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[业界/制造]Space X刷屏!起底全球最大火箭发射供应商! [复制链接]

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今天,现役运力最强火箭——“重型猎鹰”(Falcon Heavy)火箭首飞成功。关于此次“重型猎鹰”的发射过程和重大意义,网上已经有太多的报道,国际电子商情来扒一扒这家全球最大火箭发射供应商——Space X的发展历程以及“重型猎鹰”的关键零部件。  |QdS;  
美国东部时间6日下午3点45分,Space X旗下的新型火箭,也是现役运力最强火箭——“重型猎鹰”(Falcon Heavy)火箭首飞成功,创造了数个“之最”和“第一次”。 mx2 Jt1  
最强运力的现役火箭:“重型猎鹰”的运载能力,在世界各国的现役火箭中是最强的,一次能将63吨的物资送入近地轨道,是中国“长征5号”的两倍。 ly2R8$Y`y`  
最经济的运载火箭:“重型猎鹰”的发射费用在9000万美元左右,比Delta4号重型火箭低20%左右。其中一个重要原因是,重型猎鹰”的第一级火箭助推器全部可以回收利用,极大降低了火箭的使用成本。 cW\7yZh  
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第一辆上太空的跑车:马斯克把此次发射视作一次宝贵的广告宣传机会,将自己的樱桃红特斯拉跑车装到了火箭上,跑车里还坐了一名身穿太空服的假人。 78wcMQNX9  
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关于此次“重型猎鹰”的发射过程,网上已经有太多的报道,国际电子商情来扒一扒这家全球最大火箭发射供应商——Space X的发展历程以及“重型猎鹰”的关键零部件。 E J1:N*BA  
提到Space X,不得不提他们的创始人马斯克。人们更多地是因为特斯拉电动跑车而知道这个科技疯子,但马斯克涉猎极广,心里有一个飞天梦。马斯克非常痴迷科幻小说,在随同升空的红色特斯拉车内,就带有一套微缩版本的阿西莫夫著名科幻小说——《基地》三部曲。 UpbzH(?#  
于是在2002年6月,马斯克成立了今天成功发射了“猎鹰重型”超级火箭的SpaceX宇航公司。公开资料显示,马斯克起初并没有得到过任何美国官方机构的帮助,他从一开始走的就是纯粹的商业路线:起初先是想从欧洲和俄国人那里买个廉价火箭用,但后来发现对方要价都太高,于是他便成立了Space X公司自己做火箭,而且他还要做完全可以商业化推广、价格亲民、成本低廉的“火箭”,要让更多的人可以实现探索宇宙的梦想。 (WC<XKf  
然而造火箭毕竟不同于造电动车,更别提这是一家由商业公司发展的商业太空飞行项目。在造火箭的路上,Space X经历了核心零部件研制困难、测试爆炸等问题,从项目提出,重型猎鹰就不断遭到以ULA为代表的同行的冷嘲热讽,马斯克更是遭受了他心目中的美国英雄尼尔.阿姆斯特朗、尤金.赛尔南的坚决反对。在一次访谈当中,当主持人问到“当你心目中的英雄们也在你前行的路上扔石头的时候,你心里什么感想”,马斯克热泪盈眶,表示心里非常难受…但马斯克提到,他永远不会放弃,除非他被困住或死去。正是他的坚持,才造就了今天“重型猎鹰”(Falcon Heavy)火箭的首飞成功。 s0CRrMk  
图:马斯克遭受心目中英雄的冷嘲热讽,热泪盈眶 joq ;N]S  
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技术封锁、遇测试爆炸 核心零部件的辛酸研发路 tp7fmn*  
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众所周知,发动机是决定运载火箭性能的最关键因素,也是决定一枚火箭的基础。没有合适的发动机,就不存在火箭。因为运载火箭几乎就是围绕着发动机来进行设计的。重型猎鹰能够首飞成功,其基础正是不断发展升级的梅林(Merlin,亦可译为“灰背隼”)液氧煤油发动机。 gTT-7  
“重型猎鹰”的三个助推器组成,每个助推器配备了9个梅林发动机,总计27个。在最中间的助推器实际上是一枚“猎鹰9号”,两侧是重复使用过的猎鹰9号。 \c)XN<HH  
火箭引擎可谓是Space X的短板,不但遭受到了其他企业以抬价的手段来技术封锁,自身在研制上也状况不断,2017年华盛顿邮报还曾报道SpaceX的一枚火箭发动机在位于德克萨斯州麦格雷戈工厂进行测试时爆炸,让引擎测试工作受阻。 #,sJd^uI  
Space X在引擎的困难在意料之中,作为一家2002年建立的美国商业航天公司,Spac eX既没钱直接高价买到俄罗斯的高压补燃循环液氧煤油发动机技术,也没有足够的技术团队独立进行高压补燃液氧煤油发动机的研制,只好因地制宜做起了燃气发生器的液氧煤油发动机,研制了最初的梅林1A发动机。 iBQftq7  
美国航天公司SpaceX的联合创始人汤姆-穆勒(Tom Mueller)此前表示,梅林发动机是Space X完全自主研发而成的。在回忆SpaceX公司开发其招牌Merlin 发动机的过程时,穆勒详细叙说了与那些效率低下、价格奇高的零部件供应商合作的沮丧之情。后来,SpaceX公司痛下决心从头开始研制自己所需要的大多数零部件。“我们就像躲瘟疫一样躲着太空供应商。” 'CvZiW[_r  
但是,梅林发动机不可能完全由Space X自研完成,肯定有所借鉴。梅林发动机的设计源头颇为驳杂,技术来源众说纷纭。不过,美国的火箭发动机型号虽然繁复浩瀚,但万变不离其宗,其技术传承和演进是有一个较为明确的路线与参考的。 !jm a --  
大致上,我们由于梅林引擎的针栓式喷嘴构造,将其视为阿波罗下降段引擎演进线上的产物。而且在其具体的设计思想上,明显是参考了马歇尔航天中心的Fastrac廉价发动机。 @47TDCr  
出身汤谱森-拉莫-伍尔德里奇公司的SpaceX的总工程师Tom Mueller,毕竟是在TR-106引擎(使用针栓式喷嘴,氢氧燃料)的开发过程中积累了丰富的经验。在其投奔新东家后,适当借鉴参与过的项目,取其精华加以利用,实在也属于情理之中的事情。而针栓式喷嘴的优点也非常的多。包括稳定性好、加工维护便宜、节流调速容易等。那么,在相关专利已经失效的前提下借鉴过来,也是合情合理的。 h!.(7qdd  
不过,尽管优点多多,针栓式喷嘴的固有缺点,却也在梅林发动机的设计和制造过程中把整个团队坑得不轻。 =g ]C9'I3  
针栓式喷嘴构造对冷却的要求很高,所以最初的梅林1A与1B,均不可避免的遇到了过热的问题。由于梅林系列发动机在其开发初期坚持采用了可靠性和效率都很糟糕的烧蚀冷却方式,所以发动机过热烧穿的问题,一直团队在早期面临的最大挑战。最早的猎鹰1型火箭,就屡屡在发动机的问题上吃瘪。直到被搞烦了的SpaceX决定下大力气部分推倒重来——从1C改进型开始,将发动机冷却模式改为回热冷却式,彻底放弃烧灼冷却模式,这才基本解决了过热的问题。 B(~D*H2T[  
此外,Merlin 1C Block II改进型发动机性能有了很大提高,海平面推力提高到56.7吨,比冲为275秒,真空比冲304秒,最重要的是它的重量只有653公斤,比增推前的Merlin 1C还轻了3公斤,因此推重比提高到96,这也是Merlin 1系列发动机首次在推重比上初现峥嵘。 !**q20-aP  
图:小巧的Merlin 1C发动机 Y*6*;0Kx  
新一代的Merlin 1D实现了脱胎换骨的飞越,这种发动机无论是设计还是性能都有了革命性的提高,而且本身还细分了多个升级的亚型号,性能不断提高,让Merlin发动机真正成为世界液体火箭发动机中的佼佼者。 q:( K^  
上文提到针栓式喷注器容易实现深度节流,但从Merlin 1A到Merlin 1C Block II这些发动机实际上都没有节流能力,直到Merlin 1D发动机才充分利用针栓式喷注器的天然优势,实现了发动机节流功能。 iZ UBw  
梅林1C基本固定了当前经典版梅林引擎的所有特性。在其基础上开发的1D,则是进一步的减重与优化设计。最终,在设计团队的竭尽所能之下,其燃烧室压力较之1C提高了近五分之二,接近100个标准大气压力,使得性能有了大幅的提高。 S $Wd}2>  
图:Merlin 1D发动机 D~<GVp5T  
Merlin 1D发动机的推重比很高,但这还是包含推力矢量作动器的,而很多发动机统计时不包含这个部分,这样的高性能实在令人高山仰止。事情还没有结束,太空探索技术公司又升级研制了Merlin 1D+发动机,它的推力和推重比进一步提高,真空推力提高到约84吨,推重比达到了180,同时发动机燃烧时压强进一步提高到10.8兆帕,比冲略有提高。使用Merlin 1D+发动机的型号被称为猎鹰九号V1.1全推力版,这也是2015年12月首次发射,并成功实现陆上垂直降落回收的那种火箭。 (/^&3xs9  
纵观美国航天界琳琅满目的火箭发动机货架,比之更优秀的产品比比皆是。例如航天飞机的主发动机,大名鼎鼎的洛克达因产航天飞机主发动机(SSME)。其采用液氢液氧燃料、高压补燃循环、可以重复使用,海平面比冲达366s、海平面推力约190吨。其性能不知甩开梅林1D几条大街。 DE[y&]/C{  
实际上,目前目前声名大噪的猎鹰9号运载火箭的成功之处,就在于其采用了梅林这样的“大路货”。但是,Space X是一家典型的商业公司。它的宗旨是抢占市场,获得业务,最终实现盈利。而不是设计和制造更棒更强的火箭,为航天事业做出贡献。开发梅林系列发动机的基本要求就是廉价。即便是最新型的梅林1D,推算价格也仅百万美元级别。与之相比,性能远胜的SSME,其价格却是以千万计的。此外,不但是发动机本身的价格相差悬殊,采用煤油为燃料的梅林引擎与采用液氢为燃料的SSME,其使用成本也相差悬殊。 |Z<adOg  
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十年磨一剑 终成全球最大商业发射供应商 7W*OyH^  
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在美国,一个私人公司真能做火箭吗?他哪儿来的人才呢? uBM1;9h  
这里就要提一下当年美国和前苏联的太空争霸历史了。我们都知道早在上世纪50-60年代,在我们新中国刚刚建立,工业化才刚刚起步时,美苏两大超级大国就已经开始用火箭把宇航员往太空中送了。其中在60年代末期,美国人甚至研发出了今天都还没有任何国家能超越的“土星5号”超级重型火箭,其载荷比今天的“猎鹰重型号”还要多出近一倍,并成功把美国宇航员阿姆斯特朗等人送上了月球。 -`( :L[  
于是,这起步极早且早在半个世纪前就已经达到惊人高度的美国航天业,自然也给今天的美国培育了大量的航天人才以及可供民间企业使用的丰富航天资源。 q+ .=f.+Z  
而马斯克也成为了 “前人种树、后人乘凉”的受益者,在Space X于2002年成立后,他迅速网罗了一大批拥有丰富航天科技经验的人才,比如他的副手汤姆·穆勒(Tom Mueller)。 XH/|jE.9^|  
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说起来也有趣,这位穆勒先生原本是给美国官方的宇航局(NASA)打工的,在NASA的一家供应商担任火箭引擎的工程师。然而,由于体制原因,他原本参与的一个“低成本火箭引擎”国家级项目被当时新上台的美国总统小布什给“砍”了。结果这位动手能力极强,甚至能在自己家里就造出小型简易火箭引擎的工程师,就这样被马斯克招揽了过去,成为了今天SpaceX公司的灵魂人物,为马斯克的公司打造出了今天成功令“猎鹰重型”火箭升天的梅林引擎。 >[#4Pb7_Y  
不过,罗马也并不是一天建成的。在“猎鹰重型”成功的道路上,马斯克和穆勒等人也付出了大量的心血乃至不少失败的代价。尤其是马斯克今天之所以能让绑着27个梅林引擎的“猎鹰重型”顺利升天,打破了之前所有人对这一结构稳定性的强烈担忧,正是因为他的团队过去10多年来都在努力做好的一件事:不断完善梅林这款火箭引擎,以及围绕该引擎而打造的核心产品 “猎鹰9号”火箭,并随着技术的成熟而不断降低成本。 :c\NBKHv*  
是的,马斯克的团队10多年来的投入和精力,只是为了把一款火箭做精,把一个引擎做强。 t6tqv  
于是,他们不仅实现了今天在“猎鹰重型”上的成功,他们的“猎鹰9号”火箭更是成为了目前全世界成本最低廉,性能也最为稳定可靠的火箭,也因此成功占据了目前全世界火箭商业发射市场的绝对份额,几乎把原本占据市场主流的欧洲和俄罗斯全都挤了出去! m+L:\mvA  
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不仅如此,马斯克的团队还在3年前就在全世界率先实现了火箭“回收”的技术,从而“颠覆性”地解决了火箭发射最主要的成本问题。 ,Vogo5~X  
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趁热打铁 马斯克宣布Space X后续飞天计划 It4F;Ah  
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在猎鹰重型火箭成功发射之后,Space X首席执行官埃隆·马斯克在随后的新闻发布会上说,Space X公司现在将开始认真关注下一个大型航天运载火箭“BFR”(big f*cking rocket)。 f~53:;L/  
马斯克说,BFR可能会在明年准备好“与飞船进行短途飞行”。这本质上是“复杂性不断增加”的飞行,目的是要走出地球大气层,然后“回来并测试其隔热层”,因为BFR的主要目的就是为了帮助人类在地球、火星和更远的地方生存。 KS%,N _F<  
马斯克在猎鹰重型火箭发射后的一篇媒体报道中称,“围绕这个项目有很多不确定因素,但这将是我们的重点。我们几乎完成了猎鹰9号和猎鹰重型火箭的任务。在block 5 (猎鹰9号的最新修正版本)之后,我们不再更新猎鹰9号或猎鹰重型火箭,还有龙船和龙船2号(Space X目前正在开发的船员舱)。 马斯克补充说,在BFR的设计充满挑战,“这艘船是迄今为止最困难的,因为这将包括火星在内的行星的超级轨道速度,比从轨道上进入地球要困难得多。” Uc/%4Gx   
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只看该作者 1楼 发表于: 02-09
    
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