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在马斯克做出可回收火箭前,有人已烧掉上百亿美元

本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:犀牛,题图来自:视觉中国

想要省钱,但要先花很多钱,你干不干?

浩大的航天工程就是这么省(shao)钱的。

“太空”这两个字笔画不多,里外都透着昂贵的气息。一枚造价不菲的火箭,使用一次就报废了;更别说在精密复杂的航天工程中,稍有不慎就容易造成发射失败,到时候更是白白浪费。如果这些一次性的火箭能多次使用,不就省大钱了?

航天飞机就是在这个思路下应运而生的。从1981年~2011年的30年间,美国的5艘航天飞机共执行了135次飞行任务,可重复性毋庸置疑。

但事与愿违的是,平均每次发射的费用反而更高了,甚至高达15亿美元左右。要知道一般“火箭+飞船”的送人发射成本也就1亿美元左右。可是就算付出了高昂的维护费用,也还是没能避免1986年挑战者号和2003年哥伦比亚号航天飞机的严重事故,最终以退役收场。

美国的航天飞机——太空运输系统STS(Space Transport System)

尽管想省钱的航天飞机没少烧钱,但重复利用的省钱思路依然很受追捧。比如现在名声大噪的猎鹰系列火箭便是此中翘楚,也是目前现役火箭中唯一的可复用火箭。

其实早在航天飞机出道的年代,这样的省钱计划就不断涌现。

1982年,英国宇航公司开始和劳斯莱斯股份公司(Rolls-Royce PLC,并不是那个出名的汽车公司)开始牵头研发Hotol空天飞机,Hotol可以像飞机一样从跑道起飞,直接进入太空轨道,也可以像飞机一样在跑道降落。因为中途不需要抛掉燃料箱,所以这种单体直接进入太空轨道的方式也叫做单级入轨。最初英国宇航公司预期Hotol的发射成本为航天飞机的20%。

Hotol 空天飞机模拟图 @Nick Stevens Graphics

Hotol空天飞机能直上太空得益于它的发动机。这种发动机在较低的大气层内可以利用大气的氧气燃烧提供动力,到达高层或进入高速时就转为一般的火箭发动机模式,燃烧自带的氧化剂来提供动力。所以Hotol本身不需要储存太多氧气,故而机身大大减小,仅相当于一个中型客机的大小,机身长度大概只有美国航天飞机的一半。

但这个项目在1989年就终止了,究其原因,除了技术难度巨大,关键是太费钱了,后续资金跟不上了。其实也不是没人愿意出资。1985年,劳斯莱斯股份公司向美国寻求发动机技术方面的合作,而美国空军也对该项目很感兴趣。只是英国宇航公司和英国国防部担心一旦和美国合作,将丧失该项目的领导地位,同时又顾及和欧洲的长久合作,所以就没接美国的橄榄枝,试图继续在欧空局的框架下合作。

不巧的是,欧空局的成员国中心有灵犀的不多。不少成员国被50亿英镑的成本和最长20年的开劝退,更别提法国还旗帜鲜明地反对,毕竟他们自家也设计了一款竞品——Hermes航天飞机。Hermes自1975年就开始设计,1987年由欧空局主持开发,这也意味着Hotol项目在欧空局失宠。Hermes航天飞机可以看成是大一号的美国航天飞机,不过和后者不同的是,Hermes发射时是安装在火箭顶部。

Hermes效果图(上)@ESA @Mark Wade,1987年建造的Hermes模型(下)@Pyperpote

同样是因为成本过高且技术目标难以达到,Hermes项目止步于1992年。但欧空局也没有完全放弃这一省钱思路,在2000年后继续可复用太空运载工具的研究——Hopper。Hopper曾有多个方案,包括水平起飞和垂直起飞,最终选择了水平起飞的方式进一步研发。德国牵头制造了Hopper的原型机Phoenix,长度不到6米,相比之下一个Hopper有7个Phoenix那么大。Phoenix于2004年进行了滑翔测试,不过之后就再没音讯,官网现在也打不开了……

Phoenix @ILA

Hotol项目虽然终止了,但它的技术积累并没有浪费。当初Hotol的发动机是建立在工程师艾伦•邦德(Alan Bond)的研究之上的,邦德也是Hotol项目的共同创建人。Hotol项目终止之后,他便带领发动机研发的主要成员组建了新的公司REL(Reaction Engines Limited),在原来的基础上研发佩刀发动机(SABRE)以及配套的云霄塔空天飞机(SKYLON),仍与当初研发Hotol的目标一致——实现单级入轨。

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佩刀&云霄塔宣传视频 @REL

之前最大的难题之一是温度控制,高速飞行时经过发动机的气流能产生1000℃以上的温度,但之前的技术很难把温度降下来。而在2012年佩刀发动机做到了,其所用的强预冷技术可以在0.05秒内将400千克/秒量级的空气降温1100℃。

佩刀发动机切换工作模式示意图 @REL

因为进展较为顺利,项目从最初由私人资金支持,到后来欧空局、英国航天局、美国空军实验室等的资金纷纷而来。2015年,佩刀发动机通过了美国空军研究实验室的可行性评估,预计在2020年验证等比例缩小的佩刀发动机测试模型。如果顺利,它将在2025年进行发动机的飞行试验。云霄塔空天飞机(SKYLON)设计的重复使用寿命可达200次,发射成本也大大降低,如果成功将是革命性的突破。

还记得当年申请加入“Hotol群聊”,但没被通过的美国吗?被拒之后,美国在1986年启动了自己的单级入轨计划——美国国家空天飞机(NASP)。1990年,该计划中第一架研制的空天飞机被命名为X-30(罗克韦尔公司研制),但由于严重的技术问题导致项目失败,最终于1993年被取消。

X-30图模拟图 

同一时期,美国还有一款可复用的单级入轨运载火箭正在研发中,就是麦道公司研制的DC-X。DC-X是前期的测试机型,主要为了验证垂直起降的技术,所以箭身也只有原计划的三分之一大小。在1993年进行了第一次测试飞行,此后一共进行了8次测试飞行,飞行的最高高度达到2500米。不幸的是,在最后一次测试中船体损坏,但账面上没钱维修了……

DC-X发射效果图(左)和首次降落测试照(右)

后来在1996年,DC-X的技术转让给了NASA,NASA建造了它的升级版——DC-XA。但它和NASA自家的冒险之星(VentureStar)项目形成竞争,而NASA将重心放在了后者身上,所以DC-XA在飞行测试了4次之后就没有然后了。

冒险之星模拟图

冒险之星就是冲着取代航天飞机去的。和航天飞机类似的是,冒险之星也是垂直发射升空、像飞机一样降落地面,优势在于冒险之星没有巨大的燃料罐和固体火箭助推器,且飞行中无人驾驶。最重要的是确实省钱,其卫星发射成本预计只有航天飞机的十分之一

航天飞机和冒险之星的大小

然而冒险之星也没能冒险成功。其等比例缩小的验证机X-33在测试时事故频发,技术问题未能解决、成本又超支,最终该项目于2001年被取消。

反而冒险之星的手下败将DC-X,却以另一种方式焕发了新生。蓝色起源公司雇佣了为DC-X工作过的工程师,后来建造的新谢泼德火箭便是受到了DC-X的启发。新谢泼德火箭是亚轨道火箭,主要用于商业太空旅游,在2015年的测试中成功从太空返回并垂直着陆。而该公司的可复用轨道火箭——新格伦火箭也已在研发中,目前已经了拿下了不少太空发射订单

新谢泼德火箭起降方式 @Blue Origin

新谢泼德火箭垂直降落 @Blue Origin

在重复利用这条省钱道路上,最成功的航天项目莫过于美国spacex公司的猎鹰系列火箭。目前猎鹰9号发射一次的基本报价为6200万美元,是市面上的较低水平,再加上猎鹰9的芯级回收已经是家常便饭,价格还有很大的降价空间,只是目前没有降价打折的必要。比如明天凌晨发射的猎鹰9号火箭,已经是一枚经验丰富的4手火箭了。

猎鹰重型火箭回收芯级 @SpaceX

猎鹰火箭的技术并非全是spacex公司纯自主研发,而是站在了前人的肩膀上。其最核心的发动机材料、可复用飞船的隔热材料等技术,都继承自美国航天飞机。

所以,之前的种种尝试,不论成功或是失败,都不会白费,沉淀下来的将成为未来挥动翅膀的肌肉。或许,之前失败的那些航天计划也会在未来重新闪耀光辉。

航天工程的省钱(失败)之路,像不像你的减肥(失败)之路:想减肥却吃的更多了……

本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:犀牛

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