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版主:黑木崖
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马斯克的新火箭犯了设计大忌,为啥它却没爆炸?
送交者:  2018年02月07日18:40:47 于 [世界军事论坛] 发送悄悄话

  重型猎鹰发射升空,这次发射成功摘下了最强运载火箭的桂冠,也打破了火箭多发并联可靠性差的成见

  2月7日凌晨4点45分,重型猎鹰火箭从卡纳维拉尔角的的LC39工位发射升空。重型猎鹰2011年正式公布,原计划2013年发射,现在拖了四年多发射终于首飞成功,对太空探索技术公司和老板马斯克来说实属不易。发射成功后马斯克说,重型猎鹰研制难度超乎想象,我们曾三度准备取消这个项目,其中艰辛可见一斑。

  重型猎鹰近地轨道运载能力63.8吨,比现在其他运载火箭都要大,是排名第二的火箭运力的两倍还多

  重型猎鹰的运载能力相当强大,如果不算只能打亚轨道的苏联能源号火箭,它是土星五号以来最强大的运载火箭。63.8吨的近地轨道(LEO)运力,26.7吨的同步转移轨道(GTO)运力,即使地火转移轨道运力也有16.8吨。空洞的数据可能有些枯燥,对比一下实物,重型猎鹰能把波音737-300打到近地轨道上,能把天舟一号或者更重的日本HTV飞船打到火星转移轨道上。马斯卡爆出一个惊人的数据:研制重型猎鹰只花了5亿多美元,这真是吓死人!要知道欧美研制一种新型大型运载火箭,比如欧洲正在研制的阿里安6火箭,研制费用高达4亿美元,5亿美元的重型猎鹰火箭,这如何不让人大跌眼镜!

  重型猎鹰运力有多大?它能把载客近150人的波音737-300送入近地轨道!

  重型猎鹰这么物美价廉,其中一个关键因素就是它使用多台发动机并联技术,以及通用助推器芯级(CBC)技术。后者我们并不陌生,联合发射联盟的重型德尔塔4火箭就是这样的方案,然而前者可能很多人心有余悸:多发并联?当年苏联N-1火箭不就死在这上面?N-1火箭第一级并联了30台NK-15发动机,结果四次发射四次爆炸,让苏联载人登月计划彻底完蛋。重型猎鹰火箭起飞级并联27台发动机,这也能成功?!重型猎鹰发射前例行进行地面静态点火,27台发动机已经一起轰鸣过了,这说明它的发射成功绝非偶然。那么美苏到底有什么区别,怎么同样是多发并联设计,结果却既然相反呢?

  N-1火箭是苏联的登月火箭,第一级并联了30台NK-15发动机,但四次发射都以失败告终

  先看苏联N-1火箭,它的30台NK-15发动机都是高压补燃液氧煤油发动机,单台推力154吨,比我国新一代长征火箭上的YF-100液氧煤油发动机推力还大,NK-15发动机后来还改头换面为NK-33,卖给美国用于轨道科学公司的安塔瑞斯火箭。NK-15的可靠性的确不太行,安塔瑞斯火箭就被它炸了一次,加上N-1火箭又并联了30台发动机, 30台发动机中一台出现问题的概率,当然要比一两台发动机高。N-1火箭研制十分仓促,虽然上面各级火箭都进行过地面试验,但第一级太大没能进行地面点火试验,它并联30台发动机带来了复杂的耦合振动,只靠飞行试验验证自然风险极高屡战屡败。

  N-1火箭地面测试不充分,飞行中的复杂耦合振动加上不完善的飞控,让它一败涂地

  N-1火箭四次都以失败告终:第一次是先是关闭了12和24号发动机,然后POGO振动导致2号发动机的推进剂泄露并起火,火箭爆炸;第二次8号发动机爆炸导致推进剂输送异常,控制系统随后关闭了更多发动机,最后只剩一台发动机工作,落到地面引发大爆炸;第三次火箭出现意外的滚转,控制系统没能纠偏反而滚的越来越快,最终导致火箭解体;第四次火箭按预定程序关闭中央6台发动机降低过载,结果关机带来的过载反而导致推进剂管路破损泄露,然后4号发动机爆炸,最后火箭也爆炸了。N-1火箭发射四次发射三次与发动机直接相关,发动机不可靠是主要原因,高压补燃循环发动机输送管路压力大,而预燃室出来的富氧燃气等于点火剂,更增加了单发故障引发火灾和爆炸的可能。

  重型猎鹰并联了27台发动机,更确切说是并联3枚猎鹰九号,和N-1火箭的并联方式不同

  再来看重型猎鹰火箭,它起飞使用27台发动机不假,但却是三枚箭体并联,每一枚箭体各9台发动机的设计,这与N-1火箭30台并联在一枚箭体内截然不同。重型猎鹰火箭的助推器实际上就是猎鹰九号火箭,它已经在以往48次发射中得到了充分检验,马斯克对重型猎鹰火箭进行了充分的试验和模拟,且不说计算机模拟和风洞试验,单是地面静态点火试车就是N-1火箭可望而不可即的,两者还真是天壤之别。

  重型猎鹰火箭没有重蹈覆辙步N-1后尘,高可靠性的Merlin 1D发动机是重要原因

  重型猎鹰火箭使用燃气发生器循环的Merlin 1D+发动机,开式循环本来安全性就高,Merlin 1D+发动机设计上重复使用,每台发动机从造出来到发射,都要进行至少3次热试车,其可靠性让NK-15发动机望尘莫及。马斯克对发动机爆炸也早有准备,猎鹰九号研制时就为发动机加装凯夫拉保护罩,防止一台发动机爆炸的碎片破坏其他发动机,2012年猎鹰九号火箭的一号发动机失压紧急关机,这台发动机的保护罩在压力下破损,但火箭仍然把龙式货运飞船送到国际空间站,太空探索技术公司多发并联冗余设计的可靠性还真是没得说。

  猎鹰九号曾有发动机故障关机保护罩破损,但是火箭仍完成任务,重型猎鹰和N-1真是形似而神不似

  总而言之,除了同样并联数十台发动机外,重型猎鹰火箭和N-1火箭几乎没有什么相似之处。N-1火箭测试不充分,发动机可靠性不高导致连续发射失败,当然不会在重型猎鹰火箭身上重演了。重型猎鹰火箭具备发动机推力冗余能力,反而为这种火箭带来了更高的可靠性和发射成功率。


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