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向往太空的马斯克,为什么没去造「更先进」的火箭?

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  「气尖发动机不仅开发和研究成本高,风险大,且收益不比传统,更加可靠的钟形发动机。一个普遍共识是,这不值得。」

  知乎上有个帖子主题是「如何评价 SpaceX 的 2020 年?」,一条回答似乎答非所问,但也道出了 SpaceX 收获颇丰的原因——「火箭做好了,做什么都顺利。」

  不管是星链计划,载人龙飞船,或是移民火星的各种项目,SpaceX 给一众「追随者」的最好启示是,想要在太空做些很酷的事情,就必须降低火箭发射成本,让航空航天成为一门真正的「商业」。

  
发射升空中的猎鹰 9 火箭|官方供图

  SpaceX 通过发展运载火箭的可重复使用技术,将发射成本进一步降低。2015 年底,当 SpaceX 首次成功回收一级火箭,埃隆·马斯克说这是他人生中最棒的时刻。但是不知道大家有没有好奇过,多级助推真的是最高效的解决方案吗?

  其实早在上世纪 60 年代,科学家就在研究是否存在一种在所有大气压环境下都能使用的火箭发动机。也就是气尖喷管(也称气动塞式喷管)发动机。但要理解气尖喷管比传统的钟形喷管使进入太空成本更低效率更高,还得先看看火箭发动机的工作原理。

  气尖发动机,能改变什么?

  简单来说,火箭发动机的基本原理是作用力和反作用力,自带的推进剂(能源)在发动机内转化为动能,形成高速射流排出从而产生推力。

  火箭运转要达到最高效率,离开发动机喷管的气流压力,要刚刚等于周围大气压。这很好理解,只有这样,气流完全向火箭运行方向的「正反向」推,一旦气流压力高于周围大气压,会向四周膨胀散射,这部分没能给火箭提供升力,属于浪费。

  而低于周围压力的超音速流体会形成冲击波,形成压缩——膨胀——压缩——膨胀的循环现象,也是俗称的耀眼的「马赫环」。这不仅是效率低下的表象,如果周围大气「挤进」喷嘴太多,冲击波和瞬间压力峰值造成气流分离(flow separation),严重时导致喷管结构破坏等后果。

  
气流压力小于周围大气压,叫做过度膨胀(overexpanded)|网络

  传统火箭常用钟形喷管,其主要起到「加速器」的作用。为了加快相同质量的气体通过喷管的速度,实际上可以通过缩小中部「窄喉」尺寸。然而气体到达窄喉时,流速已经超过音速,反而遵循截面越大,流速越快的原则,因此要扩张喷嘴壁,气流在整个钟形喷管中是先收敛再扩散。所以喷管效率对于喷管的「几何形状」有很大的依赖。

  然而喷管是要在一开始就设定好的,只能在一个高度达到最高效率。随着火箭升空,无法兼顾在不同气压环境下既高效,又安全。所以传统火箭多使用多级设计,达到一定高度时,第一级脱落,接着由下一级助推。

  
海平面发动机和真空发动机对比(SpaceX 梅林发动机)|论文截图

  但这种火箭设计真的是最优解吗?

  正如埃隆·马斯克常说的那样,高达 70% 的发射成本用于了助推阶段。大口径的真空发动机起飞阶段无用,却占了很大一部分重量,完全属于浪费,而关于一种能在任何气压环境下使用的新型火箭发动机的设想,早在上世纪 60 年代就出现了。

  气尖发动机通过结构的改变调整了燃气喷出后的膨胀状态,使其「自适应」不同高度的环境背压(阻力),与同一量级的钟形喷管发动机相比,气尖喷管使得发动机产生的推力被最大化利用,携带更少的推进剂意味着会降低火箭发射成本。

  
钟形喷管和直排型气尖喷管对比图|NASA

  相比钟型喷管,气尖结构并非喷管包裹着气流,气流是一个「半受限」状态,外侧是自由膨胀边界,内侧受到壁面约束,产生推力。位于海平面时,较高的周围气压将气流推向喷嘴壁,随着高度升高,气流所受压力变小,气流自动形成一个「虚拟」的口径变大的喷嘴。以此适应不同气压环境,因此也被称为(海拔)高度补偿喷管。

  

  而根据发动机模块的不同组合方式,气尖发动机分为环排型和直排型两种。从理论上来说,气尖发动机可以代替对于分级火箭的需求,实现单级入轨。

  效率和成本的悖论

  洛克达因早在 1959 年就开始了研究,希望用更先进的气尖喷管用于土星五号,被命名为 J-2T(T 代表 torroidal,环排型)。洛克达因「借用」了性能更为优异的 J-2S(真空发动机)的推力室抽气循环、改进的涡轮泵系统,但是在 20 个月的预研工作结束后,J-2T 仍有较多的工程实践问题没有解决。

  外媒 everyday astronaut 比较了上述发动机在「理论上」的性能表现,「除了在推重比上,J-2T 从其他指标上是比 J-2S 更有信服力的选择。」

  
不同火箭发动机喷嘴解决方案对比图|洛克达因

  90 年代,美国赞助洛克希德马丁开始「冒险之星」计划的研发——单级入轨、可重复性使用、无人驾驶的航天器目的是取代航天飞机。研制成功的话,预计可使发射成本降低 90%。为此,洛克希德马丁先缩小尺寸(二分之一)研发验证机 X-33,采用 XRS-2200 气尖喷管发动机。NASA 为此投入了 9.2 亿美元,事故频发让投入变成无底洞,该项目在 2001 年终止。

  就连资金充足的 NASA 也是如此,更别说家底不厚的创业公司。2014 年,在 SpaceX、蓝色起源和维珍银河都待过的 Tom Markusic,成立了萤火虫太空公司(Firefly Aerospace)。为了降低「上天」的成本,Markusic 直接研发的就是气尖喷管,但是过于陡峭的技术路线很快拖垮了萤火虫。再次拿到投资时,它果断抛弃气尖喷管发动机理念,转向传统钟形火箭,「团队后来移除了所有花哨的设计,采用了商人的思路。」联合创始人 Max Polyakov 说道。

  2019 年底,总部位于新墨西哥州的 ARCA 测试气尖发动机 LAS 25DA,用于 LAS 火箭上。ARCA 也是为数不多的目前研发气尖喷管的公司之一。更早时候,这家公司就称正在研发和测试单级入轨 Haas 2CA 火箭,同样使用气尖发动机,业内评论称「目前完成度已经很高了」。如果成功,正如 ARCA 所说,该火箭将成为首枚「完整」进入低地球轨道的火箭。也是第一个使用气尖发动机升空的火箭。

  
ARCA 是目前为数不多的目前研发气尖喷管的公司之一|官方供图

  既然气尖火箭可以降低火箭发射成本,阻碍其半个世纪无法落地的原因又是什么?

  曾经研究气尖火箭的 Vector Aerospace 在 2016 年发了一条声明,其实可以很好的总结这一原因:「气尖喷管性能优异,但是零部件数量的增加意味着在推重比相同的情况下,要比传统钟形喷管更重,同时对可靠性要求更高。」气尖发动机无法像钟形发动机一样把燃料管环绕在钟形喷管四周进行散热,中间的尖柱无法承受非常高的燃烧温度,对冷却和材料要求更高。

  「气尖发动机不仅开发和研究成本高,风险大,且收益不比传统,更加可靠的钟形发动机。一个普遍共识是,这不值得。」everyday astronaut 总结道。说到底还是技术理想和现实算账的平衡问题。别忘了,「商业化」速度也是检验技术发展最重要的因素之一。

  即便是推崇「第一性原理」的马斯克,在解决火箭发射成本这样的问题上,还是趋向更加务实和合理的解决方案。他最大的关注点在于火箭的燃烧效率,并非高度补偿喷嘴所带来的优势,「传统钟形发动机,理论上达到 98.5%,或者有望达到 99% 的燃烧效率。」

  但是谁也说不好,毕竟随着对于材料的研究,耐热和重量问题总会有办法解决。当技术的突破能给成本和风险带来结构性的变化,这个理论上更加先进的火箭发动机,兴许能将太空探索的进程带向前所未有的高度。

  毕竟马斯克成功点燃社会对于人类向太空进发的热情,下一代的火箭「长」什么样,由谁来推动,依然是个值得关注的话题。

  

  

  题图来源:ARCA|责任编辑:于本一

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