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喷管裂缝?那就剪短6英寸!这还不是马斯克干过最疯狂的事

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  上次,我们讲到了马斯克他们的猎鹰9号火箭在第一次发射的时候遇到了雷雨,第二级的无线电信号非常的微弱,火箭进水导致电子设备出了故障。到底是把火箭拉回厂房检修呢?还是更换火箭的电子设备?最后大家商量了半天,决定用烘干机把设备里的水蒸汽烘干了就行了。

  说实话,这一招跟无线电修理铺对付半导体收音机的办法差不多。即便是到现在,修理手机的也会准备电吹风之类的装备。有时候是真好使啊。

  猎鹰9号第二级的电子设备烘干了以后,继续原样装好,用硅胶密封。信号虽然没有设计的那么强,也算是够用了,火箭照常发射。把龙飞船送进了太空里。马斯克的要求其实很低,保证不把卡纳维拉尔角的40号发射台炸掉就行了。从这个及格线来看,猎鹰9号的第一次发射还是很圆满的。

  你可能觉得马斯克手下的团队有点夸张,过去都认为,火箭是来不得一丝一毫马虎的。怎么能这么凑合呢?说实话,这是和火箭的设计思路有关系,马斯克从一开始就强调便宜,强调可靠,冗余度还是很高的,即便是打点折扣也都能凑合上天,这个习惯和俄国人有点像。


  火箭静态测试

  但是,马斯克该不凑合的地方是一点都不凑合,人家在猎鹰火箭发射之前都要做好几次全箭测试。火箭灌满燃料,但是不点火,这叫“湿测试”。如果是做戏做全套,不但灌满燃料,还要在发射架上点火,这叫静态测试。为啥就叫静态测试?对啊,火箭是被牢牢固定在地面上的,发动机一般只开3~7秒,记录下各种数据也就够了。

  从冯·布劳恩开始,他就喜欢在发射前搞静态测试,等于是一场模拟真实环境的“热身赛”,毕竟火箭太复杂了,简直是个混沌系统,各种不可能的误差全都凑到一起,你也不知道会出啥毛病,你只有全箭点火测一下,才能有把握。后来呢,这么干的人少了,毕竟是麻烦嘛。不过马斯克是坚持要搞的。

  当然啦,火箭即便搞静态点火测试,也只能测一级火箭,二级火箭可不能随便点火玩儿。猎鹰9号的第二次发射,恰恰是二级火箭发现了问题。猎鹰9号的第二级用的是真空板的梅林发动机,其实就是把喷管放大了一号。这个喷嘴是一种特殊的铌锆合金制造的,是一个相当坚固的材料。一直到12月初,都快要发射了,大家才发现这个喷管有裂纹。

  这个裂纹怎么来的呢?在发射前大约一个月,SpaceX收到了NASA的要求,在两级火箭之间的部分添加更多的氮气。因此,SpaceX的技术人员在底部插入了一条1英寸的管线,并吹入了氮气。这股额外的气流导致梅林发动机喷嘴振动,导致了最终破裂。

  如果喷管裂缝了,那是肯定没办法发射的。如果要换一个喷嘴的话,工厂远在加州。从加州弄一个好的喷管,然后千里迢迢运到佛罗里达,安装在火箭上,这来回一折腾,可能要多花一个月的时间。马斯克当然是不乐意的,这不是瞎耽误工夫嘛。

  所以,马斯克马上给远在加州的王牌技术员马蒂·安德森打了个电话。马斯克啥意思呢?就是让这个安德森带着大剪刀爬进喷管内,把喷管剪短6英寸,下边开裂的这部分咱不要了行吧,剪短点接着用。


  一边打电话,一边马斯克的私人公务机就做好准备了。几个小时以后,安德森拎着包坐上这架私人飞机就直飞卡纳维拉尔角。到了地方以后,爱德森一看,火箭还竖着呢,足有50多米高。先坐电梯上去,然后再乘坐起重机到达两级火箭之间。慢慢爬过去,用大剪刀硬是把火箭的喷管剪短了6英寸。

  说实话,猎鹰9号的运载能力有冗余,即便是二级火箭的喷管短了一截,也能完成任务,马斯克当时是有把握的。

  但是,SpaceX是给NASA打工的,人家NASA是甲方,马斯克这么三下五除二,剪掉了一圈喷管,NASA乐意吗?NASA的人听说这个消息以后,差点惊掉了下巴。这帮人都是野路子出身吗?这都是什么招数啊?马斯克还得给人解释,尽管喷口短了一大截,但是,推力仍然是够用,是能够完成这次龙飞船的发射任务的。

  你想啊,NASA的人能信吗?SpaceX的发射总监布扎以及公司的副总裁克尼斯曼,以及发动机设计师穆勒都来劝NASA关于商业发射项目的总负责人迈克·霍卡丘克和艾伦·林登莫耶,这二位听得云里雾里的,一晃脑袋,就是听不懂。

  所以,技术人员之间的交流才是最重要的,跟外行说是很难说清楚的。NASA也有工程师啊,和SpaceX的工程师们一起解决了所有的技术疑问。火箭和卫星是不一样的,卫星要在太空工作很久,但是火箭只要工作几分钟就够了,这就是火箭最特殊的地方,对喷管的修剪可能会损坏表面的抗氧化涂层,但是,只要熬过几分钟不就万事大吉了嘛!

  他们整整折腾了24小时,最后写了报告,提交给了NASA负责载人航天的格斯滕迈尔,他拥有最终拍板权。


  没办法,只能等着,一直到发射前一天的凌晨2点钟,格斯滕迈尔总算是批了,发射照常进行。这一次,猎鹰9号的发射非常顺利。火箭把龙飞船送进了太空,然后龙飞船脱离返回。火箭第二级2次点火,把8颗小卫星送进了轨道。火箭的第二级运转良好,尽管喷管短了一截。

  至此,SpaceX的工程师们心里一块石头落了地,火箭有了,飞船也有了,完成NASA的合同应该问题不大,这下研发资金算是不用发愁了。猎鹰9号要经历更大幅度的升级。

  其实猎鹰9号的1.0版本只用了5次,三次是拿来发射龙飞船的测试版。龙飞船在第3次发射的时候和国际空间站完成了对接,这是航天飞机退役以后第一次有美国飞船来对接,也是第一艘和国际空间站对接的商业飞船。后来嘛,龙飞船经常光顾国际空间站,隔三差五就溜达一趟。这时候的猎鹰9号用的还是梅林1C发动机,推力48吨。


  当时的梅林发动机还是比较拉跨的,推力也不大,比冲也不算高,推重比还算不错,但是其他指标都比较平庸。但是,马斯克是想尽办法的减轻火箭的重量,火箭轻一斤,运载的货物就多一斤。所以,他在火箭的结构上是非常激进的。我国的火箭普遍都用铝合金,但是马斯克的火箭是用铝锂合金的。

  铝是一种比较轻的金属,因此航空业和航天业是离不开铝合金的,比铝还轻的金属基本上没有几种,锂就是其中之一。锂元素可以说是最轻的一种金属了,如今锂元素是战略金属,因为到处都要用到锂电池。没有这东西,特斯拉电动车就趴窝了。电动轿车根本不可能实用化。可惜锂元素太活泼,不能用单一的金属锂来造火箭,只能和铝组成合金来使用。

  如果用铝锂合金来制造火箭的燃料箱,重量可以减轻10%,强度可以增加40%,这种材料可以说是非常适合马斯克的胃口。猎鹰9号的燃料储箱就是铝锂合金造的。美国在铝锂合金方面已经研发到了第三代,我们相对落后一点,现在也能生产一部分第三代铝锂合金,C919大飞机的蒙皮用的就是铝锂合金的。


  为了榨干重量上的油水,猎鹰9号用的是共底储箱。也就是说,储箱长得像个胶囊,一半装煤油一半装液氧。中间有隔板分开。我们的长征火箭很少用到共底储箱,而是分成两个胶囊,包裹在火箭的内部。这样的话,重量就大了。

  当然,我们也能造大直径的共底储箱,但是还没装到大型火箭上去使用过。美国人这方面的基础还是很雄厚的。


  反正马斯克一直在尽量榨取火箭的重量,火箭能轻一点就轻一点。所以,他大胆使用激进的加工技术,什么结构能保持足够的结构强度,皮又比较薄呢?那就是在板子的背后做上三角网格加强筋。这种结构很贵的,因为这种结构需要用一块厚金属,用数控CNC加工,在背后挖出一个个的坑,剩下的部分就组成了那些加强筋,95%的金属成了刨花。马斯克哪里舍得这么浪费的,他开发了搅拌摩擦焊技术,背后的那些加强筋,都是焊上去的,这一下就便宜了好多。

  发动机需要用计算机来控制,航天领域采用的芯片一般不赶时髦,不会用5纳米7纳米的工艺,因为半导体太细了顶不住宇宙射线的袭击。时不时地就要算错,宇航级的集成电路适当粗一点好,65纳米的芯片也比比皆是。而且要做专门的防护设计,留出足够的冗余度。

  不过在马斯克看来,火箭只要能工作几分钟就够了。可以用商业芯片来代替,毕竟商业芯片速度更快性能更强。为了保证可靠性,可以采用三个芯片来做多保险,也能保证足够的冗余度。


  梅林1D发动机

  下一步就是提升梅林发动机的性能了。梅林1D型发动机基本上可以说是一款脱胎换骨的发动机,推力从48吨提高到了67吨。比冲也提高到了282秒,算是燃气发生器发动机的榜首了。发动机的重量没有增加反而还减少了470公斤。推重比大大增加,一下超过了上一代的王者NK33。而且,梅林1D发动机开始利用针栓式喷注器的大幅度节流能力,具备灵活调控有油门的本事了。这就为火箭的回收奠定了基础。

  猎鹰9号1.0版本曾经做过实验,那就是用降落伞回收一级火箭。但是根本搞不定,降落伞没法控制,不知道飘到哪里去了,因此必须有较大的着陆场。更要命的是,降落伞承受不住巨大的下落速度,都被扯碎了,看来此路不通。

  没办法,只剩下一条路,那就是1级火箭自己反推降落。反正发动机都是现成的,只要搞定二次点火就行。燃料多带一点就行。当然多带了额外的燃料,运载的载荷就少了呗,运载能力受影响。但是,猎鹰火箭真是榨干了油水,自己本身的重量太轻了,即便是加上返航用的燃料,也没多重,还是有足够的运载能力的。这也是别的火箭玩儿不转回收的一大原因。多带的那点返程燃料会侵占载荷的份额,里外里不划算。


  DC-X火箭

  火箭反推回收,其实也有公司搞过。麦道公司的三角快帆就是一个典型。这东西代号叫DC-X,外观有点像瘦长版的金字塔,装了4台氢氧火箭发动机。1993年的8月18号,这个怪模怪样的东西实现了首飞,火箭点火以后,飞到45米高的空中悬停,接下来平移了100米,然后缓缓下降,停在了地上。所以,马斯克也不是凭空想出来火箭垂直回收的,此前已经有过先例了。

  虽然有过先例,但是SpaceX还没掌握这项技术。他们必须分两条腿走路。首先是在猎鹰9号火箭上装上栅格舵,用来控制火箭的下落。看看能不能利用空气舵来精确控制落点。

  这一次用的是新的1.1版本的猎鹰9号,发动机从3x3的方形变成了外圈8个环形排列中间放一个。火箭拉长了一大截,可以装更多的燃料。头上的整流罩变大了,可以容纳更大体积的载荷。

  说实话,马斯克的这个举动又把我吓了一跳。航天业犯忌讳的事儿,他全干了一遍。要知道东风2号其实就是在东风1号的基础上的拉长版本。但是火箭是不能简单拉长的,细长的火箭产生了扁担效应。一边扭动一边飞。结果震坏了导弹上的设备造成导弹失控,一头栽了下来。所以,中国航天界都知道,火箭长径比不能超过15,结果马斯克直接给干到19,你说吓人不吓人?

  那么马斯克为什么喜欢拉长火箭呢?弄个捆绑式不好吗?下周我继续说道。喜欢我的讲述方式,就关注“科学声音”吧!


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