力发动机并联的模式并不是什么新方案,历史上,苏联在1969年研发的N1火箭,舰体高105米,也采用的是30台发动机环形并联,总推力4620吨。而当时美国土星五号火箭采取的是F-1发动机,单台海平面推力为680吨,5台并联。

结果是N1火箭四次发射四次失败,而土星五号火箭13次发射都取得成功。资深分析人士李维对《最话》表示,“多台发动机并联的难点在于同时工作时会产生振动耦合的问题,可能会引发发动机系统及火箭系统故障,且根据简单的排列组合知识,多台发动机并联系统的可靠性也会降低。这些都对发动机系统的控制系统要求非常高。”

那么当年苏联失败的方案,为什么马斯克还要继续采用?李维认为,“对于马斯克来说,采用多台发动机并联的方式,可能是一种较为经济且可行的方法。此前的猎鹰9号发动机9台,近地轨道运力23吨左右;重型猎鹰采用3箭体并联,共27台发动机,近地轨道运力55吨左右,这两个火箭系列都是成功发射的。”

“如果马斯克模仿土星五号搞大推力发动机,那就要重新开始研制,这样在成本、时间上都需要新的投入,不确定的风险也高。”李维对《最话》说,“随着技术的发展,现在多台发动机控制系统进步较大,这样就为星舰这种模式提供了可能性。综合下来,在现有成熟发动机的基础上,采用先进的控制系统,实现多台发动机并联成功工作,是较为可行的技术路径。”

可行的技术方案需要实验验证,在这第一次发射中,星舰升空3分钟59秒时爆炸,SpaceX随后发布声明称:在“星舰”和它的超级重型助推器未能分离后,发射团队下令将它们引爆。从视频来看,星舰点火后就有3台发动机没有成功点火,升空一段时间后又有2到3台发动机熄火了,最终导致星舰在升空3分钟左右呈失控状态。

从这次实验来看,虽然SpaceX有多台发动机并联控制系统经验,但还是需要调整星舰的发动机控制技术。毕竟相对于3*9的并联,同一舰体并联33台的控制难度要高得多。

把尚未完全成熟的技术用于直接实验是SpaceX的传统艺能了。从最早的猎鹰火箭开始,马斯克走的就是不同传统火箭“设计-地面测试-修正-试验”的路径。航空航天专家黄志澄向《最话》介绍说,“SpaceX通过大量的核心实验来找到设计中的缺陷,不断地改进,不断地试错,从而达到快速迭代,这是一种风险很大的但是能够达到颠覆性创新的模式。”

所以,猎鹰火箭发射失败甚至爆炸的次数很多,但经历多次失败,SpaceX逐渐掌握了发动机、控制系统、可回收等多项核心技术。李维介绍说,“SpaceX最大的特点就是实现了可回收,根据猎鹰9号可回收的实例,火箭多次可回收后,发射成本大幅降低,这样在经济性上就具有了很大的可能性,无论是运物资到太空、太空旅行、还是登月,甚至登陆火星等,都具有商业可能性。”