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都不能发射的东西是什么吧澳门威尼斯

四月 17th, 2019  |  科学

原标题:SpaceX有哪些(还)不能射的东西?

主页菌说

在SpaceX疯狂吞噬商业火箭发射市场的时候,不知道有没有人好奇,那其他太空发射公司都在干嘛呢?答案很简单,去发射SpaceX不能发射的东西呗。。。。。。桥豆麻袋,还有SpaceX不能发射的东西?嘛虽然很少但的确是有的,今天就让我们来看下,坐拥全世界现役运力最大的火箭和每千克最便宜发射价格的SpaceX,都不能发射的东西是什么吧。

本文作者:**Saturn V**,已经为其开启独立打赏账户

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已经占据商业发射市场半壁江山的SpaceX

SpaceX第一个不能发射东西其实和火箭本身没有直接关系,而和猎鹰系列的组装方式有关。火箭的组装方式大致分为两种,垂直整合和水平整合,区别正如其名。猎鹰9和重型猎鹰采用的是水平整合,及包括卫星在内的各部件水平放倒在厂房中拼好,推到发射台后再立起。猎鹰9的竞争对手之一的宇宙神5号系列采用的则是垂直整合(我国绝大部分液体运载火箭采用的也是垂直总装,主页君注),及包括卫星在内的各部件按照发射模样垂直在厂房中拼好,然后再用发射车把立起的火箭平移到发射台。

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“横着装”的龙飞船

和垂直整合相比水平整合更省人力,更低矮的水平整合设施也比高耸入云的垂直整合大楼方便维护,这也是追求效率的SpaceX选择水平整合的原因之一。只是水平整合要求卫星也要侧过来放平,对于绝大多数商用卫星来说无妨,但仍有一些美国间谍卫星要求必须保持垂直的姿态,具体原因未知。显然这类型卫星SpaceX是无法发射的,只有垂直整合的宇宙神5号才可以,不过好在未来的美国军用和间谍卫星都将兼容水平整合。

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竖着装的宇宙神5号

SpaceX第二个不能射的东西更复杂一些。常说的“运力最大”的火箭通常对比的都是近地轨道的运力,但这其实只是一个笼统的区间,轨道高度在2000千米以下100千米卡门线以上的都可称为近地轨道。轨道更高意味着需要速度更快,同样燃料下速度更快自然送的质量更少,也就是所谓的运力下降。根据NASA“发射载具性能”官网的数据,从卡角发射的猎鹰9和宇宙神5几个构型的能力如下:(https://elvperf.ksc.nasa.gov/Pages/Vehicles.aspx)

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最直观的表象便是“咦,怎么猎鹰9运力下降的那么快?”
猎鹰9每200千米就要降低800千克左右的运力,宇宙神5号则只降低200千克左右。更低的运力损失让在宇宙神5家族中偏小的421构型在1400千米的高度上反超了猎鹰9海上回收的运力,更大构型的宇宙神5号优势则更明显。

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这就要指出一个很多人对火箭的误区,由于火箭发射时的壮观景象,常让人忘记了火箭不是只有一级,且正如接力比赛中跑得最快的人跑最后一棒而不是第一棒一样,决定运力最关键的也不是给人最震撼直观感受的第一级。作为一种携带燃料质量远超自身净重的载具,火箭,或者说火箭引擎的燃料利用率才是决定其能加速到多快,进而运输多少货物的关键因素。如果燃料利用率低过早用完燃料,再高的推力或推重比都于事无补。衡量燃烧利用率自然算下每千克燃料每秒所能产生的推力,牛•秒/千克(N•s/kg),比冲的计量单位应运而生。常用时会除以N/kg,以简单的s来表示,可理解为引擎让1kg物质产生1kg推力所能持续的时间。

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猎鹰系列第二级引擎梅林-1D真空型比冲为348s,宇宙神5号系列第二级使用的RL-10比冲为450s,巨大的燃料利用率差距直接导致了猎鹰9更快的运力衰减。而造成该差距的核心原因为使用燃料不同,RL-10的液氢由于自身质量轻的优势,天生便比梅林-1D的RP-1煤油利用率高,部分氢氧引擎的比冲甚至超过了图中黄色竖线,及煤油引擎的比冲理论极限。当然液氢相比RP-1更难储存,氢氧引擎同样被视为化学燃料引擎技术皇冠极难研发,这也是和老牌航天巨头相比技术储存薄弱的SpaceX没有也不能选择液氢液氧组合的原因

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猎鹰9的高轨道性能劣势随着轨道高度增高变得更为明显,以至于宇宙神5号421构型在高轨道运力彻底反超了猎鹰9。在送往地球同步转移轨道,及远地点35786千米的轨道时(图中黑色竖线),除去最小构型的401以外,宇宙神5号全体家族的性能都优于海上回收的猎鹰9。当然SpaceX可采用不回收的发射方式,不过不知为何NASA网站没有收入不回收性能数据,故无法比较。

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真实比例的地球轨道(不知道读者们能看清不)

超过地球同步轨道再往高了飞,高度已经不适合形容轨道。由于在太空中速度才是决定轨道的因素,NASA常用C3(单位km^2/s^2)来区分离开地球的不同轨道。速度及动能,C3衡量的便是脱离一个星体引力所需要的额外比能。如果你看不懂上面这段话,没事,只要把C3当成一个和高度一样的计量单位便可。比如地球的C3<0对应的所有地球环绕轨道,地球同步轨道的C3约为-12,C3=0对应的地球逃逸速度11.2
km/s,C3>0则对应着所有离开地球进入深空的轨道

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同一轨道根据星体相对位置和距离不同C3也不同,比如同为地火转移轨道,2018年地火距离最近时发射的C3(7.7)要小于2022年地火距离远时发射的C3(13.8)。以C3来对比猎鹰9和重型猎鹰的深空发射能力,第二级引擎性能的劣势便可有更直观的感受。首先是猎鹰9的:

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咦,为啥C3=10以上就没有猎鹰9的数据了?因为这是猎鹰9自身设计所能发射的理论极限,一旦轨道所需C3超过10,再轻的载荷猎鹰9也无法送入轨道。今年5月12日洞察号火星探测器发射时,便有人好奇这个仅694千克,宇宙神5号最小401构型便能发射的东西,为啥不交给更便宜的猎鹰9发射。原因正是洞察号的地火转移轨道最大C3为14.3,猎鹰9是心有余而力不足。

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现在明白为什么要有重型猎鹰了吧,液氢造成的性能差距由第一级助推来弥补,而更多助推产生的额外造价又可通过回收抵消,这才是SpaceX真正精明之处,或者说重型猎鹰诞生的真正目的。那么重型猎鹰的运力又如何呢?

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注意一点NASA的网站中是以FT(全推力)版本的猎鹰9和重型猎鹰计算,并非最新的Block
5版猎鹰。另重型猎鹰对“回收”定义为双助推返回陆地,芯级海上回收,对“一次性使用”定义为双助推海上回收,芯级抛弃。至于完全一次性使用则没有数据,大概是因为SpaceX也不想这么用重型猎鹰的缘故。可以看到一次性重型猎鹰的运力碾压了包括德尔塔重型在内的全部火箭,但回收型重型猎鹰却输给了德尔塔重型,甚至在C3>10后运力还不如宇宙神5号最大的551构型

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有好的第二级氢氧发动机就是可以为所欲为

2011年8月5日发射的朱诺号木星探测器发射重量3625千克,发射C3为31.1,恰好超过了回收型重型猎鹰的运力极限。今年8月12日发射帕克太阳探测器的时候也有很多人好奇可不可以用不回收型重型猎鹰发射,很可惜答案也是否定的。哪怕发射质量只有685千克,帕克太阳探测器的发射最大C3高达154**,又恰好超过了一次性重型猎鹰的运力极限**。用第一级来弥补第二级的性能差距又一次碰到了极限,尽管在地球轨道运力上已被碾压,但重型德尔塔依然可稳坐深空第一运力的宝座一段时间,虽说没有什么实际意义。

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正如图中所示,猎鹰9在2017年疯狂刷屏的商业发射市场中近地轨道(LEO)仍占多数,对于商业公司来说发射价格自然比性能重要。同样重型猎鹰的优势也并非单纯运力,而是通过更多第一级一定程度上弥补了液氢造成的高轨道性能差距,双助推的回收抵消了额外第一级的造价甚至还进一步降低了发射价格。在地球轨道上性能优于宇宙神5家族同时,发射价格大约为ULA的十分之一,才是SpaceX大量吞噬商业发射市场的法宝。

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致力于殖民火星的SpaceX显然不会停留在地球轨道,研发中真空版比冲(isp)为375s的猛禽引擎便是在煤油的低性能和液氢的高研发难度之间所取的折中点。液体甲烷的比冲位于液氢和煤油之间,但比液氢易储存同时还可在火星就地取材生产,有助于缩小和高性能氢氧引擎的差距和方便火星殖民。

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合同截图

2016年初美国空军更大笔一挥给了SpaceX
3300万美金用于研发猛禽引擎,其中就包括了给猎鹰9和重型猎鹰用的第二级猛禽引擎原型机。一方面对SpaceX而言,能有人分担猛禽引擎的开发费用自然很好,另一方面对美国空军而言也希望能以猎鹰系列第二级猛禽引擎,彻底打破ULA对高端发射的价格垄断。SpaceX能在和诸多航天巨头的竞争中获胜,正是因为不仅知晓自己能射什么,还知晓自己不能射什么,扬长避短并想方设法缩小差距,正所谓知己知彼才能百战不殆,知晓自己的缺点更能进步

或许未来这个在网友脑洞中的,基于猎鹰9改造的,可完全复用的小型猎鹰火箭(SFR)真的会诞生吧。

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