正在閱讀﹕ 從“獵鷹1”到“大獵鷹” SpaceX火箭真能飛到火星﹖
首頁> 科技頻道> 綜合新聞 > 正文

從“獵鷹1”到“大獵鷹” SpaceX火箭真能飛到火星﹖

來源﹕科技日報2019-05-30 09:37

調查問題加載中﹐請稍候。
若長時間無響應﹐請刷新本頁面

  圖為SpaceX公司的火箭示意圖

  近日﹐美國太空探索技術公司(SpaceX)的新聞有點多。4月﹐“重型獵鷹”火箭首次商業發射成功﹔同月﹐成功拿下價值6900萬美元的“雙小行星變向試驗”(DART)任務訂單﹔5月﹐“星鏈”計劃“一箭六十星”發射任務一經披露就成為全球輿論焦點﹐閃亮的衛星連成線成為夜空中的獨特風景。

  從“獵鷹1”“獵鷹9”到“重型獵鷹”再到攜帶著星際飛船的“大獵鷹”﹐SpaceX的火箭是怎樣一步步昇級的﹖

  十年火箭路 從小型到重型

  2002年﹐馬斯克正式投身商業航天﹐SpaceX破殼而出。一陣招兵買馬後﹐新生的它要解決的第一個問題就是搞出自己的火箭。直至2008年﹐低軌運載能力僅有420千克的“獵鷹1”在經歷3次失敗後終於試射成功。

  “獵鷹1”是名副其實的小火箭﹐直徑不到1.7米﹐高20米﹐一級火箭裝備一臺“灰背隼”(Merlin)發動機﹐二級也祗有一臺“紅隼”發動機。SpaceX藉助“獵鷹1”的項目經驗掌握了火箭的研發﹑製造技術﹐特別是驗證了“灰背隼”發動機的可靠性﹐在進行了幾次發射後就將其“束之高閣”。

  2010年6月﹐長70米﹑直徑3.7米﹑低軌運力超過10噸的“獵鷹9”首飛成功。僅僅兩年﹐SpaceX就實現了從小型火箭到中型火箭的跨越。這主要有兩方面原因﹕從設計上看﹐“獵鷹9”一級火箭採用9臺與“獵鷹1”相同的發動機並聯﹐二級也使用一臺“灰背隼”發動機。因此﹐在“獵鷹1”的研製中﹐已經嵌入了對“獵鷹9” 動力系統的研究。從試驗流程上看﹐SpaceX堪稱“快馬加鞭”﹐極盡簡化之能事。2009年10月﹐“獵鷹9”才進行一級火箭點火試驗﹐但僅僅一個月後﹐二級火箭點火試驗隨即開展﹔七個月後﹐直接開始首飛。

  美國國家航空航天局(NASA)曾稱﹐如果按照傳統的“開發流程”﹐“獵鷹9”的研製需要耗資40億美元﹐而SpaceX開發“獵鷹1”和“獵鷹9”一共僅花費3.9億美元。

  2011年﹐SpaceX宣稱將用2年時間完成“重型獵鷹”的開發。“重型獵鷹”看起來並不復雜﹐就是把兩個“獵鷹9”的一級火箭捆綁在一枚完整的“獵鷹9”上做助推器。但SpaceX將其實現用了近7年。一方面因為期間“獵鷹9”兩次發射失敗﹐耽誤了研製進程﹔另一方面“捆綁”火箭涉及的結構設計並沒有那麼簡單﹔此外﹐SpaceX還騰出了大量精力提昇“獵鷹9”的性能指標﹐並攻克了一級火箭回收技術。

  2018年2月﹐低軌運力達63.8噸的“重型獵鷹”終於將馬斯克的紅色“特斯拉”送上太空。從“獵鷹1”到“重型獵鷹”﹐10年時間﹐SpaceX的火箭運力提高15倍。

  欲得一火箭 必先得其“心”

  火箭作為一個系統工程﹐發動機是其最核心的技術。從“獵鷹1”到“重型獵鷹”﹐“心”卻沒有變﹐都是採用“灰背隼”系列火箭發動機作為主要的動力來源。不同的是﹐一級火箭的發動機數量由1個提高到了27個。

  “如此多的發動機並聯面臨工作同步性﹑一致性等問題﹐火箭動力系統的複雜性也大幅上昇。”著名航天專家蔣天(化名)表示﹐並聯方式可以降低對單臺發動機的推力需求﹐避免研製更大推力發動機面臨的大流量渦輪泵﹑大流量推力室等技術難題﹐特別是流量增大導致的地面試驗系統匹配困難等問題。

  蔣天介紹﹐“灰背隼”火箭發動機將液氧和煤油作為推進劑﹐使用燃氣發生器式泵壓循環方式﹐結構簡單﹑可靠性高。更特別的是﹐“灰背隼”採用了針栓式噴注器﹐以實現推力的連續可變﹐從而達到火箭垂直降落回收的目的。

  “從火箭發動機原理上講﹐實現連續推力調節的主要方式包括改變推進劑的供應量﹑改變發動機的噴管喉部面積﹑改變噴注面面積等。”蔣天進一步解釋道﹐改變推進劑供應量和改變噴注器面積﹐是實現液體火箭發動機連續推力調節的主要方式﹐因為改變噴管喉部面積會帶來熱和燒蝕等問題。針栓式噴注器就是通過改變噴注面面積﹐控制燃料流量﹐實現發動機推力的大範圍連續調節。

  記者瞭解到﹐20世紀60年代﹐美國TRW公司最先將針栓式噴注器用於“阿波羅”計劃著陸器的下降發動機上。SpaceX在成立之初挖走了TRW公司的火箭專家湯姆‧穆勒﹐藉此在火箭發動機技術上走了“捷徑”。“灰背隼”包括多種型號﹐早期“灰背隼”-1A推力僅有340千牛﹐新型“灰背隼”-1D的推力則超過900千牛﹐且能從40%到100%連續變化。

  “‘灰背隼’發動機主要在提昇推力﹑提高推重比等方面加以改進。”蔣天稱﹐其中由A型到B型改善了渦輪泵性能﹐提高了轉速和揚程﹐由B型到C型則改變了推力室冷卻方式﹐實現了再生冷卻﹐D型則將推力進一步提高並實現了大幅度連續變推力工作。

  未來“大獵鷹” 目標是火星

  為了探測月球和火星﹐SpaceX正在建造“大獵鷹”超重型火箭﹐並計劃2020年首飛﹐2023年繞月飛行﹐2024年帶人踏足火星。“大獵鷹”高118米﹐直徑9米﹐近地軌道運載能力高達150噸﹐超過了“阿波羅”計劃中使用的“土星5號”和正在研製的“空間發射系統”(SLS)﹐排名全球第一。此外﹐“大獵鷹”的兩級火箭都可實現回收並重復使用﹐是名副其實的“完全可重復使用運載火箭”。

  “大獵鷹”超大推力的實現方式與“重型獵鷹”類似﹐其一級火箭由31個新型“猛禽”(Raptor)發動機並聯而成﹐總推力高達6180萬牛。二級火箭名為“星際飛船”(Starship)﹐由6個“猛禽”發動機提供動力﹐總推力達到1200萬牛﹐它既能載人進行深空旅行﹐也能在太空中釋放探測器﹑衛星等航天器。

  既然說到“大獵鷹”﹐就不能不提“猛禽”火箭發動機。記者瞭解到﹐“猛禽”發動機以液氧甲烷為推進劑﹐單臺最大推力接近2000千牛﹐能從20%到100%連續調節。相比其他現役火箭發動機﹐“猛禽”最大的不同是採用了“全流量分級燃燒”技術。

  蔣天告訴科技日報記者﹐所謂“全流量分級燃燒”技術需要兩個預燃室﹐一個將大部分燃料和小部分氧化劑進行燃燒﹐另一個將小部分燃料和大部分氧化劑進行燃燒﹐產生的燃氣分別驅動燃料渦輪泵和氧化劑渦輪泵﹐再進入主燃燒室匯合燃燒。這種系統通過渦輪的燃氣溫度更低﹐渦輪的使用壽命更長﹐更有利於提高發動機的重復使用次數。

  “此外﹐液氧甲烷推進劑因其低結焦性能和相對較低的成本﹐常被認為適合於可重復使用火箭發動機。”蔣天介紹﹐俄羅斯在上世紀90年代也曾開展過推力在100噸和200噸量級的大推力液氧甲烷發動機研製。

  蔣天認為﹐整體上看﹐SpaceX的火箭發動機技術有一定的先進性和借鑒意義﹐特別是在可重復使用領域。另外﹐SpaceX在降低發動機質量﹑提高推重比等領域也做了很多有意義的工作。(胡定坤)

[ 責編﹕武玥彤 ]
閱讀剩餘全文(

相關閱讀

您此時的心情

新聞表情排行 /
  • 開心
     
    0
  • 難過
     
    0
  • 點讚
     
    0
  • 飄過
     
    0

視覺焦點

  • 透視中國經濟“半年考”答卷

  • 西藏紮什倫布寺舉行展佛活動

獨家策劃

推薦閱讀
一切都很普通﹐除了﹐她不是人──微軟小冰﹐永遠18歲的人工智能少女畫家。
2019-07-16 09:40
基因檢測發展初期一直被用於疾病的診斷﹐近些年的基因檢測產品也能為健康人進行不同功能的診斷﹐包括通過對比得出宗譜等帶有娛樂色彩的項目。隨著新產品的開發﹐基因檢測能夠道出的身體秘密越來越多。
2019-07-16 09:35
近日﹐在由廣東省科學技術廳﹑廣東省科學技術協會主辦的“嶺南科學論壇‧雙周創新論壇”上﹐專家學者們聚焦“科技成果轉化和職務成果所有權混改”﹐探討如何走好科技成果轉化的“最後一公里”。
2019-07-16 09:33
隨著手機的社交﹑娛樂功能越來越強大﹑多元化﹐人們愈發離不開它。手機相關的配件也逐漸發展成一條不可忽視的產業鏈。很多人不忍新手機“裸奔”﹐一到手便迫不及待地將其包裝﹑保護起來﹐如今多功能的手機膜﹑手機貼等大有市場。
2019-07-16 09:32
7月12日入伏﹐一年中最熱的一段日子來了﹗隨著天氣越來越熱﹐蚊子也越來越多。對於不少人來說﹐伏天難熬的不祗是高溫﹐還有防不勝防的蚊子叮咬。
2019-07-16 09:29
我國的監管科技在各領域業務的探索中發展。2017年5月15日﹐中國人民銀行成立了金融科技委員會﹐旨在積極利用大數據﹑人工智能﹑雲計算等技術豐富的金融監管手段﹐提昇跨行業﹑跨市場交叉性金融風險的甄別﹑防範和化解能力﹐強化監管科技應用實踐。
2019-07-16 09:29
國家“重大新藥創製”科技重大專項課題研發團隊12日對外公佈Ⅱb臨床試驗數據﹐宣佈治療系統性免疫疾病的候選新藥──RC18(泰它西普)的關鍵臨床研究階段工作已順利結束﹐預計將於今年下半年申請上市。
2019-07-16 09:28
中國工程院院士莊輝表示﹐慢性乙肝仍然是危害我國人民健康的重大傳染病﹐尚有近1000多萬慢性乙肝病人還沒有得到明確診斷和有效的抗病毒治療。
2019-07-16 09:27
近日﹐一項全自動生活垃圾分選工藝落戶內蒙古鄂爾多斯市某環保企業﹐目前已由設計階段進入中試生產。
2019-07-16 09:26
科普作家﹑環保人士馬克‧林納斯指出﹐迄今為止﹐有食用有機食品致死的例子﹐但卻沒有人因為吃了轉基因食品而死亡。
2019-07-16 09:25
據美國太空網14日報道﹐印度空間研究機構(ISRO)今天表示﹐在起飛前56分鐘﹐由於發現了一個技術故障﹐印度推遲其迄今最雄心勃勃的月球探測任務──“月船2號”(Chandrayaan-2)無人探測器的發射﹐新的發佈日期將稍後公佈。
2019-07-16 09:22
據美國太空網近日報道﹐俄羅斯航天局說﹐在發射被推遲多日後﹐俄羅斯的一枚“質子─M”火箭13日成功將“光譜-RG”太空望遠鏡送入軌道。
2019-07-16 09:22
據物理學家組織網近日報道﹐英國物理學家首次拍攝到一種量子糾纏的照片﹐捕獲到這種難以捉摸現象的視覺證據﹐最新研究有望促進量子計算等領域的發展。
2019-07-16 09:21
人類祖先和魚曾經擁有共同的睡眠模式嗎﹖根據英國《自然》雜誌日前發表的一篇論文﹐美國科學家團隊成功鑒定斑馬魚首個神經元睡眠標誌。
2019-07-16 09:21
記者15日從中核集團獲悉﹐華龍一號全球首堆示範工程再傳捷報﹐福清核電5號機組外穹頂封頂混凝土澆築圓滿完成﹐至此華龍一號全球首堆高度達到73.98米﹐成為福清核電現場“新地標”。
2019-07-16 09:20
耳聾基因領域﹐又有了最新研究成果。馮永團隊長期開展遺傳性耳聾的基因診斷和分子制研究﹐先後收集了2000多個耳聾家系﹐鑒定出20多種耳聾基因的新致病變異。
2019-07-16 09:20
記者15日從中國航天科工集團二院207所獲悉﹐該所團隊近日完成太赫茲時域光譜系統快速掃描模塊研發﹐或將使光譜掃描速度大幅提昇。
2019-07-16 09:19
從新能源車的全生命周期管理來看﹐新能源車發展的環保問題應引起重視。而一旦動力電池回收不當﹐將造成巨大的環境污染﹐這也違背使用新能源汽車緩解環境問題的初衷。除了環境污染隱患﹐動力電池回收不當還會造成能源浪費﹐以及巨額經濟損失。
2019-07-15 10:07
Bogdanovic團隊的研究始于DNA“讀取”──他們著手對胚胎發育過程中表觀遺傳變化的保持進行了研究﹐這些表觀遺傳變化控制了DNA“讀取”方式。在這項研究中﹐Bogdanovic團隊還發現斑馬魚的原始生殖細胞也不會重置它們的甲基化模式﹐而是繼承了父親的DNA甲基化模式。
2019-07-15 10:03
近日發表在《科學》上的一篇報告揭示了海馬體是如何學習﹐並將某些經歷連接到記憶中的。研究結果表明﹐在處於休息狀態的海馬體中﹐重復任務和決策序列有助於訓練大腦皮層在未來更好地解決類似任務。
2019-07-15 10:02
加載更多