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这么多年了,探索太空为啥还在用火箭呢?

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文 / 罗辑9527  自1920年左右罗伯特•戈达德提出液态火箭发动机理论后,人类文明的半只脚就迈进了航天时代;1944年,德军的V-2火箭刷新了纪录,抵达190公里的高度;1957年,苏联成功发射第一颗人造卫星,标志着航天时代正式来临。在此后的半个多世纪内,运载火箭技术有了极大发展,我们已经在轨道上完成第四代空间站的建造,探测器遍布太阳系各大天体。在1960年代,运载火箭技术就出现了爆炸式发展,土星五号和N-1火箭都可认为是“暴力机器”,尤其是土星五号起飞质量3000吨以上,号称把一艘驱逐舰送上天。

但是,土星五号都快五十年了,怎么还没出现质的飞越呢?科幻里的什么反重力也就罢了,至少有些原理上靠谱的发射技术,这些技术现在都怎么样了呢?

简单地说,理想很丰满,现实很骨感;不是我军不给力,而是物理学太狡猾了呀。

1历次阿波罗任务中土星系列火箭的发射。图片来源:wiki

大火箭的客观规律:为啥火箭没有变更大?

在美苏航天竞赛结束后,运载火箭的对数期发展到头了,开始进入稳定期。目前世界上最强大的火箭要数德尔塔-4系列,近地轨道有效载荷在25吨左右,欧洲阿丽亚娜-5ECA和俄罗斯质子火箭都属于同一级别。在最近的数十年内,运载火箭都没有突破登月竞赛的规模,航天飞机的2000吨起飞质量足以鹤立鸡群。这是因为近地轨道业务的拓展不需要如此强大的火箭,航天飞机就能胜任总质量400吨的国际空间站建造,而和平的规模就更小了,只有130吨左右,我国即将建造的空间站规模为60吨级。综上,美苏当时的技术已经甩开全世界好几条街,如果按这个速度让他俩再发展半个世纪,估计得脱离地球联邦玩单飞了。

再牛的事物也无法逃脱一样东西的制约,这就是客观规律。美苏全力登月的背后需要大量的资金注入,阿波罗计划下的各种天顶星技术都是钱堆出来的,美国人花了250亿(1960年代币值)美元让阿姆斯特朗的左脚踩在月球上,开着一辆敞篷月球车兜风;而苏联人花了钱也没捞个名分,N-1火箭还创下了四射四炸的尴尬纪录,连发射塔都炸没了。美国人赢得了登月竞赛,把运载火箭技术提高了近地轨道120吨的水平,此后全世界都消停了,近地轨道运载能力维持在20至25吨,够用就好,因为违背规律的发展无法长久。

2航天飞机与土星五号火箭的合影 图片来源:NASA

核潜艇与海上移动平台:小打小闹的改进

登月之后的半个世纪,世界主要航天国家只干了两件事情:发达国家想把火箭发射的费用压低,前提是技术要进步;落后的国家则全力追赶,美国人在1960年代就能把一艘驱逐舰送上天,过了半个世纪怎么也得意思下吧。于是有志向的国家就开始研发各自的运载火箭,而已经掌握火箭技术的国家则开始想办法降低发射费用,从商业发射中挣到钱。各种奇特的航天发射方法开始被提出,最有意思的要数潜艇平台发射。1996年,俄罗斯海军开始了一项新的业务,核潜艇部队除了战略值班外,还要参与商业卫星发射,一枚SS-N-23潜射弹道导弹被改装成运载火箭,将一颗70公斤重的卫星送入400公里高度的轨道,这样不仅能节省维护费用,还让库存的300多枚潜射洲际弹道导弹有了发挥余热的机会。当然用潜艇发射卫星也是迫不得已而为之,俄罗斯海军经费窘迫只能开源节流。从效费比上说,核潜艇发射卫星也有可取之处,不然这些弹道导弹到了年限也要报废处理。

与此类似的是海基发射系统,在抛弃冷战分歧后,俄罗斯人和美国人手牵手成立了海上发射公司,把发射架搬到海上。海上发射平台是一艘巨大的自航式驳船,领到发射任务后可航行到赤道附近的国际海域,统一使用俄罗斯制造天顶-3SL三级运载火箭发射卫星。赤道附近发射卫星,在相同推力条件下可增加有效载荷的质量,对于同步轨道的通信卫星而言,使用海上移动平台发射更廉价,费用会比陆基发射便宜一些。不过天顶- 3SL运载火箭的有效载荷不大,同步轨道不到2吨,因此要发射更大的卫星就无法使用海上移动平台,但它的存在为一些小卫星发射提供了便捷通道。

3海基发射系统发射卫星。图片来源:spacenews.com

航天飞机:过于昂贵的奇迹

为了进一步降低卫星发射的费用,美国宇航局在1970年代提出了航天飞机计划,可重复使用这个词开始进入公众的视野。航天飞机在设计之初是让进入轨道的货物单价更加便宜,一架航天飞机可重复使用100次左右。美国宇航局曾在1977年出版了一本空间运输系统的手册,其中提到航天飞机商业租凭价格为一架次2000万美元,这是1975年的报价。如果考虑到航天飞机近24吨的商业载荷,几家卫星公司联合包租一架次,那么费用还是可以接受的,比如一颗长度为1米,质量接近1吨的卫星,平均单价不到300万美元。

结果,5架航天飞机机队总共才执行了100多次任务,每次发射需要大量的人力和物力准备,以奋进号为例,一次发射要花费5亿美元,与当初的设想相差太远。两次失事更是带来了沉重打击,自哥伦比亚航天飞机失事后,美国宇航局在执行一次航天飞机任务时还要准备另一架担任救援机,防止入轨后回不来的情况发生。如此种种因素,最终导致了它们黯然退役。

但是航天飞机近30年的生涯中依然立下了汗马功劳。最著名的卫星发射任务要数1990年把哈勃空间望远镜送入轨道,还有后续的修复工作,要是没有航天飞机,哈勃的故障可能很难修复。1989年“阿特兰蒂斯”号还将伽利略探测器送入轨道,巨大的货舱让航天飞机可携带大型航天器进入轨道,为后续建设空间站做出了不可磨灭的贡献。

4航天飞机释放伽利略探测器与哈勃空间望远镜。图片来源:NASA

可重复使用火箭:商业航天的展望

航天飞机、运载火箭其实都属于经典的航天发射平台,目前商业航天发射领域已经向可重复使用火箭迈进。航天飞机是可重复使用运载器,但是价格昂贵,而运载火箭为一次性产品,用完就丢,研发一种可重复使用的火箭就能达到又便宜又好用的目的。SpaceX公司就是这个行业的领跑者,其开发的猎鹰系列可重复使用火箭能让发动机自动返回,然后再次利用,目前世界上主流运载火箭发射单价普遍在5000万美元以上,如果发动机重复利用后,发射卫星的费用就接近白菜价了。更重要的是,自主降落的技术还能用于地外天体登陆,比如降落火星、月球,只要钱的问题解决后,大航天时代也就不远了。

不过可重复使用火箭也不是天顶星的技术,只是这几家私人公司利用成熟到烂大街的航天科技,加上先进的成本控制与管理方法,将卫星发射这个行业做到了极致。比如“灰背隼-1D”发动机就是登月舱上安装的着陆动力,上个世纪60年代的技术,2195铝锂合金和搅拌摩擦焊都是拿来就用,真正管用的还是技术积累到一定程度后的成本控制与管理能力。卫星发射技术的先进性不是小小的可重复使用火箭所能代表得了的,运载火箭这般古老技术照理说没有资格说话,真正大咖应该是空天飞机。

5SpaceX公司使用可重复使用火箭发射卫星 图片来源:SpaceX

空天飞机:遥远的理想

空天飞机顾名思义是一种飞机,不仅能在“空”的高度飞,还能在“天”的领域翱翔,因此空天飞机的基本要素就是能水平起降、单级入轨。在世界上任何一处机场起飞,爬高后加速直接进入近地轨道,在短时间内将卫星等航天器送入轨道,具有准备时间短、成本低的特点。更先进的空天飞行器还能在入轨后进行行星际航行,想去火星去火星,想去月球去月球,妥妥的说走就走的旅行,具体可以参考《星际穿越》中的飞行器。

空天飞机由于飞行环境变化较大,因此其涉及到的技术更加繁杂,比如动力装置就是一大难啃的骨头。大气层内飞行需要使用吸气式发动机,轨道运行则要切换到火箭动力,要想让吸气式发动机提供25马赫的入轨速度,目前也仅是纸上谈兵。在空天飞机发展上仍然是美国人走在最前面,比如1980年代的国家空天飞机计划,最后由于概念过于先进而停止发展,但也基本掌握了空天飞行器的一些成果,比如超燃技术等。

6空天飞机可在任意一处机场起飞,加速入轨后可投放卫星等载荷。图片来源space.com

太空电梯:近未来科幻之梦

空天飞机是许多科幻片基本元素,直接进入轨道能够开展各种空间作业,当然还有许多未曾推广的技术也可以用于卫星发射,比如太空电梯。在最新的科幻片《木星上行》上就有直接通往轨道的大型建筑,可从地面直接进入轨道,如果用这种方式发射卫星,那么成本就更低了。早期的太空电梯设想来自俄罗斯航天专家齐奥尔可夫斯基,后来阿瑟•克拉克在他的小说中将太空电梯进行推广,构思了一种停留在同步轨道上的航天器向下释放悬梯,人们可乘坐悬梯直接进入太空。太空电梯的研制仍然处于理论推进之中,最大的问题在于材料,日本一家公司正在攻克碳纳米技术,称将在今年2050年开建太空电梯,定点在赤道上空的静止轨道上,1公斤的卫星载荷只要200美元,比任何一种发射方式都要便宜。不过太空电梯仍然面临其他外界的因素制约,比如轨道碎片,如何避免意外撞击也是个棘手的问题。

7太空电梯提供了超低卫星入轨的费用,1公斤的卫星载荷只要200美元。图片来源:sapiains.deviantart.com

超电磁炮:或许并不那么科学

还有一种设想中的发射卫星的方法是磁悬浮助推发射,利用磁悬浮轨道技术对航天器进行初段加速,然后航天器启动发动机,这样可大大降低起飞时的能量消耗,同时能够提升载荷的携带量。磁悬浮助推发射的原理与磁悬浮列车类似,都由驱动电机和轨道构成,有研究人员通过计算得出,如果航天器的质量为500吨,利用现有的磁悬浮技术可将其加速至0.7倍音速;但是这样消耗的功率却相当大,如何获得强大的脉冲磁流发电机是该工程能否实现的难点。

8电磁技术目前主要用于小型载荷的远程投放,将其用于发射卫星不太合适。图片来源:Wiki

有了磁悬浮加速发射装置,那么建立在电磁加速原理上的电磁炮也曾被考虑由于卫星发射。目前电磁炮还仅限于发射小型炮弹。美国海军测试中的电磁炮可获得7马赫的初速度,射程数百公里,弹头重量仅为10公斤,因此要用电磁炮发射卫星不太现实。目前规格比较高的电磁炮电源能量达到200MJ,可发射20公斤的弹头,也是7马赫的出膛速度,射程为300多公里。如果要用电磁炮发射卫星需要功率更大的电源,技术上难以实现。更重要的是电磁炮发射时物体要承受极大的载荷,以10公斤的弹头为例,初速达到5至7马赫要承受数万个G,因此利用电磁炮发射卫星是不合适的。

本文看起来似乎都是在泼冷水——但这些都是我们现实中面临的真正困境。如果某一天某一项困难得到了突破,那么我们的航天飞行技术也许就能够迎来下一次飞越;不过同样可能的是,下一次飞越将诞生于那些脑洞更大、距离现实更加遥远的推进方式之中。这些构想中的方式甚至连非常规都算不上,迹近于异想天开——但那就是另一篇文章的主题了。(编辑:Ent)

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