知乎日報:如何看待SpaceX 成功發射 Falcon9 並回收一級火箭?

  好吧,親自觀看了發射 - 回收全程的必須回答這個問題,剛剛從高速上下來,累死累活。

  可惜這次人太多太多,沒拍到好的照片

  這是上升段手持長焦拍攝的,就這麼一張不算太抖,九台 Merlin1D 的火力還是很燃的!

  下面那個亮點是分離後的第一級,上面仔細看能看到的小亮點是第二級。

  本來這次發射定在上週六的,先説推遲到一月,我就沒在意,週日晚臨睡前刷 spaceX 官網,發現居然改到了週一,於是匆匆忙忙趕過去,也沒做特別的準備,本來計劃的長曝光也作廢了,只好拿兩年前拍的一張回味

  這是兩年前幾乎在同一位置拍攝的 Atlas V 火箭發射,那個時候還沒幾個人知道卡拉維拉爾港這個風水寶地,結果今年路上堵車堵到附近高速入口裏一大截。

  好吧言歸正傳,上次亞馬遜老總貝索斯的私人火箭公司 Blue Origin 成功讓 Shepard 着陸的時候,我就説“超越 SpaceX 還為時過早‘,(僅僅從回收火箭的角度)我當時的論據如下:

  1.Shepard 只是送一個空飛船進入亞軌道,和 Falcon 9 這種成熟的商業火箭不能比;

  2.Shepard 的長度只有 Falcon 9R 第一級的三分之一,本身穩定性就好,而且為了回收專門設計,有專用穩定翼面,Falcon 9R 則是在普通火箭基礎上的改裝;

  3.Shepard 是陸地着陸,而且從視頻看,最終的着陸左擺右晃調整了很久,感覺着陸精度遠差於 Falcon9R 的海上平台。Falcon 9 作為商業火箭,第一級的剩餘燃料相當少,調整機動必須簡潔,穩穩當當直接落好,如果在狹小的海上平台着陸,難度極大(第一次試驗就是垂直落下,速度很好,可惜落歪了一點點),但如果改成陸地着陸,估計早就成功了。

  結果今晚,果然被我言中。

  我當時離着陸點大約 10 英里,而且最終着陸位置被一輛該死的警車給擋住了,所以也是靠刷推才知道結果(233),從發佈的視頻看,這次着陸非常穩當,而且直落着陸點中央。

  開了 6 小時高速困得不行,明天來補充技術細節吧。

  從最早的 grasshopper 到如今 Falcon9 成功回收,SpaceX 做過不少回收實驗,大多數都是低高度的回收,還有一些是可控海上濺落,不過大家印象深刻的應該是今年初的兩次失敗的海上平台實驗。

  這兩次實驗代號分別為 CRS5 和 CRS6,運送的都是 NASA 委託下給 ISS 送快遞的“龍”貨運飛船。該飛船自重就有 4200kg,算上 2317kg 的貨物,總重超過 6.5 噸,而軌道高度大約是 400 千米,軌道傾角 51.65 度。

  再來看看這一次任務,運送 11 顆 ORBCOMM OG2 衞星,單顆衞星質量 172kg,即使算上固定 / 釋放衞星的機構,估計總重也不會超過 3000kg(純推測,望打臉),軌道傾角差不多,雖然軌道高度要高一些(650km 左右),但總的來説,這次任務的載荷要低很多,也就是 Falcon 9 可以有更多的剩餘燃料。

  這次發射的火箭也是最新改進的 Falcon 9 v1.2(或者叫 v1.1 全推力版)。第二級上的 Merlin1D 引擎採用了更大的噴口,可以提高真空中的效率(第二級給力第一級壓力就要小一些)。可回收的第一級也採用了更成熟的推重比更高的完善版 Merlin1D 引擎。

  最關鍵的改進,在我看來還是“超冷卻”的火箭燃料。Falcon 9 的第一級和第二級都是液氧 - 煤油發動機,這次 SpaceX 把液氧冷卻到了零下 206.7 度(66.5K),煤油(確切的説是 RP-1 燃料)冷卻到了零下 7 度(266K),這讓燃料的密度比之前稍微高一點,同樣的體積下可以攜帶更多的燃料!第二級似乎也加長了 1.2,米,於是 Falcon9 這次總長達到了 70 米,需要回收的第一級長度超過 41 米,作為對比,Blue origin 的可回收火箭 New Shepard 只有不到 16 米。

  這是 SpaceX 之前進行海上回收的示意圖。

  http://www.flightclub.io/results.php?id=0490d68b-62a1-4a2a-b39a-f47bacadc6e3&code=OG22

  這是本次任務火箭第一級的軌跡,原點是發射位置。也就是説,因為有更充足的燃料,這次火箭可以徹底掉頭飛回發射地,然後再次掉頭讓發動機噴口衝下減速最終回落,上次達到這個水平的火箭,還是我國明代兵書《武備志》記載的“飛空砂筒”(大誤,我是不信的)。

  SpaceX 發佈的關於 Falcon9 Heavy 可回收的動畫,基本和本次任務相同,除了多了倆助推器:

  https://www.youtube.com/watch?v=4Ca6x4QbpoM

  昨天在現場的時候,最終落地時發出了極大的響聲,好多人都以為落地失敗,就連 Elon Musk 本人也以為發生了爆炸,跟技術人員確認之後才知道着陸成功。實際上那是火箭發動機噴流和地面平台作用產生的音爆。不過這也讓人擔心,如此回收的第一級火箭再次發射的成功率有多大?需要多少進一步檢修才能發射?SpaceX 承諾的低成本到底有多大優勢?不過無論如何,我還是恭喜 Elon Musk 和 SpaceX,你們真的創造了歷史!

星移君,http://interimm.org 星際移民中心

  這一天 SpaceX 重新定義了火箭。

  多圖預警,手機流量黨請注意!

  以下圖片,未特別註明均來自相應的 Wikipedia 頁面。

  在人類短暫卻充滿艱辛的航天史上,火箭一直是不可替代的天地運輸工具。

從航天之父——俄國齊奧爾科夫斯基推導出那優雅的火箭公式,

到美國人羅伯特·戈達德發明了人類史上第一枚液體火箭,

  再到由馮·布勞恩主導設計的令人歎為觀止的土星五號火箭,

  人類脱離地心引力的束縛,一步一步接觸太空的夢想逐漸變得更近。

  但是,物理定律永遠不會對人類作出的所謂壯舉報以微笑。從火箭理論一提出開始,人類就意識到,要把更大更重的貨物運往太空,單靠單級火箭是遠遠不夠的。因此,多級火箭的設計應聲而出。多級火箭的原理十分容易理解:用完的東西馬上拋掉,避免對後續任務造成負擔。在理想的情況下,火箭的級數當然是越多越好,這樣能夠保證燃料的最高效率利用。但是,考慮到火箭結構設計的複雜性,現在主流的運載火箭一般是兩級到三級。

  即使多級火箭的技術已經趨於成熟,火箭的發射成本卻一直居高不下。地球強大的引力勢阱一直束縛着人類航天事業的發展。為此,人類也用自己的智慧進行了鬥爭!

  無數種降低天地運輸成本的方案被提了出來,聽起來比較虛無縹緲的諸如太空電梯、軌道大炮等人類尚無法實現的技術,有效但作用有限的方案包括機載火箭發射(wikipedia.org 的頁面)、降低發射場緯度等辦法。但是從火箭的本質上來説,只有一種真實可行的方案可能讓天地運輸成本大幅度降低,這就是可重複使用(Reusable)技術。

  現代成熟的工業化產品中,沒有什麼能在一次性使用的條件下而出現完整的產業鏈(武器的使用目的不同,因此除外),如果每一輛汽車買回來只開過一次就毀壞,汽車這種產品也只會成為富人享受的奢侈品。

  火箭技術、甚至説整個航天技術也是同樣的道理。沒有可重複使用的話,火箭永遠都只是大國的玩具。人類在可重複使用技術的研發上受盡了挫折,但這個努力的方向卻不會改變。

  航天飛機

  航天飛機的使用就是人類對於可重複使用技術的第一次大膽而富有創新的嘗試。

  整個航天飛機由三部分組成:軌道器(飛機)、外掛儲箱(橙罐)、助推器。其中軌道器和助推器均可重複使用。

  有很多人認為,航天飛機是美國航天史上的一次錯誤的嘗試,甚至拖累了美國的向太空進軍的行程。因為從成本上來看,可重複使用的航天飛機並沒有給美國政府降低多少運算,算上其巨大的維護成本,航天飛機發射比火箭發射更貴。此外,由於航天飛機系統的複雜性,任何一處小的失誤都可能葬送一次任務、一架飛機以及一批的航天員。航天飛機總共發射 135 次,133 次成功,另外兩次分別是挑戰者號與哥倫比亞號的最後一次任務,勇敢而偉大的太空探險家為此付出了生命。

  現在我們很難評判航天飛機戰略相較於火箭戰略的優劣,但是我想説,人類對於新技術的追求不會因為挫折而停滯。航天飛機對於可重複使用技術的初次嘗試在降低成本上是失敗的,但這個奮鬥的方向卻不會改變。

  這裏插入一個紀念視頻:135 架航天飛機同時發射是什麼樣子的?

  可重複使用火箭

  今天 SpaceX 使用 Falcon9 火箭進行的 Orbcomm2 任務發射,毫無疑問,是可重複使用火箭技術上一個偉大的里程碑。

  下面就簡要梳理一下可重複使用火箭開發的艱辛歷程。

  DC-X

  其實,SpaceX 並不是第一家研發可重複使用火箭技術的公司。早在 1993 年,美國的麥道公司(McDonnell Douglas,現在已經併入波音公司)就對其研製的“單級入軌可重複使用運載器”的試驗機——DC-X (McDonnell Douglas DC-X) 進行了測試。這幾次測試主要驗證了火箭垂直起降的可行性,但是由於經費的原因,這個項目在移交給 NASA 之後並沒有繼續進行下去。據 Wiki 上説,在此之後,很多 DC-X 的項目工程師去了藍色起源(Blue Origin)公司繼續研發。

  DC-X 任務圖示,來源:DC-X

  DC-X 發射圖片,來源:DC-X Rocket Remembered: 'Sputnik of Commercial Space' Joins Space Hall of Fame,Credit: New Mexico Museum of Space History

  DC-X 點火,來源同上,Credit: New Mexico Museum of Space History

  蚱蜢火箭 / F9R Dev1

  SpaceX 的蚱蜢火箭(Grasshopper (rocket))是可重複使用獵鷹 9 號火箭的試驗機,相當於是 Falcon 9 火箭的第一級。Grasshopper 一共在進行了 8 次測試(以下簡稱“跳躍”),從第一跳,僅僅持續了 3 秒的點火併微微離開地面,到最後一跳測試高度達到 744 m,Grasshopper 的每一跳都見證了 SpaceX 垂直起降技術的點滴積累。

  (下列圖均截自 Grasshopper 測試視頻,信息來源為 Wikipedia)

  蚱蜢第一跳:高度 1.8 米;測試時間:2012-09-21;點火持續 3 秒

  蚱蜢第二跳:高度 5.4 米;測試時間:2012-11-01;點火持續 8 秒

  蚱蜢第三跳:高度 40 米;測試時間:2012-12-17;點火持續 29 秒,並首次搭載了一個牛仔假人。

  蚱蜢第四跳:高度 80 米; 測試時間:2013-03-07;點火持續 34 秒

  蚱蜢第五跳:高度 250 米;測試時間:2013-04-17;點火持續 61 秒,展示了火箭在風中的穩定性。

  蚱蜢第六跳:高度 325 米;測試時間:2013-06-14;點火持續 68 秒,並測試了將用於控制獵鷹九號火箭精準着陸的導航傳感器。

  蚱蜢第七跳:高度 250 米;測試時間:2013-08-13;點火持續 60 秒,在 250 米高空進行 100 米側向機動測試。

  蚱蜢第八跳:高度 744 米;測試時間:2013-10-07;點火持續 80 秒,蚱蜢的最後一次測試。

  想要看視頻的話可以點擊這個連接:SpaceX 蚱蜢火箭 全集。

  在蚱蜢進行了八次成功跳躍之後,SpaceX 又開始進行 F9R Dev 1 的測試。與蚱蜢火箭相比,F9R Dev1 安裝了可摺疊的着陸腿,這和 Falcon 9 v1.1 中的設計是相同的,所以 F9R Dev1 更接近於 Falcon 9 的第一級。

  Falcon 9 v1.1 的着陸腿,來源:Falcon 9 | SpaceX

  從 2014 年 4 月到 2014 年 8 月,F9R Dev 1 一共進行了 4 次測試飛行,但是,新技術的研發並從來不是一帆風順的,F9R Dev 1 在最後一次測試中爆炸,原因是傳感器故障。

  F9R Dev1 第一次測試:高度 250 米;測試時間:2014-04-17。

  F9R Dev1 第二次測試:高度 1000 米;測試時間:2014-05-01。

  F9R Dev1 第三次測試:高度 1000 米;測試時間:2014-06-17,首次安裝了四個用於在下落時調節火箭姿態的可操縱舵。

  F9R Dev1 第四次測試:火箭爆炸;測試時間:2014-08-22。

  由於測試場地的限制,F9R Dev1 無法飛到更高的高度。SpaceX 原計劃在新的測試場地——位於新墨西哥州的美國太空港(Spaceport America)進行 F9R Dev2 的測試,當時貌似目前還沒有什麼消息。

  Falcon 9

  如果 SpaceX 只是一味地對垂直起降技術進行一系列的測試而不把它用於實戰的話,那麼和鹹……不對,那麼將其僅僅定義為“奪人眼球”、“騙投資”也是很正常的。但 SpaceX 卻敢於把這個技術用在自己的主力火箭——獵鷹九號。經過了多次失敗之後,在陸地上成功回收第一級的階段性目標終於完成。

  在 Falcon 9 v1.1 (以下簡稱 Falcon 9)投入使用之初,幾乎每一次發射都包括了兩個任務:主線任務是把有效載荷成功送入預定軌道,支線任務是對可重複使用技術進行實戰演練。

  根據 List of Falcon 9 and Falcon Heavy launches 上面的資料,在 2013 年 9 月、 2014 年 4 月以及 2015 年 1 月,Falcon 9 在一二級火箭分離之後,都對第一級火箭進行了海面軟着陸的測試,將第一級與海面的接觸速度降低到了零。

  2013 年 9 月,Falcon 9 的第一級火箭在海面濺落。來源:SpaceX Hit Huge Reusable Rocket Milestone with Falcon 9 Test Flight (Video),Credit: SpaceX

  在今年的 4 月 14 日,SpaceX 第一次使用無人船作為平台,對第一級火箭進行海面回收。不過,這次回收由於着陸時第一級側向速度過大而導致傾覆,支線任務失敗。

  Falcon 9 第一級回收失敗。

  直到今年 6 月,Falcon 9 在執行 CRS-7 (國際空間站商業補給)任務中由於內部的杆失效而在空中爆炸,導致任務失敗。

  這次 Orbcomm2 任務是 SpaceX 在上次失敗後的首個發射任務,主線與支線任務均順利完成。可以説,可重複使用火箭進入一個新的發展時代。

  SpaceX 此次發射直播

  此次第一級回收的支線任務過程是怎麼樣的呢,可以通過下面一張圖瞭解一下:

  由 Reddit 網友 zlsa 製作,果殼網友 @ohcanada 翻譯,原帖鏈接:SpaceX Orbcomm OG2 Launch 2 直播。關於本次發射更加詳細的過程也可以在這個帖子瞭解~

  如何評價

  為什麼要在一開始説可重複使用火箭是對火箭的重新定義?從歷史的原因來看,火箭和導彈其實都是一家人。導彈的有效載荷是戰鬥部,而火箭的有效載荷是各種航天器,這兩者的一個共同特點就是用完就扔的一次性使用性。雖然燃料給火箭提供了推力,但是火箭本身的引擎、整體結構和內部設備才是火箭成本的大頭所在。

  一枚火箭的從設計到製造到裝配再到發射耗費了無數科研人員的心血,因此目前各國常用的火箭只有幾種技術比較成熟型號。由於火箭研製的巨大成本,推出一個新型號就必須要適應相應的需求,否則火箭的推力再大也無用武之地(參考當年阿波羅計劃之後土星五號火箭的退役)。

  毫無疑問,天地運輸的巨大成本是人類航天事業上的第一塊絆腳石。航天飛機是第一次嘗試,雖然失敗了但卻提供了方向。我們也無法通過今天 SpaceX 回收第一級火箭的成功,就斷言今後幾年,Falcon 9 發射成本會大幅降低,因為在可重複使用的道路上還有諸如損傷檢測、設備維護、零件替換等一系列複雜工作需要完成,這些全部成本加起來有沒有一次性發射的成本低,我們不得而知。但我想説,SpaceX 至少嘗試過。

  也許可重複使用火箭比一次性使用火箭成本更高,SpaceX 和當初 NASA 放棄航天飛機一樣放棄了 Reusable 的方案。

  也許天地往返運輸的成本永遠高居不下,太空領域永遠是大國間縱橫捭闔的陣地。

  也許未來的一百年也沒有人到達火星,沒有人在那裏欣賞未曾見過的藍色日落。

  也許由於互聯網技術的高速發展讓賽博空間取代了真實空間。

  就算這將成為現實,這也不是我想要的未來。

鄭擊波,研究航空發動機而不是汽車發動機也不是航空模型

  之前我一直很想知道 NASA 和 SpaceX 之間的關係,因為打死我都不信技術上 SpaceX 可以用幾年的時間超過了 NASA,但是看到 SpaceX 屢次失敗,心裏一直把這個公司當成是一個製造噱頭的公司看,也就沒有細究過。

  現在回收火箭終於成功了,也打消了我之前對於這家公司的偏見,而且從技術進步的角度上來説,這樣一個消息實在是可喜可賀,對於航天領域來説無疑是重磅炸彈,不光是 SpaceX 公司風光無限,估計各國航天相關的企業都會有所震動。

  説起來如何看待這件事,我個人而言有幾個想法:

  1,老牌航天企業的改革

  馬斯克本人也説過,航天領域產品的價格高昂,一部分是由於不恰當的官僚體制造成的,所以他本人才想到自己成立公司做這個領域的產品,現在成功了,當然是能夠證明他這個結論是正確的,而且他本人的這個行為也打破了美國航天企業 NASA 一家獨大、停滯不前的格局,這對美國來説是一記耳光,對於其他國家的航天企業也是一記耳光。各個國家都應該重新考慮新工業、互聯網橫行的新時代中,航天企業的改革問題了。

  2,科研 - 商業的重新平衡

  有個問題一直是我這個準科研人士在想的:科研跟商業究竟是什麼關係?

  在我的印象裏,一個國家科研的動力是長遠利益,但是一家公司的動力則是短期利益,所以在過去,像航天航空這樣需要長遠投資的領域,只有一個國家願意去做,也只有一個國家才能夠做好,畢竟相比太空旅行,人們更需要的是蘋果遊戲應用的開發,所以更加靈活、更加需求現金流的商業公司會願意做後者而不是前者。

  但是 SpaceX 公司好像打破了這個略顯陳舊的偏見,把航天產業做的挺好,這與現代投資、融資等金融業的大發展有着非常密切的聯繫,也與知識爆炸背景下技術幾何增長的時代特點有關,畢竟技術突破變得更加容易、資金來源更加豐富、風險投資的概念也越做越大,這些都是有利於私人企業進駐一些需要長遠投資的領域。所以科研,尤其是一個國家的科研究竟與商業——也即研究所、大學與企業之間的關係如何進行新的平衡,這也是一個有意思的命題。

  3,冷水

  説實話,可能是我這個人思想跟不上互聯網時代了,但我絕對不相信純商業的運營模式在可以遇見的未來會適用於航天、航空領域(如果未來技術的進一步發展可以讓組裝航天飛機跟現在組裝山地車一樣平常,那麼純商業的運營模式才是適用於航天領域的),所以我剛剛説的是科研 - 商業的重新平衡而不是把科研交給資本市場。

  而且,參見 NASA 和 SpaceX 具體是什麼關係,為什麼 SpaceX 總能拿到合同? - 孟德爾的回答,SpaceX 公司不是什麼純粹白手起家的商業公司,背後還站着 NASA 這個雖然思想陳舊、垂垂老矣,但是確實是實打實有過豐厚技術積累,今後也不會在研究上放鬆的巨人,而且説點兒不好聽的話,憑什麼以前用納税人錢做的各種科研項目的成果就被轉讓給 SpaceX 了?

  確實,SpaceX 會去想做一款航天產品,而且他也做成功了,但是在我的認知中,這些公司絕對不會想到要做結構完整性大綱——而這些東西才是真正的時代的精髓。所以説有人一看回收火箭成功了,就覺得明天就可以把 NASA 解散了,什麼都交給 SpaceX,那某些人也是想瞎了心了。

  總的來説,我看到的 SpaceX 的成功,是新興航天企業的勝利,是傳統航天企業自身改革的迫切性,傳統與新興航天企業合作的必要性,但是同樣也看到了狂熱的資本狂潮中所需要的謹慎。

  最後,還是希望航天、航空這種仰望星空的領域變得越來越好。

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