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马斯克:科技圈里回收废品的头号小标兵
2024-12-02 04:27
马斯克:科技圈里回收废品的头号小标兵 马斯克

  他们卖苹果,他们画地图,他们天生是高手?他们捐财产,他们收火箭,他们技术都很6。

马斯克:科技圈里回收废品的头号小标兵

  一直以来,火箭发射都有个硬伤:箭体不能循环利用

  发射出去的火箭跟借出去的零钱有一个共同点:要回来都很难。

  因为造火箭是个系统工程,非常复杂,要有推进系统(最有power的boss,能送火箭上天),箭体(多重身份,罩着卫星小弟的大哥,摆平各系统内讧的话事人,冲锋陷阵的排头兵,必要时牺牲小我成全大我的董存瑞),有效载荷(火箭实际最大载重量),特殊情况下还得有制导系统(让你飞哪儿就飞哪儿的指挥官)。

火箭系统

  但就在最近,这个硬伤似乎被一个美国人给药到病除了。他就是埃隆·马斯克,一个正在砸驾校教练饭碗的科学家。

  事情是这样的:12月22日这天,美国太空探索技术公司SpaceX发射了猎鹰9号(Falcon9)火箭,运送Orbcomm公司11颗通讯卫星进入轨道,并且在10分钟后成功回收了一级火箭。

火箭轨迹延时摄影

  于是整个世界沸腾了。小伙伴们都在说这是人类太空史上首次实现一级火箭回收!这是历史的突破,终将载入史册!这表明一个时代的到来!总之就是一顿猛夸。蝌蚪君感觉这些人比马斯克本人还要兴奋。

虽然我很帅,但是我有才啊!

  但此时此刻的你们,兴奋之外,基本是这样的状态:

这是啥?这又是啥?

  你都不懂火箭发射是个啥,怎么在朋友圈给伙伴们愉快地科(zhuang)普(b)呢。所以跟着蝌蚪君一起涨涨姿势吧。

  火箭制造理所当然是国家机密,这种事不能乱说,所以咱们说说火箭发射那点事儿。

  先来认识认识火箭长什么样

  液体火箭结构一般由头部、头部整流罩、氧化剂贮箱和燃料(燃烧剂)贮箱、仪器舱、级间段、发动机推力结构、尾舱等部分组成,需要分离的部位有分离连接装置。

  固体火箭发动机结构由前封头、外壳、装药、喷管装置和后封头等部分组成。封头、外壳和喷管装置构成发动机燃烧室,固体推进剂在其中燃烧。

  再跟蝌蚪君一起捋一捋火箭到底是怎么上天的

  第一步,准备工作。这一步没啥可说的,就是例行检查,看看火箭有没有临时发烧感冒拉肚子闹情绪什么的导致功能失常。

  第二步,一切妥当,就可以点火升空了。包括一级发动机和四个助推器同时点火,注意是同时,因为生死攸关,一个掉链子全部都完蛋。

  第三步,继续升高,抛掉逃逸塔。逃逸塔的作用就相当于战斗机里的弹簧座椅,是航天员的保命装置。所以为了让火箭飞的更轻松,需要减重。

第四步,助推器分离,火箭继续升高。

  第五步,一级火箭分离。

  剩下的第六七八九十步,整流罩分离,二级火箭发动机熄火,箭船分离,推进舱帆板展开,推进舱对日定向,轨道舱帆板展开,然后就是运载卫星在既定轨道上飞行,都不是重点。

  重点是马斯克实现了一级火箭分离后又成功回收

  为什么这个是重点呢?

  原因其实很简单:因为一级火箭最贵(猎鹰九号一级火箭有9个发动机,占据整个火箭成本的绝大部分,二级火箭只有1个)。

  由于技术复杂,不能工业化批量生产,火箭的制造与发射就是烧钱的行为,动辄上亿乃至数亿美元。为了节约成本,上世纪美国和前苏联在太空竞赛的背景下提出了利用可回收的优势发展航天,然而事实证明由于系统过于复杂、再利用成本极其高昂,航天器回收成为一个失败的科研项目。

  理论上讲,火箭的发射成本里面,燃料的费用非常低。猎鹰九号的单次发射费用为5400万美元,但燃料费只有20万美元,单看数据,这个钱省的都有点过分了,相当于用白菜价实现了火箭发射。

  所以,小伙伴们知道为什么世界震惊了吗?马斯克简直就是火箭发射界的节约小王子啊。而且关键的一点是,这件事让各个航天大国的火箭回收项目又看到了曙光,如果都掌握了火箭回收技术,以后随便就能往天上发射几百上千个气象卫星,妈妈再也不用担心我的天气。

有人就问了,一级火箭能回收,那连带着把二级火箭也回收了不是更省钱吗?

  想法很好,但从技术上来说,二级及以上飞行距离过远过高,回收几乎不可能。

  所以,现在所有的火箭回收都是只针对一级火箭,不是整个火箭哦亲。

  在回收视频中可以看到,现场由于火箭喷射气流产生了巨大的音爆,所有人刚开始都认为闪光中的火箭回收失败了,但后来火焰熄灭看到火箭平稳立住的那一刻,全场爆发了无尽的欢呼声。

但蝌蚪君还是有些疑问,一级火箭回收真的能降低成本吗?

  前面说了省钱项,下面说几个更烧钱的项目。

  项目一,为了回收,要增加额外的各种控制和导航空间,火箭的设计难度大大提高,成本也相应提高;

  项目二、为了火箭安全着陆,需要留下燃料备用。势必增加很多冗余设计,成本提高,同时风险较大;

  项目三、为了回收,额外的燃料和系统设计会占掉有效载荷的空间,导致推重比(即发动机推力与火箭重力之比)变小,进一步造成发射效率降低。或者是为了达到同样的发射能力,需要更大的火箭设计;

  项目四、类似航天飞机,回收过后的维护尤其对一级发动机的维护,恐怕成本不亚于直接换一个新发动机;

  项目五、节约成本对发射频率达到一定数量才有意义,如果火箭使用频率不够,那么回收火箭后,运营与维护成本占火箭发射总费用的比例将极大增加,与一次性使用火箭又有什么区别?

  项目六、为了回收,一级箭体各系统结构寿命需要重新设计,以便能重复使用;一二级箭体分离构造需要改进,助推器点火及从一级火箭分离结构需要重新设计,以便保证一级火箭完好无损。即使以上都能做到,这个成本也必将大大增加。另外,火箭点火升空时,能否保证一级火箭零部件不被烧蚀仍是一大技术难题。

  从这些方面说,在目前的技术程度和航天发射需求下,SpaceX的火箭回收技术难以很大程度节约成本,或者只是成本略微降低而已。

  如果非要说这次一级火箭成功回收有什么意义的话,只能说它开创性、划时代的成功,为人类探索太空提供了一种全新的可能。而真正的普遍应用,还有很长的路要走。就像大航海时代的先贤们证明了环球航行是可能的,才有后来普遍的环球旅行一样,马斯克,或许就是新时代的麦哲伦。

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