圖為SpaceX公司的火箭示意圖

近日，美國(guó)太空探索技術(shù)公司(SpaceX)的新聞?dòng)悬c(diǎn)多。4月，“重型獵鷹”火箭首次商業(yè)發(fā)射成功;同月，成功拿下價(jià)值6900萬(wàn)美元的“雙小行星變向試驗(yàn)”(DART)任務(wù)訂單;5月，“星鏈”計(jì)劃“一箭六十星”發(fā)射任務(wù)一經(jīng)披露就成為全球輿論焦點(diǎn)，閃亮的衛(wèi)星連成線成為夜空中的獨(dú)特風(fēng)景。

從“獵鷹1”“獵鷹9”到“重型獵鷹”再到攜帶著星際飛船的“大獵鷹”，SpaceX的火箭是怎樣一步步升級(jí)的?

十年火箭路 從小型到重型

2002年，馬斯克正式投身商業(yè)航天，SpaceX破殼而出。一陣招兵買(mǎi)馬后，新生的它要解決的第一個(gè)問(wèn)題就是搞出自己的火箭。直至2008年，低軌運(yùn)載能力僅有420千克的“獵鷹1”在經(jīng)歷3次失敗后終于試射成功。

“獵鷹1”是名副其實(shí)的小火箭，直徑不到1.7米，高20米，一級(jí)火箭裝備一臺(tái)“灰背隼”(Merlin)發(fā)動(dòng)機(jī)，二級(jí)也只有一臺(tái)“紅隼”發(fā)動(dòng)機(jī)。SpaceX借助“獵鷹1”的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)掌握了火箭的研發(fā)、制造技術(shù)，特別是驗(yàn)證了“灰背隼”發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，在進(jìn)行了幾次發(fā)射后就將其“束之高閣”。

2010年6月，長(zhǎng)70米、直徑3.7米、低軌運(yùn)力超過(guò)10噸的“獵鷹9”首飛成功。僅僅兩年，SpaceX就實(shí)現(xiàn)了從小型火箭到中型火箭的跨越。這主要有兩方面原因：從設(shè)計(jì)上看，“獵鷹9”一級(jí)火箭采用9臺(tái)與“獵鷹1”相同的發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)，二級(jí)也使用一臺(tái)“灰背隼”發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，在“獵鷹1”的研制中，已經(jīng)嵌入了對(duì)“獵鷹9” 動(dòng)力系統(tǒng)的研究。從試驗(yàn)流程上看，SpaceX堪稱(chēng)“快馬加鞭”，極盡簡(jiǎn)化之能事。2009年10月，“獵鷹9”才進(jìn)行一級(jí)火箭點(diǎn)火試驗(yàn)，但僅僅一個(gè)月后，二級(jí)火箭點(diǎn)火試驗(yàn)隨即開(kāi)展;七個(gè)月后，直接開(kāi)始首飛。

美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)曾稱(chēng)，如果按照傳統(tǒng)的“開(kāi)發(fā)流程”，“獵鷹9”的研制需要耗資40億美元，而SpaceX開(kāi)發(fā)“獵鷹1”和“獵鷹9”一共僅花費(fèi)3.9億美元。

2011年，SpaceX宣稱(chēng)將用2年時(shí)間完成“重型獵鷹”的開(kāi)發(fā)。“重型獵鷹”看起來(lái)并不復(fù)雜，就是把兩個(gè)“獵鷹9”的一級(jí)火箭捆綁在一枚完整的“獵鷹9”上做助推器。但SpaceX將其實(shí)現(xiàn)用了近7年。一方面因?yàn)槠陂g“獵鷹9”兩次發(fā)射失敗，耽誤了研制進(jìn)程;另一方面“捆綁”火箭涉及的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并沒(méi)有那么簡(jiǎn)單;此外，SpaceX還騰出了大量精力提升“獵鷹9”的性能指標(biāo)，并攻克了一級(jí)火箭回收技術(shù)。

2018年2月，低軌運(yùn)力達(dá)63.8噸的“重型獵鷹”終于將馬斯克的紅色“特斯拉”送上太空。從“獵鷹1”到“重型獵鷹”，10年時(shí)間，SpaceX的火箭運(yùn)力提高15倍。

欲得一火箭 必先得其“心”

火箭作為一個(gè)系統(tǒng)工程，發(fā)動(dòng)機(jī)是其最核心的技術(shù)。從“獵鷹1”到“重型獵鷹”，“心”卻沒(méi)有變，都是采用“灰背隼”系列火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要的動(dòng)力來(lái)源。不同的是，一級(jí)火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量由1個(gè)提高到了27個(gè)。

“如此多的發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)面臨工作同步性、一致性等問(wèn)題，火箭動(dòng)力系統(tǒng)的復(fù)雜性也大幅上升。”著名航天專(zhuān)家蔣天(化名)表示，并聯(lián)方式可以降低對(duì)單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力需求，避免研制更大推力發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的大流量渦輪泵、大流量推力室等技術(shù)難題，特別是流量增大導(dǎo)致的地面試驗(yàn)系統(tǒng)匹配困難等問(wèn)題。

蔣天介紹，“灰背隼”火箭發(fā)動(dòng)機(jī)將液氧和煤油作為推進(jìn)劑，使用燃?xì)獍l(fā)生器式泵壓循環(huán)方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高。更特別的是，“灰背隼”采用了針?biāo)ㄊ絿娮⑵?，以?shí)現(xiàn)推力的連續(xù)可變，從而達(dá)到火箭垂直降落回收的目的。

“從火箭發(fā)動(dòng)機(jī)原理上講，實(shí)現(xiàn)連續(xù)推力調(diào)節(jié)的主要方式包括改變推進(jìn)劑的供應(yīng)量、改變發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管喉部面積、改變噴注面面積等。”蔣天進(jìn)一步解釋道，改變推進(jìn)劑供應(yīng)量和改變噴注器面積，是實(shí)現(xiàn)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)推力調(diào)節(jié)的主要方式，因?yàn)楦淖儑姽芎聿棵娣e會(huì)帶來(lái)熱和燒蝕等問(wèn)題。針?biāo)ㄊ絿娮⑵骶褪峭ㄟ^(guò)改變噴注面面積，控制燃料流量，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)推力的大范圍連續(xù)調(diào)節(jié)。

記者了解到，20世紀(jì)60年代，美國(guó)TRW公司最先將針?biāo)ㄊ絿娮⑵饔糜?ldquo;阿波羅”計(jì)劃著陸器的下降發(fā)動(dòng)機(jī)上。SpaceX在成立之初挖走了TRW公司的火箭專(zhuān)家湯姆·穆勒，借此在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)上走了“捷徑”。“灰背隼”包括多種型號(hào)，早期“灰背隼”-1A推力僅有340千牛，新型“灰背隼”-1D的推力則超過(guò)900千牛，且能從40%到100%連續(xù)變化。

“‘灰背隼’發(fā)動(dòng)機(jī)主要在提升推力、提高推重比等方面加以改進(jìn)。”蔣天稱(chēng)，其中由A型到B型改善了渦輪泵性能，提高了轉(zhuǎn)速和揚(yáng)程，由B型到C型則改變了推力室冷卻方式，實(shí)現(xiàn)了再生冷卻，D型則將推力進(jìn)一步提高并實(shí)現(xiàn)了大幅度連續(xù)變推力工作。

未來(lái)“大獵鷹” 目標(biāo)是火星

為了探測(cè)月球和火星，SpaceX正在建造“大獵鷹”超重型火箭，并計(jì)劃2020年首飛，2023年繞月飛行，2024年帶人踏足火星。“大獵鷹”高118米，直徑9米，近地軌道運(yùn)載能力高達(dá)150噸，超過(guò)了“阿波羅”計(jì)劃中使用的“土星5號(hào)”和正在研制的“空間發(fā)射系統(tǒng)”(SLS)，排名全球第一。此外，“大獵鷹”的兩級(jí)火箭都可實(shí)現(xiàn)回收并重復(fù)使用，是名副其實(shí)的“完全可重復(fù)使用運(yùn)載火箭”。

“大獵鷹”超大推力的實(shí)現(xiàn)方式與“重型獵鷹”類(lèi)似，其一級(jí)火箭由31個(gè)新型“猛禽”(Raptor)發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)而成，總推力高達(dá)6180萬(wàn)牛。二級(jí)火箭名為“星際飛船”(Starship)，由6個(gè)“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，總推力達(dá)到1200萬(wàn)牛，它既能載人進(jìn)行深空旅行，也能在太空中釋放探測(cè)器、衛(wèi)星等航天器。

既然說(shuō)到“大獵鷹”，就不能不提“猛禽”火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。記者了解到，“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)以液氧甲烷為推進(jìn)劑，單臺(tái)最大推力接近2000千牛，能從20%到100%連續(xù)調(diào)節(jié)。相比其他現(xiàn)役火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，“猛禽”最大的不同是采用了“全流量分級(jí)燃燒”技術(shù)。

蔣天告訴科技日?qǐng)?bào)記者，所謂“全流量分級(jí)燃燒”技術(shù)需要兩個(gè)預(yù)燃室，一個(gè)將大部分燃料和小部分氧化劑進(jìn)行燃燒，另一個(gè)將小部分燃料和大部分氧化劑進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生的燃?xì)夥謩e驅(qū)動(dòng)燃料渦輪泵和氧化劑渦輪泵，再進(jìn)入主燃燒室匯合燃燒。這種系統(tǒng)通過(guò)渦輪的燃?xì)鉁囟雀停瑴u輪的使用壽命更長(zhǎng)，更有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用次數(shù)。

“此外，液氧甲烷推進(jìn)劑因其低結(jié)焦性能和相對(duì)較低的成本，常被認(rèn)為適合于可重復(fù)使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。”蔣天介紹，俄羅斯在上世紀(jì)90年代也曾開(kāi)展過(guò)推力在100噸和200噸量級(jí)的大推力液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)研制。

蔣天認(rèn)為，整體上看，SpaceX的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)有一定的先進(jìn)性和借鑒意義，特別是在可重復(fù)使用領(lǐng)域。另外，SpaceX在降低發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量、提高推重比等領(lǐng)域也做了很多有意義的工作。