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SpaceX的火箭回收技术能为航天项目省多少钱?

信息世界2015-12-26 浏览 1411
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12月25日,美国私人航天探索公司SpaceX于美国东部时间12月21日在佛罗里达州卡纳维拉尔角成功发射“猎鹰9号”(Falcon9)火箭,并成功让猎鹰九号的一级火箭在飞行到海拔160千米高度之后精准地降落回了卡纳维拉尔角的火箭降落场,创造了历史。

事实上,在过去很长一段时间内,SpaceX一直都将重复利用火箭视为为人类太空探索任务节约成本的最主要方式。在此之前,绝大多数火箭都会在成功发射后被弃用或者最终坠入大海,因此负责发射任务的公司、机构在每次执行发射任务后都需要花费数百万美元重新打造一个全新火箭。

12月25日,美国私人航天探索公司SpaceX于美国东部时间12月21日在佛罗里达州卡纳维拉尔角成功发射“猎鹰9号”(Falcon9)火箭,并成功让猎鹰九号的一级火箭在飞行到海拔160千米高度之后精准地降落回了卡纳维拉尔角的火箭降落场,创造了历史。

事实上,在过去很长一段时间内,SpaceX一直都将重复利用火箭视为为人类太空探索任务节约成本的最主要方式。在此之前,绝大多数火箭都会在成功发射后被弃用或者最终坠入大海,因此负责发射任务的公司、机构在每次执行发射任务后都需要花费数百万美元重新打造一个全新火箭。

重复使用

据SpaceX CEO艾隆-马斯克(Alon Musk)透露,“猎鹰9号”的制造成本大约在600万美元左右,燃油费用则为20万美元。因此从理论上来说,“猎鹰9号”的成功回收将可以大幅降低人类未来太空探索任务的成本,并让同一火箭能够在重新加注燃油后可以再次执行太空发射任务。

不过理论归理论,在现实情况下的SpaceX还需要全面评估、确保“猎鹰9号”的状态适合重复利用。这是因为“猎鹰9号”在第一次发射的时候经历了外部温度、压力的巨大变化,同时产生了巨大的箭体震动,而所有这些情况都有可能导致“猎鹰9号”出现严重的金属疲劳问题,并让SpaceX需要对其进行升级、修复后才有可能重新投入使用。


然而,修复火箭的引擎绝不是一件轻松的事情,这一工作可能花费很长时间,同时也就意味着SpaceX恐怕无法胜任频繁的火箭发射任务。而且,火箭的高昂修复成本正是此前NASA航天飞机项目支出一直居高不下的重要原因。

具体来说就是,NASA此前设计的半可回收航空航天系统主要包括三大部分:一个类似于普通飞机的航天飞机、两个大型固体助推器以及一个体积巨大的外贮箱。航天飞机在发射时,两个助推器发动机、轨道器3台发动机会同时点火,航天飞机系统起飞。其中,航天飞机可以在再进入大气层后像飞机一样水平着陆,可重复使用100次左右。两个固体助推器脱落时由于高度不高、速度不快,再之推进剂消耗完毕后就显得很轻,因此比较容易安全回收并重复使用。

不过,大型外贮箱脱落时的高度已达188千米,速度达到每秒7.8千米,且重量仍高达30余吨,因此这样一个庞然大物从太空回到地球,并回收使用是根本不可能做到的,所以NASA只能任其坠入大气层烧毁。

对此,前NASA航天飞机项目工程师、现美国宇航局顾问委员会成员维恩-海尔(Wayne Hale)表示:“航天飞机的再利用工作并没有想象中那么顺利,因为我们需要对其进行非常复杂的修复工作后才能将其再次投入使用。比如,航天飞机的引擎每隔几次就需要进行更换,航天飞机和从海上打捞回来的两个固体助推器需要进行完整的检测和修复后才能继续使用,而且我们需要为每次发射任务打造出一个新的外贮箱。将所有这些成本计算在内后,航天飞机项目的每次发射费用已经达到了4.5-15亿美元之间。”

简单设计

目前,“猎鹰9号”的内部设计远不及此前的航天飞机那么复杂,因此这一火箭的修复工作也将比后者简单许多。不过,“猎鹰9号”在发射过程中所经历的极端外部环境却同航天飞机如出一辙。曾任职于美国宇航局的前项目经理史蒂夫-保卢斯(StevePoulus)表示:“猎鹰9号火箭的第一级驱动火箭在发射过程中的外部温度会从华氏零下250度一路上升至华氏1000度,这也正是火箭设计如此重要的关键所在。SpaceX很可能使用了金属,并在某些部分使用了复合材料才使猎鹰9号可以承受这些温度变化。”

同时,“猎鹰9号”还在此次发射中承受了巨大的外部气压压力。具体来说就是,“猎鹰9号”第一级火箭的最高速度可以达到5.5至7.5马赫,当它以这个速度穿越大气层时会导致火箭产生剧烈震动、箭体遭到受压,并对箭体造成破坏。

“这些气压压力甚至有可能高达数百磅。”保卢斯说道。

不过,SpaceX此前的确有过重复发射一枚火箭的经验。比如,该公司曾多次借助“蚱蜢号”测试了“猎鹰9号”火箭的回收着陆系统,且总共发射了8次之多。不过“蚱蜢号”火箭的飞行高度只有2440英尺(约合743米),且没有飞入太空,因此其并没有经历“猎鹰9号”所经历的那种严苛外部环境。

挑战犹存

的确,这一重复使用火箭的理论在很大程度上取决于火箭的整体设计思路。如果“猎鹰9号”在发射和回收过程中没有遭到太大的破坏,那么其检修和时间成本就会大幅降。SpaceX曾在去年表示,公司相信可以在无需检修的情况下重新发射经过回收的火箭,因此现在该公司工程师的工作就是研究他们的设计能否达到这一目标。如果可以的话,那么这一回收火箭的设计就具有着深远意义。

同时,这也正是SpaceX研究周一回收“猎鹰9号”的原因所在,因为他们希望充分了解这枚火箭的受破坏程度。马斯克表示,虽然这枚火箭不会再次发射,但它却能帮助公司充分了解两次发射过程中所需要展开的翻修工作。

保卢斯表示,无论怎么计算,火箭的修复成本肯定会远低于制造新火箭的费用。而且,这类火箭的大多数修复工作都属于“检测”范畴以及对某些部位进行的细微调整,因此所有这些成本都不会超过50万美元,远远低于制造一枚新火箭所需的6000万美元支出。

“显然,这大大降低了航天任务的成本支出。”保卢斯最后说道。

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