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一级火箭回收(火箭回收仓)

文章发布时间:2019-11-30 11:11:51
回收

火箭回收仓

火箭采取了垂直回收的方式,降落过程中逐渐导航至下降通道,最后落地前火箭发动机将相对速度降为接近0的状态,采取四个支架平稳着陆。

在回收视频中可以看到,现场由于火箭喷射气流产生了巨大的音爆,所有人刚开始都认为闪光中的火箭回收失败了,但后来火焰熄灭看到火箭平稳立住的那一刻,全场爆发了无尽的欢呼声。观看视频时看到那些现场观众疯狂的表情,让人真正发自内心为他们对人类航天事业的巨大贡献而自豪,这一天,一个新的时代,向我们张开了大门!

(回收时落地的画面,来自SpaceX官网)

火箭回收的意义到底是什么?

是否能真正降低成本,值得商榷和进一步观察:

a、为了回收,要增加额外的各种控制和导航空间,导致火箭的设计难度大大提高;

b、火箭为了保全,需要留下不少燃料作为后续的“刹车”减速。这对整个推进系统的设计尤其是燃料推送系统的要求极高,要增加很多冗余设计,风险较大;

c、火箭发射一个重要指标就是推重比,相当于有效载荷(卫星或飞船)所占比例越高越好,但如果考虑回收,相当于额外的一些燃料和系统设计会占掉有效载荷的空间,导致发射效率降低。或者是为了达到同样的发射能力,需要更大的火箭设计;

d、类似航天飞机,回收过后的维护尤其对一级发动机的维护,恐怕成本不亚于直接换一个新的;

e、节约成本从本质上讲是当发射频率达到一定数量之后才有意义,比如欧洲,一年恐怕就发射个位数的火箭,就算用可回收火箭,使用频率不够,也会使运营与维护成本占火箭发射总费用的比例极大增加。

从这些方面说,在目前这个技术程度和航天发射需求下,SpaceX的火箭回收技术难以很大程度节约成本,或者只是成本略微降低而已。

但这毕竟是人类航天史上一次划时代的成功,意义远远不止火箭成功回收这一技术上的胜利。SpaceX和之前蓝色起源的成功,让世间第一次意识到航天不再是一种遥不可及的领域。

这个意义就好比,当初欧洲人航海,最早都是举全国之力,送出两三艘船,百年之内便发现了美洲、环游了全世界。但突然间,人类发现航海技术不再遥不可及,造船公司、航运公司成为了现实,人们可以买票做出一百多年前开拓者做出的创举。五月花号上的人,坐在船上,已然没有了当时开拓者们害怕的那种心境,他们只是买了在正常不过的船票,航海已经成为人类开拓新世界的工具,不再神秘。

航天亦是如此,刚发展了不过70年时间,如今已经从国之重器、国之大业,慢慢走向了商业化、产业化,一个私人公司竟然能实现如此不可思议的成就,未来的航天将会更加普及,成本将会更加低廉,可靠性将会更加令人信服。航海用几百年普及下来,航天可能100年内即可实现,未来这些商业公司的航天,将会成为人类进入太空开发太空的一艘艘“五月花”号。这种意义上的贡献,是要远远超过SpaceX做出的任何一个产品的。

猎鹰火箭二级回收

2017年3月30日,人类首次用翻新的“二手”火箭成功将商业卫星发射上天。时隔一年,美国太空探索技术公司再次成功发射“二手”“猎鹰9”火箭,将铱星通讯公司的10颗卫星送入轨道。此次发射任务于30日在美国加利福尼亚州范登堡空军基地实施。视频直播画面显示,搭载10颗卫星的“猎鹰9”火箭如期在玫瑰色清晨中直飞云霄。随后,一二级火箭成功分离、整流罩分离。发射大约1小时12分钟后,太空探索技术公司在推特确认所有卫星均已在预定轨道成功部署。该公司工程师迈克尔·哈默斯利在直播中说:“今天是首次发射‘二手’火箭一周年……我们用3枚火箭执行了5次任务。”当天发射的“猎鹰9”火箭第一级曾于去年10月执行过第三批卫星发射任务,并成功在太平洋无人船上回收。不过在本次发射任务中,太空探索技术公司没有再次尝试回收火箭第一级。

该公司首席执行官埃隆·马斯克在社交平台发布消息说,发射后曾尝试用一艘有多个“手臂”撑着大网的回收船“捕捉”其中一个坠落的整流罩。但随后马斯克宣告回收失败。该公司在2月回收整流罩的尝试也没有成功。整流罩是运载火箭重要组成部分,位于火箭顶部,用于保护卫星及其他有效载荷。目前,每枚“猎鹰9”火箭的单次发射成本约为6200万美元,其中整流罩的生产成本约为五六百万美元。如果能够回收和重复使用整流罩,将进一步降低发射成本。

新闻配图当天发射的这10颗卫星是铱星通讯公司下一代全球卫星计划的第五批卫星。太空探索技术公司计划分8次为铱星公司发射75颗卫星,预计2018年年中完成全部任务。美国太空探索技术公司由硅谷企业家埃隆·马斯克于2002年创建,是美国商业航天的代表性企业。30日的发射是这家公司执行的第51次、今年第6次发射任务。

火箭垂直回收技术

与新兴的火箭垂直回收技术相比,已经退役的航天飞机这些缺点:
1、安全性低。由于是重复利用,所以再次飞行之前,需要做大量的检测和修复工作。一旦有所疏漏,就会产生严重后果。
2、成本太高,每次发射费用太高。
3、航天飞机老化速度远超预期,飞行任务被迫大幅缩水
过高的运营成本和过低的安全系数亦是航天飞机被退役的主要原因。

一、安全系数低:5架航天飞机2架爆炸,14名宇航员因此丧命
航天飞机由于重复使用,因此其技术难度大、系统设计复杂、零部件更容易耗损,从起飞、上升、轨道运行,再入大气层直到返回着陆过程中,需要经受各类极度严酷的环境。航天飞机的弱点是在使用中逐渐暴露出来的,它的系统远不止将载人飞船和运载火箭两者单纯相加那么简单。
单次运行成本过高时,风险也不容忽视,发射频率从计划中的每年24次下降到5次。而航天飞机的事故率非常高,美国的5架航天飞机中,有2架在执行任务时候发生了爆炸、解体,有14位宇航员为此丧命。而与火箭、飞船等一次性飞行器不同,航天飞机的火箭发动机需要多次重复使用,寿命期间的总工作时间累计长达数小时之久,这也为其执行任务带来安全隐患:随着飞行任务的增加势必有更多的潜在危险。

二、发射成本高:飞行一次耗费5亿美元,超过设计预期近百倍
美国共研制并投入使用五架航天飞机,每架研发费用20亿美元,总共发射一百多次,每飞行一次费用高达5亿美元,返回后还要进行大量费时费力的检修,这让美航天局的财政不堪重负。
尽管提出航天飞机的初衷是为了降低整个载人航天研制和发射过程中的花销,但是美国人在执行这一计划的过程中却发现真实情况并非如此。早先有数据显示从1985年到1988年10月间,航天飞机的发射价格增加了85%,即每次发射费用飙升到9000万美元。这笔花费完全违背了NASA最初设计航天飞机的预算。NASA在确定航天飞机的结构布局时,曾估计航天飞机发射费用为每斤100美元,每次发射费用不超过600万美元。
尽管NASA采取了种种措施节约开支,但研制费用还是连年超支。1978年9月,NASA宣布航天飞机的研制费用可能比原计划增加8%-9%。1980年4月,NASA透露整个航天飞机计划费用将增加到89亿美元。这种情况下NASA只得一再向国会申请继续增加拨款,而当时的卡特政府考虑航天飞机对国家安全有利,对科学研究和商业开发也有很高价值,因此对追加经费基本不持异议,所以航天飞机计划的费用才得以解决。
此外,航天飞机的着陆场与发射场相距甚远,每次降落后要用大型客机运回发射场检修,额外增加了成本。这些情况都超出了NASA最初的美好预期,这表明航天飞机经济效益大打折扣。

三、航天飞机老化速度远超预期,飞行任务被迫大幅缩水
同时在航天飞机的使用中,NASA发现同研制和发射费用一样,航天飞机的维护和运行费用也在直线飙升。比如1984年航天飞机一次飞行的花费为1.5-2亿美元,而在商业发射中可以得到的最高补偿仅为7100万美元。
最重要的是NASA发现,用航天飞机发射卫星,比使用火箭发射卫星的费用还要多。因此,1988年之后,NASA决定不再承揽商业载荷的发射任务,每年航天飞机飞行次数减为9次左右。
按照计划美国的航天飞机寿命最多为20年,每架应飞行100次。而截至到今天,5架航天飞机加起来飞行了才132次,其中2架在飞行中爆炸,2架已严重超期限服役。
而且航天飞机的老化程度比预期的要快,尽管执行任务的次数比预期减少了近1/4但航天飞机破损、老化加剧,每次的维修费用也非常昂贵。特别是“哥伦比亚”号航天飞机坠毁事故(2003年)发生后,对防热瓦的检查费用增加了。
而“发现”号自1984年首飞以来小状况频发,燃料箱隔热泡沫脱落、外部燃料箱的液态氢传输管泄露等,都导致每次执行任务前加强检查和维护,以至于任务一拖再拖。

设计初衷:重复使用以降低运营成本
上世纪七八十年代正是美国载人航天事业发展如火如荼的时代。送人登陆月球的阿波罗登月活动让美国坐上全球太空竞赛的头把交椅后,也刺激了美国的太空探测野心,加大了此后人类进入太空的频率。密集的太空探测项目让NASA觉得不够经济,因为用火箭发射载人航天器需要的是巨大火箭,并且都是一次性的不可回收重复利用。
出于对经费的考虑制造一种新的航天器成为时代的新要求。NASA第三任局长托马斯·佩奇曾认为,航天飞机因可重复利用从而可以降低成本,不用每执行一次任务就要造一个新的火箭出来;而且当时他还认为一架航天飞机的发射准备时间仅需要两周远比火箭反应快。
航天飞机曾是先进航天技术的象征,是阿波罗登月之后美国航天事业的里程碑,担负着在载人航天领域与前苏联的空间站分庭抗礼的政治宣传功能。
航天飞机的概念曾让不少航天大国心动,比如欧空局和日本都设计过自己的航天飞机。前苏联更是造出了有“自主知识产权”的“暴风雪”号航天飞机,但“巧合”的是,其外形几乎与美国的航天飞机如出一撤。

太空运载能力无人能及 衍生科技影响人类三十年
当时NASA为说服美国当局发展航天飞机,表示航天飞机拥有很多优点,除可以多次往返重复使用外,还能送7人外加将近30吨货物进入太空,在返回时可把14.5吨的有效载荷从轨道上运回。
这样的载重量可以保证航天飞机能够直接将中国的“神舟”号或者俄罗斯的“联盟”号太空船直接运上太空,运载量是其他航天器的数十倍;它可以捕获太空中的其他飞行器如卫星,还可以通过航天员的太空行走对飞行器进行检修,也可将其带回地球。
航天飞机为太空探测增加了动力,过去近30年的探空行动中衍生的技术以及相关的科学发现,都对地球上人类的生活产生了至关重要的影响。无论是国际空间站还是预想中的人类月球前进基地,都需要航天飞机这样大载重量的太空货仓来支持——否则根本无法将用于基建的大型太空施工机械或者有关物资送上去。
美国共有6架航天飞机,除首架测试用的“企业”号测试之后被收藏到博物馆中,其余的5架航天飞机“哥伦比亚”号、“挑战者”号、“发现”号、“亚特兰蒂斯”号以及“奋进”号,都参与了太空运输任务。“亚特兰蒂斯”号共执行了32次任务,是执行国际合作任务最多的一架航天飞机;而“发现”号航天飞机是美国历史上参与飞行任务次数最多的,功勋显著成为美航天飞机最为著名的代表。

欧洲可回收火箭

美国当地时间2015年12月21日晚,特斯拉公司创始人埃隆·马斯克创办的太空探索技术公司(以下简称SpaceX)发射的“猎鹰9”火箭在佛罗里达州卡纳维拉尔角成功实现第一节火箭软着陆,从而开创了火箭从太空直接垂直回收的历史。

在SpaceX的发射中心,数百人通过大屏幕观看了这一历史性画面,并且兴奋地欢呼。作为全球领先的商业太空企业,SpaceX的这一成功使得人类未来向其他星球实现商业移民迈出了重要一步,并且未来人类有望在此基础上研制出可重复使用的火箭。

之前马斯克作客 Reddit 的 iAmA 频道,透露制造猎鹰 9 号火箭的成本是 6000 万美元,而火箭燃料的成本为 20 万美元。如果火箭可重复发射,那么就和固定资产的投资一样,只需要支付维护成本,补充燃料就可以继续执行任务。

火箭回收技术有多难

  1. 火箭海上回收技术难度非常大。

首先控制火箭降落姿态很难。要使细长的箭体垂直精确着陆在指定地点很难。在返回过程中,第一级火箭是通过箭上的液氮推力器来调整姿态的,以应对气动扭矩和旋转的影响,使其几乎没有任何滚转,在降落过程中一直与地面保持垂直状态。有人形容其难度犹如“在狂风中让扫帚柄直立于手掌上”。另外,箭体上还有4个可展开的侧翼,它用于通过卫星制导来协助控制火箭朝降落,使其最终落地的精度在10米以内。

第二大难点是要使高速下降的火箭实现软着陆。“猎鹰9号”是通过部分主发动机的2次点火来减速的。在火箭主发动机的控制中设置了矢量推力点,它能控制火箭的下落速度。第一级与第二级火箭分离后第一级要2次重新启动火箭部分主发动机,以制动减速。第一次重启旨在降低第一级的降落速度,使其能够降落到距离卡纳维拉尔角数百公里的海面;当第一级火箭快要落入大西洋时,再重启它的另一台发动机,以进一步减速。最终要使火箭的速度由初始的1300米/秒减到2米/秒。另外,在第一级接近海上浮动回收前,安装在第一级底部的4个着陆支架要打开,它带有液压减震器,可进一步减少垂直着陆时的巨大冲击,从而在回收上软着陆。此前四次回收失败就是由于火箭姿态或下降速度控制不佳导致的。

2.回收火箭可将发射成本降低至1%

航天发射成本一直居高不下,送1公斤物质上天的成本在1万~2万美元,重要原因就是发射航天器的运载火箭是一次性使用的。如果运载火箭可以重复使用,就可以大大降低成本,使人类的航天活动产生质的飞跃。就拿“猎鹰9号”火箭来说,其总造价约为5000万美元,而其推进剂的成本只有20万美元。所以如果能回收并重复使用第一级,可节省资金80%;如果第二级也能回收并重复使用,发射成本将降至目前的1%。发射费用降低意味着可以设计比现在便宜得多的卫星,而不必再花费大量资金来确保其拥有很长的寿命,因为发射费用很便宜,如果卫星坏了,再发射一颗填补空缺便是。

从长远看,可重复使用的火箭还能使人类探访甚至移居其他星球的梦想成真。现在载人航天最大的一个瓶颈就是成本太高,限制了进入太空的人数。如果可重复使用航天技术取得实用性进展,未来会大大加速人类进入太空的步伐。

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