SpaceX公司的草蜢火箭实现平稳滞空和返回地面是技术突破吗

2019-11-07 01:50:15

2013年10月7日，SpaceX公司的垂直起降火箭-蚱蜢火箭，实现了744m的飞行试验。SpaceX公司绝对是航天界的一个异类，这样的公司一方面几乎只可能在美国这种市场极其成熟的商业社会中才可能出现和生存；另一方面，也正是美国人让非常www qq2138.com钦佩的一点，就是他们真的可以配得上“敢想敢干”这四个字。SpaceX公司的使命非常明确，那就是降低航天的成本，使其实现商业化运营。大家都知道，从人类开始真正玩航天开始，航天这种事绝对是大国才能玩得起和可能玩的高级玩具，因为航天的消耗实在太巨大了。当年美国倾全国之力登月，前苏联的航天计划同样也耗费极大，这么烧钱的事，同时风险还很大，所以商业资本很难也没有兴趣参与其中。随着技术的成熟和进步，一些人看到了航天发射技术商用化的可能性。SpaceX公司希望发明一种能够重复使用的火箭，从而大大降低航天发射的成本，这就是蚱蜢火箭的目标。学过一点物理的人都知道，要能够进入地球轨道，需要达到第一宇宙速度，也就是7.9km/s。为了使航天器达到这一速度，齐奥尔科夫斯基证明了，由于地球上目前可用燃料的比冲不够，必须采用扔包袱的办法，不断将无用的负重扔掉，从而获得足够的加速度。基于这一原理，人们设计了多级火箭，目前近地轨道使用两级火箭即可，地球静止轨道一般都需要使用三级火箭。蚱蜢火箭的目标是使得第一级火箭能够重复使用，这样做一方面是因为第一级火箭的推力最大，自然造价最为昂贵，成本最高，重复使用的经济价值最大；另一方面，在技术上，要使整个多级火箭都完全能够重复使用，难度极大，即使实现了，也很有可能是得不偿失的。根据SpaceX公司的阐述，多数火箭都设计为当再入大气层时烧毁，不能重复使用，而SpaceX的目标不仅是能够安全的再入大气层，而且能够垂直返回发射平台。蚱蜢火箭就是实现垂直起降（VTVL[VerticalTakeoffVerticalLanding]）的关键一环。”Whilemostrocketsaredesignedtoburnuponatmospherereentry,SpaceXrocketsarebeingdesignednotonlytowithstandreentry,butalsotoreturntothelaunchpadforaverticallanding,"蚱蜢火箭的第一级与Falcon9火箭相同，有10层楼高，Falcon9火箭被用于将“龙”货运飞船发射到国际空间站。总的来讲，SpaceX按照预定计划，一步步的取得了进步。从最初的2.5m，从2012年到2013年，先后通过7次试验，逐步将垂直起降高度提高到到目前的744m。按照计划，试验台测试将结束，下一步将在德克萨斯进行可重复使用的Falcon9（F9R）火箭的低空测试，然后将在新墨西哥进行高空测试。要实现蚱蜢火箭的垂直起降，首先是火箭发动机的再次点火技术，如果发动机不能灵活的控制推力，甚至是多次重复点火，自然就不能实现所谓的可重复使用。人类已经使用的火箭，特别是固体火箭，都是设计为一次点火的；液体火箭可以多次点火，但是技术难度仍然非常大，原因是在承受过极高温和巨大的震动后要确保所有的设备都正常工作，非常不易。历史上，也有一些航天发射因为火箭二次点火不成功而造成任务失败。据SpacesX公司的网站描述，在Falcon9火箭最近的多次飞行中，已经实现了第一级火箭两台发动机的重新点火，而且第一级火箭的部分设备在重新再入大气层后已经实现了重复使用。在这方面，SpaceX实现的进步还是相当巨大的。其次就是控制技术，灵活控制火箭这样形状的物体非常困难（蚱蜢火箭10层楼高），打个比方，拿个长一点的木棍，用手指顶着，试试看你能坚持多长时间不倒？经过严格训练的杂技演员当然可以做的很好了，那么，上面再叠加一根木棍，人类就很难做到了，因为任簑ww qq2138.com坏闳哦蓟崞苹嫡飧鱿低车奈榷ㄐ浴６嗉痘鸺目刂朴胝飧隼永嗨疲裕獾比皇欠浅Ｄ训摹５怯捎诿拦群教齑蠊缫颜莆樟丝刂萍际酰乇鹗鞘噶颗绻艿燃际醯挠τ茫鸺目刂埔丫浅３墒欤詗ww qq2138.com认为在这一点上，蚱蜢火箭的技术进步很大，但还不能说是划时代的进步。事实上，美国人搞航天飞机也是希望降低发射成本，尽可能重复使用火箭，但是由于当年美国国会的预算不够，所以只实现了航天飞机的重复使用和助推器的可回收，燃料储箱并不能回收；实际使用结果表明，航天飞机在技术上是人类的巨大进步，只有用航天飞机才可能建成国际空间站这样的巨无霸，但是从经济上讲，航天飞机每次返航后都要重新检查隔热瓦，经过很长时间才能再次使用，而且非常容易发生事故。这一点已经早已不是原来预计的可重复使用的本意，并且总的发射成本比俄罗斯和中国的飞船设计方案高太多。－－－－补充回答－－－－从技术上讲，一级火箭的回收是最容易的；二级火箭由于轨道高度已经很高，与大气层剧烈摩擦，一般都会烧毁，残骸将落至地面，回收难度较大；三级火箭轨道已经相当高，与卫星分离后，本质上已经称为一个轨道器，需要较长时间的轨道衰减才能逐渐坠落。从经济上分析，第三级或者说末级火箭由于安装了大量的火箭控制设备，所以造假是最昂贵的，如果能够回收，经济价值也最大。中国的火箭发展计划是实现一级可控，也就是不要砸着地面的人员密集区域；二级就不管了，烧毁拉倒；造价最高的三级火箭要安全回收，重复使用。SpaceX公司的长远计划是实现火箭各部分都能完全回收，而且要垂直起降，这样的技术目标当然是雄心壮志，但是难度真的很大。个人认为中国的计划反而更具有可行性和经济价值。此外，欧洲正在研制的空天飞机，技术路线与SpaceX公司的计划完全不同，这一计划最主要的特点是在低层大气时能够使用大气中的氧气而不是自带氧化剂，速度超过5马赫后再切换为火箭模式。－－－－－－－－－－－希望SpaceX的可重复火箭能够避免上述的类似问题，实现各级火箭真正的可重复使用，并且具有经济上的可行性，如果上述目标都实现了，那绝对是划时代的进步，现在还只走了第一步，谈不到划时代。－－－－－20131103-－－－－－－－－－－－－感谢@许铖的提醒，原文中关于航天飞机写成燃料储箱可以回收重复使用是不正确的。查证后，航天飞机的助推火箭可以回收，但是燃料储箱（就是橙色的的那个大罐子）是不能回收的。根据设计方案，储箱与航天飞机分离后将破裂以便防止影响航空安全。航天飞机外储箱从STS-124任务中与发现号航天飞机分离。（来自维基百科）航天飞机的两个固体助推器是可以回收的，请参看视频：回收航天飞机固态助推器大概的回收过程是：助推火箭落到海里，垂直漂浮，大部分浸没在海水中；派出潜水员，用一个专用的设备给助推器充气，这样整个助推器都可以浮在海面上；用驳船将助推火箭打捞起来。www qq2138.com国运载火箭由于都在大陆发射场发射，距离大海太远。比如从酒泉发射的话，一级火箭的落点在陕西榆林附近，西昌发射的话，一级落点一般在贵州仁怀市附近，所以肯定无法采用这样的方式回收。

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