SpaceX给航天界的启示
2015/12/23 17:18:23 中国科普博览
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。
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？
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。
美国正在研发的新一代重型运载火箭“太空发射系统”(Space Launch System)，号称是人类历史上最强大的运载火箭系统，巨型发动机的长度达54米，运载能力超过130吨，在未来的载人登陆火星和载人深空探索中将发挥关键作用。2015年3月11日，“太空发射系统”进行了试验性发射，整个过程非常成功。根据规划，“太空发射系统”火箭的首次正式发射将于2017年进行。
欧洲致力于研发新的阿丽亚娜6型火箭(Ariane 6)，以取代现有的阿丽亚娜5型火箭，计划于2020年进行首次发射，2021年发射次数增加到4次，2023年开始年发射次数增加到11次。
日本在H-IIA运载火箭成功率大大提高之后，正在研制H-X新一代火箭，该火箭的第一级和第二级将使用液氢液氧作为燃料的火箭发动机，并研制固体燃料助推器，通过采用前沿技术，实现航天运输的低成本和高可靠。
与上述政府支持的重型运载火箭相比，SpaceX作为一家民营航天企业，成功地改变了航天高大上的特点，大大降低了进入太空的成本，使航天越来越平民化，越来越多的普通人都可以接触到航天，这给传统航天业带来的改变一定是颠覆性的。
SpaceX的成功对航天业有何影响
虽然火箭可回收，与汽车可加油还是有相当差异的。毕竟那么庞大的一个物体经过了高速飞行，经历了高温燃烧，有些部件是无法重复利用的。但确确实实可以大幅度地降低成本，至少价值数百万、上千万美元的发动机不再是一次性的，可以回收再次利用。
猎鹰九号火箭的标准发射费用为5400万美元，而中国的长征三号乙火箭在海外报价的发射费用也在6000万美元以上，所以即便不回收，猎鹰九号也已经成为世界上最便宜的发射工具。
这次，猎鹰九号的成功回收更是让很多外行人感叹，廉价航天时代即将来临。
记得前段时间猎鹰火箭连连失败的时候，航天界有人嘲笑马斯克，说航天是需要积累的，不是谁都能搞的。现在，猎鹰九号的成功回收是对这些嘲讽最好的回应。
SpaceX的成功不仅在于技术的先进性，更在于采用了不同于传统航天业的商业化运作模式。传统航天业往往采用研发模式，每一枚火箭都需要设计、生产、测试等等，不仅环节复杂，而且大大增加了生产周期和生产成本，浪费了大量的人力物力。而且，每一次设计都会有新的风险，导致可靠性不够稳定。
SpaceX由于采用了商业化发展的方式，所有的软硬件均在它的控制范围内，不存在外包环节，所以造火箭和飞船就类似于我们造洗衣机和冰箱，全程质量可控。他们在航天领域率先实践流水线化的生产模式，只要一次成功，便可以次次成功，并通过大规模生产，大幅度降低生产成本。虽然也会存在一定的故障率和次品率，但不存在重新研发的风险。
SpaceX作为一家民营航天企业，十分注重成本和质量控制。由于采用了商业化模式，很多产品都会尽量按照批次生产和采购，也都会尽可能地回收利用。之前的每一次失败，实际上都是在进行相关的技术测试，然后改进方案，并非我们想象的是在烧钱。
而反观传统航天业，一直给人一种神秘的感觉，虽然顶着高大上的光环，但其内部照样会面临很多体制机制问题，阻碍技术创新。由于缺少外部竞争，问题逐渐积累，改革十分艰难。这也是美国政府不遗余力扶持民营航天的原因之一，他们要给自己扶持竞争对手，让外部压力增大，才能触动内部僵化的利益格局。
独立自主、自力更生的中国航天领域一直是我们的骄傲，但这种骄傲更多局限在国土之内，航天发展在对国民经济推动方面还有很大的潜力可挖。中国的高铁和核电，已经大踏步走出国门，成为中国走向世界的名片。用中国人的智慧，挣全世界的钱。在这一点上，中国航天界还有很长的路要走。在某种程度上，航天要向高铁和核电学习，只有大进大出，充分开放和竞争，经历市场风雨的洗礼，才能成长为参天大树。
乔布斯一个人和他领导研发的智能手机，使手机从单纯的通信工具变成了一台微型电脑，成为了个人生活和娱乐中心，更颠覆了传统手机行业的格局。马斯克一个人和他领导研发的可回收火箭，对航天业的影响还远远没有发挥出来，或许也将改变整个航天业的发展格局。这一点，需要中国航天界引起足够的重视。
“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。
本文由科普中国移动端出品，转载请注明出处。
欢迎大家向博览君推荐文章哦!~
“推荐文章”、“意见反馈”或“合作事宜”请直接在公众号内留言，博览君会第一时间回复!
请扫码关注中国科普博览微信号
(ID：kepubolan)
http://weixin.100md.com
返回 中国科普博览 返回首页 返回百拇医药