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          “星艦”二射又炸了,用你家保溫杯的不銹鋼造“獨(dú)木舟”能送你去火星?

          2023-11-19 17:02:44來源:
          導(dǎo)讀原標(biāo)題:“星艦”二射又炸了,用你家保溫杯的不銹鋼造“獨(dú)木舟”能送你去火星?據(jù)環(huán)球網(wǎng)報(bào)道,北京時(shí)間11月18日晚21時(shí)左右,美國(guó)SpaceX(太...

          原標(biāo)題:“星艦”二射又炸了,用你家保溫杯的不銹鋼造“獨(dú)木舟”能送你去火星?

          據(jù)環(huán)球網(wǎng)報(bào)道,北京時(shí)間11月18日晚21時(shí)左右,美國(guó)SpaceX(太空探索)公司的“星艦”超重型火箭點(diǎn)火升空,進(jìn)行第二次入軌級(jí)測(cè)試飛行。本次試飛計(jì)劃飛行90分鐘,“星艦”飛船首次到達(dá)了太空,但發(fā)射約10分鐘后失去了聯(lián)系,其自毀系統(tǒng)被迫觸發(fā),試飛被宣布失敗。據(jù)CNN報(bào)道,這次比今年4月嘗試時(shí)走得更遠(yuǎn),但不幸的是,依然沒有完成所有預(yù)定計(jì)劃,最終還是再次爆炸。4月20日,“星艦”的首次入軌級(jí)試飛中持續(xù)了3分59秒,最高飛到了39公里,但一二級(jí)未能分離,并很快失控翻滾,在地面發(fā)出自毀指令40秒后解體爆炸。自4月份首飛以來,SpaceX對(duì)星艦進(jìn)行了1000多次修改,包括用更穩(wěn)定的發(fā)動(dòng)機(jī),加固了發(fā)射臺(tái),升級(jí)了自毀裝置,還把一二級(jí)分離從冷分離改為熱分離。

          4月20日,“星艦”首次軌道級(jí)測(cè)試飛行任務(wù)。圖源:視覺中國(guó)

          在劉慈欣科幻巨作《三體》中,當(dāng)今人類擁有的化學(xué)能火箭飛向深空被形容為“劃著獨(dú)木舟橫跨大洋”,是“癡人說夢(mèng)”。為使未來航天走“可控核聚變無工質(zhì)推進(jìn)”之路,主角之一章北海不惜采取行動(dòng)制造意外,推動(dòng)了恒星級(jí)戰(zhàn)艦的誕生。這些星艦在三體文明入侵的生死關(guān)頭飛向遙遠(yuǎn)外星系,成為“星艦文明”,為地球文明保留了火種。

          真實(shí)世界里的伊隆·馬斯克,就像是劃著獨(dú)木舟橫跨大洋的“癡人”。他要把化學(xué)能火箭的潛力壓榨到極致,他邀請(qǐng)全世界仰望星空之人和他一起大夢(mèng)一場(chǎng),想把人類歷史快進(jìn)到火星這一集。

          2014年5月29日,馬斯克在位于加州霍索恩的SpaceX總部。圖源:視覺中國(guó)

          而他用以實(shí)現(xiàn)“癡人夢(mèng)”的“獨(dú)木舟”,被冠以“星艦”之名——在科幻世界里,這通常指穿梭于恒星系之間的飛船,是未來超級(jí)星際文明的標(biāo)志。

          這枚大火箭,頂著極度高大上的名字和目標(biāo),所用的材料和燃料卻極度接地氣——箭體是你手里的保溫杯、你家高壓鍋的304不銹鋼造的,所燒的“油”是你家煤氣灶每天在燒的甲烷

          不銹鋼造的火箭真的能為地球人叩開通向月球和火星的“星際之門”嗎?潮新聞邀請(qǐng)國(guó)際宇航聯(lián)空間運(yùn)輸委員會(huì)副楊宇光為你做一番科普。

          4月10日,美國(guó)得克薩斯州博卡奇卡,星艦在發(fā)射臺(tái)上。圖源:視覺中國(guó)

          不銹鋼造大火箭,可不單純是“傻大黑粗”

          “不銹鋼最大的缺點(diǎn)就一個(gè)字:重。但優(yōu)點(diǎn)有很多,強(qiáng)度高,耐高溫耐低溫,而且極其便宜?!睏钣罟庹f。

          根據(jù)測(cè)算,再入大氣層時(shí)星艦二子級(jí)表面有20%暴露在1470多℃高溫下,還有20%最高溫是1300多℃,其余表面最高溫低于1176℃,堪稱“鬼門關(guān)”,必須采取足夠的隔熱措施。304不銹鋼熔點(diǎn)在1398-1454℃,比目前任何主流的箭體材料都要耐高溫,“星艦”還有1.5萬多塊隔熱瓦,能經(jīng)受18℃高溫,而不銹鋼也可以扛一扛。馬斯克本來想在“星艦”二子級(jí)上用碳纖維,但是碳纖維抗高溫不行,就大膽改成了不銹鋼。

          太空里更多是極寒的環(huán)境,不銹鋼即使在零下160℃也能保持足夠的延展性和強(qiáng)度,在平均溫度零下63℃的火星表面就能游刃有余。更神奇的是,不銹鋼在低溫條件下強(qiáng)度會(huì)提高50%,甚至高于鋁鋰合金,添加鉻鎳的不銹鋼還會(huì)增加12-18%的延展性,比碳纖維還堅(jiān)固

          然后就是廉價(jià),不銹鋼簡(jiǎn)直太便宜了。304不銹鋼在我們生活中很常見,家里的高壓鍋、保溫杯、櫥柜……隨處可見。

          2020年10月29日,金華哈爾斯工廠的工人在檢驗(yàn)產(chǎn)出的不銹鋼真空器皿。圖源:視覺中國(guó)

          在馬斯克最關(guān)心的價(jià)格方面,他算過一筆賬——用碳纖維造火箭,每公斤成本超過135美元,同時(shí)碳纖維有35%的損耗,總體算起來每公斤要花200美元;用鋁合金也要每公斤三四十美元;用301不銹鋼薄板造同樣的火箭,每公斤才3美元!

          這還沒完,碳纖維制造工藝復(fù)雜,技術(shù)人員每小時(shí)工資得250美元,而焊接不銹鋼板的普通焊工每小時(shí)工資不到50美元。馬斯克曾說,NASA的SLS重型火箭花費(fèi)的錢,夠“星艦”炸100次。

          “不過,太重的確是個(gè)很大缺陷,因?yàn)楹娇蘸教觳牧隙甲非笠粋€(gè)‘輕’字,為減重的每一克奮斗?!睏钣罟饨榻B,“箭體太重,推力又不變,有效載荷就小了,所能帶的燃料和貨物就少了?!?/p>

          因此,想要采用不銹鋼當(dāng)箭體材料,必須有前提條件?!鞍l(fā)動(dòng)機(jī)必須足夠優(yōu)秀?!桥灐摹颓軮I’全流量分級(jí)燃燒循環(huán)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī),做得個(gè)子又小、推力又大、比沖又高,這些優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了不銹鋼在重量上帶來的損失?!睏钣罟庹f。

          另外一點(diǎn),如果火箭做得特別大,也可以部分彌補(bǔ)不銹鋼太重的缺點(diǎn)。換言之,就主打一個(gè)“大力出奇跡”,這也正是“星艦”的設(shè)計(jì)思路。

          不過楊宇光強(qiáng)調(diào),我們不能單純以為“星艦”就是“傻大黑粗”,其實(shí)“星艦”的不銹鋼箭體非常有技術(shù)含量,“它做得非常薄,又大又薄又耐壓,背后的材料技術(shù)和加工水平都非常高”。

          4月20日“星艦”的首次發(fā)射雖然失敗了,但在天上翻滾了好久才解體,恰恰說明其不銹鋼箭體的強(qiáng)度相當(dāng)之大。

          上圖為N1火箭第一級(jí)的30臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī),下圖為“星艦”第一級(jí)的33臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。圖源:視覺中國(guó)

          選擇蘇聯(lián)登月火箭一個(gè)路數(shù),會(huì)不會(huì)重蹈覆轍?

          自從2016年“星艦”計(jì)劃披露以來,坊間便稱呼其為“史上最強(qiáng)大火箭”。它的5000噸起飛重量,大大超越了前世界冠軍美國(guó)登月火箭“土星五號(hào)”的3039噸,它的7590噸起飛推力也大大超越了前世界冠軍蘇聯(lián)登月火箭N1的4620噸。

          尤其有話題性的是,“星艦”一級(jí)大膽采用33臺(tái)并聯(lián)發(fā)動(dòng)機(jī),密密麻麻簡(jiǎn)直能引發(fā)有些人的“密集恐懼癥”。這被外界認(rèn)為是延續(xù)了半個(gè)世紀(jì)前N1的一級(jí)30臺(tái)并聯(lián)的思路。

          N1可不是一個(gè)成功的榜樣,從1969年2月到1972年11月,N1火箭四射四炸黯然退場(chǎng),最終蘇聯(lián)在登月競(jìng)賽中落敗?!靶桥灐笔咨湟舱?,火箭也同樣失控了,不由讓人懷疑這種用數(shù)十臺(tái)并聯(lián)的技術(shù)方案有沒有前途。

          事實(shí)上,蘇聯(lián)給登月火箭裝這么多發(fā)動(dòng)機(jī)是出于無奈?!巴列俏逄?hào)”采用的F1液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī),單臺(tái)推力高達(dá)680噸,一級(jí)只需要5臺(tái)就能發(fā)出3400噸推力。而當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)造不出那么強(qiáng)力的發(fā)動(dòng)機(jī),其NK-15發(fā)動(dòng)機(jī)推力僅有154噸,為獲得4000多噸推力只得采取30臺(tái)并聯(lián)。

          蘇聯(lián)N1登月火箭。

          與蘇聯(lián)航天部門的處境類似,SpaceX設(shè)計(jì)“星艦”時(shí),現(xiàn)有的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)推力不足,230噸推力的“猛禽II”已是全球現(xiàn)役最強(qiáng)了。

          楊宇光告訴潮新聞?dòng)浾?,SpaceX同樣選擇多臺(tái)并聯(lián),在一個(gè)箭體里塞進(jìn)這么多發(fā)動(dòng)機(jī),就不能像長(zhǎng)征五號(hào)、“重型獵鷹”那樣捆綁幾個(gè)助推器,還有個(gè)重要原因,就是為了重復(fù)使用。

          “馬斯克說過,無論多大的火箭,需要的控制系統(tǒng)都差不多,所以火箭越大性價(jià)比越高。一個(gè)第一級(jí)加上兩個(gè)助推器,要回收三個(gè)箭體,這樣成本比用一個(gè)大火箭高多了,過程也復(fù)雜多了,越復(fù)雜可靠性就越差?!睏钣罟饨忉屨f。

          然而,“水多加面、面多加水”的邏輯并不完全適用于造火箭。

          “火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境遠(yuǎn)比汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)更惡劣,一樣重量的發(fā)動(dòng)機(jī),火箭推力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后兩者。這就不可避免地因?yàn)閯×胰紵a(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng),出現(xiàn)耦合共振現(xiàn)象?!睏钣罟庹f。

          如果幾十臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)裝在不同箭體上,比方說“重型獵鷹”也有27臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī),但它是分散在三個(gè)箭體上,每個(gè)箭體上也就9臺(tái),再通過級(jí)間連接裝置連在一起,耦合共振沒那么嚴(yán)重。“但如果幾十臺(tái)裝在同一個(gè)箭體上,耦合就厲害得多。共振不單影響發(fā)動(dòng)機(jī),從儲(chǔ)箱到管路到閥門都有影響?!睏钣罟夥治龅?,N1的幾次失敗主要不是發(fā)動(dòng)機(jī)出故障,而是共振導(dǎo)致管路破裂或閥門壞了。“星艦”4月首射時(shí)箭體冒出大量白霧,也可能是管路被震壞導(dǎo)致液氧泄露。

          星艦首飛時(shí)冒出白煙。圖源:視覺中國(guó)

          但這不意味著“星艦”一定就會(huì)步N1的后塵?!皶r(shí)代畢竟不同了,當(dāng)前計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力、動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)分析與控制方面的認(rèn)知是半個(gè)世紀(jì)前沒法比的?!睏钣罟馀e例說,波音公司能做到設(shè)計(jì)飛機(jī)時(shí)都不用做風(fēng)洞試驗(yàn),完全靠數(shù)字模擬就做到很準(zhǔn)。在他看來,從理論上來說,多發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)的問題可以解決。

          在首發(fā)失敗后,SpaceX采取了很多改進(jìn)措施,包括噴管擺動(dòng)從液壓改成了電動(dòng),因?yàn)橐簤菏軇?dòng)力學(xué)影響更大;發(fā)動(dòng)機(jī)之間加了好多隔板,以隔離相互影響;還有計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬?!暗羞@些都代替不了地面試車。‘土星五號(hào)’即便只有5臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī),都做了全尺寸試車臺(tái)進(jìn)行地面試驗(yàn),發(fā)射時(shí)依然出現(xiàn)了耦合共振?!?/p>

          而馬斯克為了省錢,沒有建全尺寸地面試車臺(tái),“星艦”的試車也無法達(dá)到滿功率,只有50%推力。因此問題在理論上能解決,在現(xiàn)實(shí)中能否過關(guān),還很難講。

          1983年4月5日,美國(guó)第二架“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)首航成功,這是其在發(fā)射前夕。圖源:視覺中國(guó)

          普通人坐“星艦”上天,在可預(yù)見的未來還沒戲

          在SpaceX的“星艦”藍(lán)圖里,未來將完全回收一二級(jí),同時(shí)每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)理論上可復(fù)用50次。最終目標(biāo)是發(fā)射成本只剩下燃料、測(cè)控維修等雜費(fèi),將每公斤載荷發(fā)射成本降到10美元的極低水平,讓普通人都能圓太空夢(mèng)。目前我們距離這一步還有多遠(yuǎn)?

          楊宇光坦言:前景不明朗。他舉了航天飛機(jī)的例子,來證明“理想豐滿,現(xiàn)實(shí)骨感”。

          “航天飛機(jī)就是入軌級(jí)可重復(fù)使用,但為此付出了極大的代價(jià)。”據(jù)楊宇光介紹,航天飛機(jī)全系統(tǒng)起飛重量達(dá)2000多噸,如果是常規(guī)構(gòu)型的運(yùn)載火箭,低軌運(yùn)力至少能有六七十噸,但是航天飛機(jī)的運(yùn)力只有29噸。付出那么多代價(jià),第一是為了能載人,第二是為了能回來,能重復(fù)使用。

          為了復(fù)用,航天飛機(jī)不僅運(yùn)力損失了一多半,每次回來還都要做非常復(fù)雜的檢修,它的每塊隔熱瓦形狀都不同,難以標(biāo)準(zhǔn)化量產(chǎn)。“星艦”好一點(diǎn),大多數(shù)防熱瓦形狀是一樣的,但靠近頂部以及升降翼面的防熱瓦也不一樣,要更換這些必然帶來時(shí)間和人才成本?!耙?yàn)榧夹g(shù)過于激進(jìn),首先能不能成功還要打個(gè)問號(hào);即便完全復(fù)用在實(shí)踐中成功了,最終是不是省錢也不好說。”

          尤其是未來“星艦”要計(jì)劃載人飛行,安全將會(huì)是更大的難關(guān)。航天飛機(jī)只是載7個(gè)人,在135次飛行中就炸了兩次(1986年的“挑戰(zhàn)者”號(hào)和2003年的“哥倫比亞”號(hào)),共有14名航天員遇難。“星艦”一方面要極致地壓縮成本,另一方面要一次運(yùn)載100人,萬一發(fā)生一次嚴(yán)重,基本可以肯定這100人都無法生還,這對(duì)于“星艦”計(jì)劃帶來的沖擊是難以想象的。

          2021年5月2日,載人“龍”飛船從國(guó)際空間站返回地球,濺落在墨西哥灣。圖源:視覺中國(guó)

          載人航天的安全要求有多嚴(yán)格?楊宇光舉了個(gè)例子:SpaceX本想在載人“龍”飛船上使用火箭反推著陸,但被NASA和FAA(美國(guó)聯(lián)邦航空管理局)給否決了,還是擔(dān)心反推太不安全,要求SpaceX改回降落傘減速著陸。

          “‘龍’飛船外形非常短粗,其8臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)只要4臺(tái)工作就能著陸,就這樣美國(guó)官方都不允許?!桥灐蛹?jí)可比‘龍’飛船要細(xì)長(zhǎng)得多,稍微一歪就可能倒、可能炸,風(fēng)險(xiǎn)太大,至今只成功回收過一次。不載人也就算了,載人的話,官方怎么可能開綠燈?”

          楊宇光提醒說,“星艦”載人的二子級(jí)要想重復(fù)使用,其唯一的著陸方式就是火箭反推,因?yàn)槠淇罩剡_(dá)120噸,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了降落傘的承重極限。

          如果管理部門不允許,那么“星艦”載人飛行也只是空中樓閣,且不說登陸和火星,就算載客從紐約到上海都不可能實(shí)現(xiàn)。

          4月15日的星艦。圖源:視覺中國(guó)

          “星艦”更擅長(zhǎng)繞著地球轉(zhuǎn),而不是飛向月球火星

          楊宇光進(jìn)一步指出,“星艦”事實(shí)上不太適合送人送貨月球、火星,最適合它的工作是繞著地球轉(zhuǎn),比如發(fā)射衛(wèi)星到近地軌道。

          “因?yàn)榘l(fā)射深空載荷需要更高的速度,只有級(jí)數(shù)多,速度才能加上去。比如‘土星五號(hào)’是火箭,N1更達(dá)到了五級(jí);再比如,發(fā)射‘天問一號(hào)’火星探測(cè)器的長(zhǎng)征五號(hào)基本型是兩級(jí)半,專門發(fā)射空間站的長(zhǎng)征五號(hào)B就是一級(jí)半?!睏钣罟庹J(rèn)為,“星艦”為了百分百可重復(fù)使用,選擇了兩極構(gòu)型,對(duì)于近地軌道是合算的、高效的,但對(duì)于深空運(yùn)輸來說效率卻是極低的。

          所以,“‘星艦’是人類有史以來最強(qiáng)大的火箭”這個(gè)說法在他看來是有問題的。“你說它是最大最重的火箭那沒有問題,近地軌道運(yùn)力250噸它絕對(duì)是最大的,但如果是奔月軌道,‘星艦’不在軌補(bǔ)充推進(jìn)劑的話,恐怕不如‘土星五號(hào)’?!?/p>

          據(jù)楊宇光透露,根據(jù)SpaceX的計(jì)劃,“星艦”從地球去火星,要先在近地軌道加注液氧甲烷推進(jìn)劑多達(dá)5次;如果是去月球,更是要補(bǔ)8-10次,因?yàn)槿ピ虑蛐枰乃俣仍隽扛?。用來給“星艦”加油的“太空加油機(jī)”每天只有1-2次發(fā)射窗口及1-2次返回窗口,整個(gè)系統(tǒng)和任務(wù)搞得過于復(fù)雜,其成本和故障率都會(huì)指數(shù)式上升。

          “還有難題:液氧甲烷如何在軌長(zhǎng)期儲(chǔ)存?雖然這比液氫容易很多,但是人類還沒有做到過,迄今液氧在外太空儲(chǔ)存還沒有超過一天的。”楊宇光分析說,同樣是在太空里,近地軌道的航天器能得到強(qiáng)大地球磁場(chǎng)的保護(hù),而深空環(huán)境要惡劣得多,飛向深空時(shí)“星艦”肚子里大量易燃易爆的燃料會(huì)不會(huì)出狀況,誰都沒法打包票。

          這場(chǎng)邁向“星辰大?!钡倪h(yuǎn)征,再壯麗再浪漫,人類也只能一步一個(gè)腳印,摸索著艱難前行。

          (來源:潮新聞)

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