27发并联——N1再世,还是独辟蹊径?
正因为“重型猎鹰”迄今的公开信息是如此混乱和自相矛盾,也就导致我们很难对其性能进行定量而且准确的分析,而只能做出一个粗略的预测。尽管目前对于其技术细节尚难做出准确的分析,然而基于火箭相关的常识和经验,笔者可以肯定地说:
在SpaceX推进“重型猎鹰”项目前进的路上,有一个足以埋葬整个项目的大坑——起飞阶段发动机过多。由于其起飞阶段将有多达27台梅林1D发动机共同工作,从而使其遭遇发动机故障的概率大幅度增加。而就在40多年前正是同样的缺点,彻彻底底的坑死了著名的N1火箭,也葬送了整个苏联登月项目。
“重型猎鹰”是否会让SpaceX学“做人”?
美苏登月竞赛登场选手:土星5(左)/N1(右),五台F1发动机推动土星5起飞、奔向月球,30台NK33坑死了N1、变成人类历史上最壮观的烟花 根据概率论基本原则,并联工作的发动机数量越多,出现发动机故障的概率就越大。飞行中的运载火箭、一旦出现了单台或者多台发动机故障,就会面临推力不足/推力不平衡等问题,有可能导致任务失败。基于这个考虑,自从N1火箭含恨而终之后,全世界航天界形成了一个不成文的共识:一子级+助推级发动机的总数必须严格限制,切不可超过10台。
以长征系列火箭为例,长征2E/F、长征3B都是8台发动机,而长征5则是10台,已经达到了安全数量的上限。
也许有人会提出反对意见——错!苏联解体前开发的“能源”超级火箭,你数数尾喷管数量,助推器+一子级明明安装了20台发动机……
“重型猎鹰”是否会让SpaceX学“做人”?
对“能源”超级火箭发动机数量的判定,是航天爱好者群体内一个较为普遍的误解。该火箭连同两侧助推器一起,实际仅8台发动机。造成其配备20台引擎之谬的原因,乃是两侧助推器的单发多喷管设计 实际上,这是一个可以容忍的误解:“能源”的四台助推器使用的是RD170发动机,因为苏联没有解决液氧煤油燃料的单燃烧室超大推力稳定燃烧问题,采用了独特的四喷管结构——四个燃烧室、四个喷管构成一台发动机。所以“能源”在起飞阶段是4台RD170+4台RD0120,总共8台发动机,依然遵守这一原则。
“重型猎鹰”是否会让SpaceX学“做人”?
矗立在发射架上巨大的“能源”号火箭,其作为暴风雪航天飞机的升空用载具构筑,曾经发射过著名的“极地”号太空极光武器系统,自苏联解体后惨遭到废弃 那么,多发构造的火箭,在任务过程中一旦出现发动机故障问题,能有什么补救措施呢?一般来说,设计师通过设计时预留的冗余推力,加上操控系统补偿性关机的办法解决——当某台发动机故障不得不紧急关机时,系统可按照预设好的推力平衡方案,补偿性关闭其它对应位置的发动机,以便维持推力平衡。
由于火箭设计时均考虑预留冗余推力,所以一般来说火箭仍可以正常飞行。故从理论上来说,“重型猎鹰”在起飞阶段有多达27台发动机并联工作、起飞推重比1.49(普通的运载火箭通常为1.25-1.35),看起来是可以轻松应对这种麻烦的。
“重型猎鹰”是否会让SpaceX学“做人”?
2011年4月,SpaceX首次公布“重型猎鹰”时,对着模型猛拍的记者们 但是,这种乐观的分析结果是建立在故障发动机紧急关机后不会波及相邻发动机这个前提下的。事实真的有这么美好吗?答案显然是否定的。
液体火箭发动机为了追求高比冲、大推力、极高的推重比,所有零部件都是工作在极限状态下。当发动机出现故障需要紧急关机,就意味着出现了“原因不明的损伤”,特别是燃气发生器循环/高压补燃循环发动机,高速旋转的涡轮泵等运动部件出现损坏的可能性很大。这个时候,最糟糕的结局是零部件碎片击穿了相邻的发动机……“轰”的一声,一个超大号烟花就这么诞生了,金锣大仙也救不会来。前苏联N1火箭就多次上演过这一幕。
“重型猎鹰”是否会让SpaceX学“做人”?
出现故障后在高空爆炸解体的“猎鹰9”火箭
纵然故障没有导致最糟糕的结局,发动机零件碎片没有当场引爆火箭,就一定万事大吉、高枕无忧?答案也是否定的。
虽然现在的控制系统的运算能力、反应速度,均比N1那个时代提升了至少一个数量级,但是紧急关机指令的执行者——燃料泵——对指令的响应速度并无革命性的提高。所以,一旦故障发生,发动机哪怕只用了0.1秒切断燃料供应(这个假设已经很乐观了),以梅林1D的燃料消耗率、那也是20多公斤液氧和煤油,而这些燃料足以在受损的发动机制造出后果难测的大麻烦了!
所以,只要飞行中火箭发动机出现了故障,即便紧急关机成功,后果依然是不可预测和不可控的。就SpaceX来说,“猎鹰9”在任务中遭遇过尾喷管破裂故障,所幸该发动机被及时关闭、避免了灾难性事故,任务最终磕磕绊绊地完成了,可谓福星高照。但是,万一破损的尾喷管泄露的高温高压燃气、影响了相邻发动机呢?如果破损的不是尾喷管、而是燃气涡轮叶片呢?还有很多其他“万一”,凡此种种、不一而足……一枚商业用途的火箭,总不能把可靠性寄托于好运气吧!
经过上述分析,结论很明确:N1火箭屡射屡炸的悲惨结局,给全世界航天工程师留下深刻的教训——在运载火箭上并联太多的发动机是个普遍公认的馊主意。这个教训到了今天依然没有过时,成了摆在“重型猎鹰”项目前面的头号大坑,而且深不见底。
唱衰完毕。现在我们来谈谈SpaceX的优势。
和悲剧的N1相比,“重型猎鹰”也存在躲过这个坑的有利条件。这主要基于梅林发动机和导致N1悲剧的NK33引擎的差异。和梅林1D相比,NK33是高压补燃循环,涡轮泵功率更大、燃烧室压力更大(2151psi),它的涡轮泵工况也远比燃气发生器循环极端、苛刻。而NK33和梅林发动机一样,也是把减重做到了极致(推重比137,高压补燃循环液氧煤油发动机减重纪录的保持者)。故其的可靠性不如结构更加精简切工况简单的梅林发动机。
“重型猎鹰”是否会让SpaceX学“做人”?
NK33,世界上第一种投入使用的高压补燃循环液氧煤油火箭发动机 综上所述,“重型猎鹰”虽然面临巨大考验,却也有一定的概率能够避免重蹈N1的覆辙。
事实上,作为资深航天爱好者,笔者对SpaceX的这次探索充满期待——
试想,如果真的突破了N1火箭的悲剧留给业界的魔咒,难道不会给运载火箭研发开辟崭新的局面创造无限的可能?各位不妨想想看,如果能够把27台国产的YF100引擎并联在一起,则其总推力就将达到惊人的3240吨,完全可以托起一枚起飞质量超过2500吨的超级大火箭。这样一枚巨物,将能执行多么宏大的航天发射任务?不需要研制单台推力超过400吨乃至800吨的怪物级火箭发动机,就可以造出新一代大火箭,能节约多少时间和资金?
“重型猎鹰”是否会让SpaceX学“做人”?
发射起飞状态的“德尔塔4”重型火箭。其是美国航天市场目前能使用的最重型运载火箭 因为知道死活好歹,所以人也就难免瞻前顾后表现出悲观态度。但是,对于“重型猎鹰”这堪称疯狂+奇葩的设计方案,笔者更愿意保持一种乐观其成、谨慎观望的态度。
不管前面是地雷阵还是万丈深渊,既然有人愿意勇往直前、义无反顾、鞠躬尽瘁,以求死而后已——那么我们这些潜在受益人都应该说一句“谢谢”。对于黑锅和送死统统揽下的人,我们理应表示敬意。
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