猎鹰九号成功回收给航天界的启示

  次阅读 作者:智能小宝 来源:互联网 2015-12-24 07:24 我要评论(0)

出品:科普中国

制作:中国科学院国家天文台 郑永春

监制:中国科学院计算机网络信息中心

航天发展的瓶颈在运载火箭,如何把一大堆很重的物体送入太空,一直是制约人类太空探索的难点。在大多数人的概念中,火箭就应该是一次性产品,点火之后一飞冲天,把航天器(卫星或飞船)送入预定轨道,火箭的使命就完成了。

然而,就在昨天,SpaceX成功实现猎鹰九号火箭回收,说明火箭重复利用的时代就要带来了,这一消息在朋友圈快速传播。

猎鹰九号成功回收给航天界的启示

那么,SpaceX是如何实现火箭回收的呢?对未来的航天格局会有什么影响?又能对中国航天界带来什么启示?

在喧闹的背后,需要我们逐一冷静分析。

连战连败,终获成功

在猎鹰九号的第一级火箭实现成功回收之前,是一连串的失败。

2015年1月10日,猎鹰九号在执行CRS-5发射任务时测试火箭回收技术。第一级火箭在发射后,落向大西洋上一艘驳船改装的着陆平台,虽然准确地命中目标,但由于下降速度过快,导致火箭在甲板上发生爆炸。

2月12日,猎鹰九号在为美国国家海洋和大气管理局发射深空气候观测站(DSCOVER)卫星时再次测试火箭回收技术。由于当时海上风浪很大,驳船被迫撤回,火箭虽然在海面上成功软着陆,但最终落入水中。

4月14日,猎鹰九号在执行CRS-6发射任务时再次测试火箭回收技术。虽然一级火箭准确着陆在驳船甲板上,但由于横向速度过大,火箭未能在甲板上稳稳站立,最终导致倾覆爆炸。

6月28日,猎鹰九号第三次尝试海上回收火箭。但这次更长,遭遇到了发射失败,火箭以及给国际空间站运货的飞船,统统在高空解体。

连战连败,SpaceX开始闭门思过,认真检查每一个环节,改进设计方案。他们改进了发动机引擎和火箭的多级分离系统,并调整了燃料配方。

在此期间,美国另一家民营航天企业蓝色起源公司的新谢泼德火箭实现了回收。虽然,新谢泼德火箭只是一枚探空火箭,只是在地球大气层内的亚轨道飞行,并没有飞出地球大气层,也没有发射航天器的能力,只适用于开展商业太空旅游体验。但相关舆论给了SpaceX很大的压力。

闭关半年之后的12月22日,赶在圣诞节这一西方人最重要的节日之前。SpaceX再次测试火箭回收技术,终获成功。

猎鹰九号成功回收给航天界的启示

这是猎鹰九号的第20次飞行,也是设计方案升级后的第一次飞行。经历了重重失败之后,所有人终于可以安心回家过新年了。

火箭成功发射,起飞后1分13秒,推进达到1马赫;

1分24秒,火箭达到最大动压;

2分20秒,火箭第一级关机;

2分24秒,火箭多级分离;

2分35秒,第二级火箭点火;

2分55秒,火箭整流罩分离;

4分钟左右,第一级火箭返回飞行点火;

8分钟左右,第一级火箭再次点火,火箭再入地球大气层;

9分40秒,第一级火箭稳稳站立在发射场附近的陆上着陆平台,火箭回收成功。

可回收火箭究竟难在何处

可回收火箭究竟难在何处?

难就难在十分复杂的电子系统上。电子系统是火箭的大脑,由遍布箭体的各种传感器获取火箭飞行的各种参数,然后通过信息汇总、计算,及时调整飞行方案,这一过程类似大脑的思考和决策过程。通过各种控制部件,执行指令,这一过程类似大脑控制我们身体上的各种运动器官。

猎鹰九号火箭实现成功回收,足以证明该型火箭的电子系统十分强大。

猎鹰九号的第一级火箭共有九台发动机,发射的时候九台发动机一起点火,用大推力使火箭摆脱地球引力升空。而在回收着陆的时候,猎鹰九号关闭其中的六台发动机,只剩三台继续工作。而且,这剩下的三台发动机的推力是精确可调的,这样才能使庞大身躯的火箭在刚刚着地时的速度基本为零,平稳地降落在平台上。

猎鹰火箭要实现平稳着陆,成功回收,可以调节推力的火箭发动机是成功的关键。要实现发动机推力可调,就需要改变燃烧室、燃料泵等的设计,实时调节发动机内部的温度和压力,并调节燃料的流量。这种大推力的可调发动机既要用于火箭发射阶段,又要用于回收时的减速反推。相当于一个人既要获得世界举重冠军,又要能干十分灵巧的绣花针,实际上是一件很难的事情。

一旦实现发动机推力可调,就可以实现火箭的定时、定点入轨,相当于给火箭安装了油门,可以实现与其他航天器的快速交会对接。

新一代运载火箭究竟新在何处

随着航天运输的需求越来越多样化,传统的运载火箭已经到了不得不更新换代的阶段。当前,世界各航天大国正在致力于研发新一代运载火箭,将采用大量的新技术和新材料,实现降低成本、提高可能性、满足多样化需求的目标。

那么,所谓新一代火箭,究竟新在何处?

纵观世界各航天大国,俄罗斯正在致力于研制安加拉系列火箭(Angara),这是一个全新的火箭家族,由俄罗斯联合火箭航天集团公司研发。通过捆绑式的多个通用火箭模块,安加拉火箭可以根据需要组合出不同推力的火箭,火箭推力从2吨到75吨不等,可以适应不同运载重量的航天发射需要。安加拉系列火箭研发成功后,将取代现在的虎啸号火箭和质子号火箭,成为未来俄罗斯航天运输的主力。2014年12月23号,“安加拉-A5”型火箭在普列谢茨克发射,迈出了成功的一步。

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