从“猎鹰1”到“大猎鹰” SpaceX火箭真能飞到火星？
2019-05-30 07:17:18 来源: 科技日报 作者: 胡定坤
近日，美国太空探索技术公司（SpaceX）的新闻有点多。4月，“重型猎鹰”火箭首次商业发射成功；同月，成功拿下价值6900万美元的“双小行星变向试验”（DART）任务订单；5月，“星链”计划“一箭六十星”发射任务一经披露就成为全球舆论焦点，闪亮的卫星连成线成为夜空中的独特风景。
从“猎鹰1”“猎鹰9”到“重型猎鹰”再到携带着星际飞船的“大猎鹰”，SpaceX的火箭是怎样一步步升级的？
十年火箭路 从小型到重型
2002年，马斯克正式投身商业航天，SpaceX破壳而出。一阵招兵买马后，新生的它要解决的第一个问题就是搞出自己的火箭。直至2008年，低轨运载能力仅有420千克的“猎鹰1”在经历3次失败后终于试射成功。
“猎鹰1”是名副其实的小火箭，直径不到1.7米，高20米，一级火箭装备一台“灰背隼”（Merlin）发动机，二级也只有一台“红隼”发动机。SpaceX借助“猎鹰1”的项目经验掌握了火箭的研发、制造技术，特别是验证了“灰背隼”发动机的可靠性，在进行了几次发射后就将其“束之高阁”。
2010年6月，长70米、直径3.7米、低轨运力超过10吨的“猎鹰9”首飞成功。仅仅两年，SpaceX就实现了从小型火箭到中型火箭的跨越。这主要有两方面原因：从设计上看，“猎鹰9”一级火箭采用9台与“猎鹰1”相同的发动机并联，二级也使用一台“灰背隼”发动机。因此，在“猎鹰1”的研制中，已经嵌入了对“猎鹰9” 动力系统的研究。从试验流程上看，SpaceX堪称“快马加鞭”，极尽简化之能事。2009年10月，“猎鹰9”才进行一级火箭点火试验，但仅仅一个月后，二级火箭点火试验随即开展；七个月后，直接开始首飞。
美国国家航空航天局（NASA）曾称，如果按照传统的“开发流程”，“猎鹰9”的研制需要耗资40亿美元，而SpaceX开发“猎鹰1”和“猎鹰9”一共仅花费3.9亿美元。
2011年，SpaceX宣称将用2年时间完成“重型猎鹰”的开发。“重型猎鹰”看起来并不复杂，就是把两个“猎鹰9”的一级火箭捆绑在一枚完整的“猎鹰9”上做助推器。但SpaceX将其实现用了近7年。一方面因为期间“猎鹰9”两次发射失败，耽误了研制进程；另一方面“捆绑”火箭涉及的结构设计并没有那么简单；此外，SpaceX还腾出了大量精力提升“猎鹰9”的性能指标，并攻克了一级火箭回收技术。
2018年2月，低轨运力达63.8吨的“重型猎鹰”终于将马斯克的红色“特斯拉”送上太空。从“猎鹰1”到“重型猎鹰”，10年时间，SpaceX的火箭运力提高15倍。
欲得一火箭 必先得其“心”
火箭作为一个系统工程，发动机是其最核心的技术。从“猎鹰1”到“重型猎鹰”，“心”却没有变，都是采用“灰背隼”系列火箭发动机作为主要的动力来源。不同的是，一级火箭的发动机数量由1个提高到了27个。
“如此多的发动机并联面临工作同步性、一致性等问题，火箭动力系统的复杂性也大幅上升。”著名航天专家蒋天（化名）表示，并联方式可以降低对单台发动机的推力需求，避免研制更大推力发动机面临的大流量涡轮泵、大流量推力室等技术难题，特别是流量增大导致的地面试验系统匹配困难等问题。
蒋天介绍，“灰背隼”火箭发动机将液氧和煤油作为推进剂，使用燃气发生器式泵压循环方式，结构简单、可靠性高。更特别的是，“灰背隼”采用了针栓式喷注器，以实现推力的连续可变，从而达到火箭垂直降落回收的目的。
“从火箭发动机原理上讲，实现连续推力调节的主要方式包括改变推进剂的供应量、改变发动机的喷管喉部面积、改变喷注面面积等。”蒋天进一步解释道，改变推进剂供应量和改变喷注器面积，是实现液体火箭发动机连续推力调节的主要方式，因为改变喷管喉部面积会带来热和烧蚀等问题。针栓式喷注器就是通过改变喷注面面积，控制燃料流量，实现发动机推力的大范围连续调节。
记者了解到，20世纪60年代，美国TRW公司最先将针栓式喷注器用于“阿波罗”计划着陆器的下降发动机上。SpaceX在成立之初挖走了TRW公司的火箭专家汤姆·穆勒，借此在火箭发动机技术上走了“捷径”。“灰背隼”包括多种型号，早期“灰背隼”-1A推力仅有340千牛，新型“灰背隼”-1D的推力则超过900千牛，且能从40%到100%连续变化。
“‘灰背隼’发动机主要在提升推力、提高推重比等方面加以改进。”蒋天称，其中由A型到B型改善了涡轮泵性能，提高了转速和扬程，由B型到C型则改变了推力室冷却方式，实现了再生冷却，D型则将推力进一步提高并实现了大幅度连续变推力工作。
未来“大猎鹰” 目标是火星
为了探测月球和火星，SpaceX正在建造“大猎鹰”超重型火箭，并计划2020年首飞，2023年绕月飞行，2024年带人踏足火星。“大猎鹰”高118米，直径9米，近地轨道运载能力高达150吨，超过了“阿波罗”计划中使用的“土星5号”和正在研制的“空间发射系统”（SLS），排名全球第一。此外，“大猎鹰”的两级火箭都可实现回收并重复使用，是名副其实的“完全可重复使用运载火箭”。
“大猎鹰”超大推力的实现方式与“重型猎鹰”类似，其一级火箭由31个新型“猛禽”（Raptor）发动机并联而成，总推力高达6180万牛。二级火箭名为“星际飞船”（Starship），由6个“猛禽”发动机提供动力，总推力达到1200万牛，它既能载人进行深空旅行，也能在太空中释放探测器、卫星等航天器。
既然说到“大猎鹰”，就不能不提“猛禽”火箭发动机。记者了解到，“猛禽”发动机以液氧甲烷为推进剂，单台最大推力接近2000千牛，能从20%到100%连续调节。相比其他现役火箭发动机，“猛禽”最大的不同是采用了“全流量分级燃烧”技术。
蒋天告诉科技日报记者，所谓“全流量分级燃烧”技术需要两个预燃室，一个将大部分燃料和小部分氧化剂进行燃烧，另一个将小部分燃料和大部分氧化剂进行燃烧，产生的燃气分别驱动燃料涡轮泵和氧化剂涡轮泵，再进入主燃烧室汇合燃烧。这种系统通过涡轮的燃气温度更低，涡轮的使用寿命更长，更有利于提高发动机的重复使用次数。
“此外，液氧甲烷推进剂因其低结焦性能和相对较低的成本，常被认为适合于可重复使用火箭发动机。”蒋天介绍，俄罗斯在上世纪90年代也曾开展过推力在100吨和200吨量级的大推力液氧甲烷发动机研制。
蒋天认为，整体上看，SpaceX的火箭发动机技术有一定的先进性和借鉴意义，特别是在可重复使用领域。另外，SpaceX在降低发动机质量、提高推重比等领域也做了很多有意义的工作。
图为SpaceX公司的火箭示意图
2019-05-30 07:17:18 来源: 科技日报 作者: 胡定坤
近日，美国太空探索技术公司（SpaceX）的新闻有点多。4月，“重型猎鹰”火箭首次商业发射成功；同月，成功拿下价值6900万美元的“双小行星变向试验”（DART）任务订单；5月，“星链”计划“一箭六十星”发射任务一经披露就成为全球舆论焦点，闪亮的卫星连成线成为夜空中的独特风景。
从“猎鹰1”“猎鹰9”到“重型猎鹰”再到携带着星际飞船的“大猎鹰”，SpaceX的火箭是怎样一步步升级的？
十年火箭路 从小型到重型
2002年，马斯克正式投身商业航天，SpaceX破壳而出。一阵招兵买马后，新生的它要解决的第一个问题就是搞出自己的火箭。直至2008年，低轨运载能力仅有420千克的“猎鹰1”在经历3次失败后终于试射成功。
“猎鹰1”是名副其实的小火箭，直径不到1.7米，高20米，一级火箭装备一台“灰背隼”（Merlin）发动机，二级也只有一台“红隼”发动机。SpaceX借助“猎鹰1”的项目经验掌握了火箭的研发、制造技术，特别是验证了“灰背隼”发动机的可靠性，在进行了几次发射后就将其“束之高阁”。
2010年6月，长70米、直径3.7米、低轨运力超过10吨的“猎鹰9”首飞成功。仅仅两年，SpaceX就实现了从小型火箭到中型火箭的跨越。这主要有两方面原因：从设计上看，“猎鹰9”一级火箭采用9台与“猎鹰1”相同的发动机并联，二级也使用一台“灰背隼”发动机。因此，在“猎鹰1”的研制中，已经嵌入了对“猎鹰9” 动力系统的研究。从试验流程上看，SpaceX堪称“快马加鞭”，极尽简化之能事。2009年10月，“猎鹰9”才进行一级火箭点火试验，但仅仅一个月后，二级火箭点火试验随即开展；七个月后，直接开始首飞。
美国国家航空航天局（NASA）曾称，如果按照传统的“开发流程”，“猎鹰9”的研制需要耗资40亿美元，而SpaceX开发“猎鹰1”和“猎鹰9”一共仅花费3.9亿美元。
2011年，SpaceX宣称将用2年时间完成“重型猎鹰”的开发。“重型猎鹰”看起来并不复杂，就是把两个“猎鹰9”的一级火箭捆绑在一枚完整的“猎鹰9”上做助推器。但SpaceX将其实现用了近7年。一方面因为期间“猎鹰9”两次发射失败，耽误了研制进程；另一方面“捆绑”火箭涉及的结构设计并没有那么简单；此外，SpaceX还腾出了大量精力提升“猎鹰9”的性能指标，并攻克了一级火箭回收技术。
2018年2月，低轨运力达63.8吨的“重型猎鹰”终于将马斯克的红色“特斯拉”送上太空。从“猎鹰1”到“重型猎鹰”，10年时间，SpaceX的火箭运力提高15倍。
欲得一火箭 必先得其“心”
火箭作为一个系统工程，发动机是其最核心的技术。从“猎鹰1”到“重型猎鹰”，“心”却没有变，都是采用“灰背隼”系列火箭发动机作为主要的动力来源。不同的是，一级火箭的发动机数量由1个提高到了27个。
“如此多的发动机并联面临工作同步性、一致性等问题，火箭动力系统的复杂性也大幅上升。”著名航天专家蒋天（化名）表示，并联方式可以降低对单台发动机的推力需求，避免研制更大推力发动机面临的大流量涡轮泵、大流量推力室等技术难题，特别是流量增大导致的地面试验系统匹配困难等问题。
蒋天介绍，“灰背隼”火箭发动机将液氧和煤油作为推进剂，使用燃气发生器式泵压循环方式，结构简单、可靠性高。更特别的是，“灰背隼”采用了针栓式喷注器，以实现推力的连续可变，从而达到火箭垂直降落回收的目的。
“从火箭发动机原理上讲，实现连续推力调节的主要方式包括改变推进剂的供应量、改变发动机的喷管喉部面积、改变喷注面面积等。”蒋天进一步解释道，改变推进剂供应量和改变喷注器面积，是实现液体火箭发动机连续推力调节的主要方式，因为改变喷管喉部面积会带来热和烧蚀等问题。针栓式喷注器就是通过改变喷注面面积，控制燃料流量，实现发动机推力的大范围连续调节。
记者了解到，20世纪60年代，美国TRW公司最先将针栓式喷注器用于“阿波罗”计划着陆器的下降发动机上。SpaceX在成立之初挖走了TRW公司的火箭专家汤姆·穆勒，借此在火箭发动机技术上走了“捷径”。“灰背隼”包括多种型号，早期“灰背隼”-1A推力仅有340千牛，新型“灰背隼”-1D的推力则超过900千牛，且能从40%到100%连续变化。
“‘灰背隼’发动机主要在提升推力、提高推重比等方面加以改进。”蒋天称，其中由A型到B型改善了涡轮泵性能，提高了转速和扬程，由B型到C型则改变了推力室冷却方式，实现了再生冷却，D型则将推力进一步提高并实现了大幅度连续变推力工作。
未来“大猎鹰” 目标是火星
为了探测月球和火星，SpaceX正在建造“大猎鹰”超重型火箭，并计划2020年首飞，2023年绕月飞行，2024年带人踏足火星。“大猎鹰”高118米，直径9米，近地轨道运载能力高达150吨，超过了“阿波罗”计划中使用的“土星5号”和正在研制的“空间发射系统”（SLS），排名全球第一。此外，“大猎鹰”的两级火箭都可实现回收并重复使用，是名副其实的“完全可重复使用运载火箭”。
“大猎鹰”超大推力的实现方式与“重型猎鹰”类似，其一级火箭由31个新型“猛禽”（Raptor）发动机并联而成，总推力高达6180万牛。二级火箭名为“星际飞船”（Starship），由6个“猛禽”发动机提供动力，总推力达到1200万牛，它既能载人进行深空旅行，也能在太空中释放探测器、卫星等航天器。
既然说到“大猎鹰”，就不能不提“猛禽”火箭发动机。记者了解到，“猛禽”发动机以液氧甲烷为推进剂，单台最大推力接近2000千牛，能从20%到100%连续调节。相比其他现役火箭发动机，“猛禽”最大的不同是采用了“全流量分级燃烧”技术。
蒋天告诉科技日报记者，所谓“全流量分级燃烧”技术需要两个预燃室，一个将大部分燃料和小部分氧化剂进行燃烧，另一个将小部分燃料和大部分氧化剂进行燃烧，产生的燃气分别驱动燃料涡轮泵和氧化剂涡轮泵，再进入主燃烧室汇合燃烧。这种系统通过涡轮的燃气温度更低，涡轮的使用寿命更长，更有利于提高发动机的重复使用次数。
“此外，液氧甲烷推进剂因其低结焦性能和相对较低的成本，常被认为适合于可重复使用火箭发动机。”蒋天介绍，俄罗斯在上世纪90年代也曾开展过推力在100吨和200吨量级的大推力液氧甲烷发动机研制。
蒋天认为，整体上看，SpaceX的火箭发动机技术有一定的先进性和借鉴意义，特别是在可重复使用领域。另外，SpaceX在降低发动机质量、提高推重比等领域也做了很多有意义的工作。
图为SpaceX公司的火箭示意图
【后半程】朋友分享链接文章，说五十后就只剩下告别，告别年长的父母，告别成人成家远去的儿女，告别曾经的青春，告别工作……想想，如果从这个角度看，后半生就只剩下等死，就像那开花结仔后的向日葵杆，干瘪摇晃，直至被烧烬燃成灰。这样的生命理解我不愿意接受。虽然海德格尔说“人生就是向死而生”，但那也只是一个视角而已，我们不妨试着换个视角来看看。
仅就物质生命过程而言，那么年过五十，往后看，就只是生命的凋零，衰退，缩小，丧失。
但人与万物的本质不同，在于人的意识能力。由于自我意识，而使人的生命除了物质生命以外，还可以拥有精神生命。
物质生命是由弱小到成熟，再到衰退，死亡，而精神生命可以是一个不断丰满，提升，超越物质层面的束缚，直至永恒的过程。
如果以人的生命是由物质生命和精神生命共同组成的视角来看，人生的旅程既是物质创造、物质体验、物质享受的过程，也是意识能力不断提升，生命境界不断超越，精神世界不断建构，转识成智，觉悟的过程，也就是将我们在物质世界获得的丰富的感觉感情，经验见识，转化为的精神世界的建筑材料，建构精神世界的过程。
从这个视角看，五十后的人生应该比之前更丰富，更广阔。
这时候的我们，当能看见那事物的本质时，过去让我们索然无味的小事，抑或让我们困惑和痛苦的往事，都能呈现以前看不到的精彩，这也许就是佛家所说的觉悟后的生命体验，庄子逍遥的生命境界吧。
2019.3.23周末的上午，小雨后混沌的天遮住了前日傍晚的锦云
仅就物质生命过程而言，那么年过五十，往后看，就只是生命的凋零，衰退，缩小，丧失。
但人与万物的本质不同，在于人的意识能力。由于自我意识，而使人的生命除了物质生命以外，还可以拥有精神生命。
物质生命是由弱小到成熟，再到衰退，死亡，而精神生命可以是一个不断丰满，提升，超越物质层面的束缚，直至永恒的过程。
如果以人的生命是由物质生命和精神生命共同组成的视角来看，人生的旅程既是物质创造、物质体验、物质享受的过程，也是意识能力不断提升，生命境界不断超越，精神世界不断建构，转识成智，觉悟的过程，也就是将我们在物质世界获得的丰富的感觉感情，经验见识，转化为的精神世界的建筑材料，建构精神世界的过程。
从这个视角看，五十后的人生应该比之前更丰富，更广阔。
这时候的我们，当能看见那事物的本质时，过去让我们索然无味的小事，抑或让我们困惑和痛苦的往事，都能呈现以前看不到的精彩，这也许就是佛家所说的觉悟后的生命体验，庄子逍遥的生命境界吧。
2019.3.23周末的上午，小雨后混沌的天遮住了前日傍晚的锦云
再浑浊的河面 月光下也光怪陆离
再夜的黑 也围不住猫贼溜的眼睛
上窜下跳，也捕不到作祟心里的耗子
不眠 是我拿来张望这场游戏的的方式
点上一支火 量做时间的长尺
燃吧
短暂热烈 终是熄灭
它不会随明天的太阳升起
我在这团团雾里老去
直至凋落进黑白灰里
老去 不是稀里糊涂的情愿
是多个秘密横刀利刃的
身不由己
刀刃直指
留夜灯下
自己 光怪陆离
再夜的黑 也围不住猫贼溜的眼睛
上窜下跳，也捕不到作祟心里的耗子
不眠 是我拿来张望这场游戏的的方式
点上一支火 量做时间的长尺
燃吧
短暂热烈 终是熄灭
它不会随明天的太阳升起
我在这团团雾里老去
直至凋落进黑白灰里
老去 不是稀里糊涂的情愿
是多个秘密横刀利刃的
身不由己
刀刃直指
留夜灯下
自己 光怪陆离
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