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SpaceX发展与政府支持专题(四):马斯克的执念— BFR和得州荒滩上的试验机
    日期:2020年03月30日    字体:【】【】【

太空探索技术公司(SpaceX)的“大猎鹰”火箭(Big Falcon Rocket,以下简称BFR)是一款非常奇怪的运载火箭,自2016年国际宇航大会上以压轴演讲形式首次公开至今,这款承载着公司创始人艾隆·马斯克“火星殖民”梦想的重型运载火箭基本每隔几个月就会进行一次公开的项目进度和设计更新,但是航天业界却鲜有人认真地看待它。BFR既没有正式的政府和军方资助,也没有卫星运营商的商业订单,如果排除日本亿万富豪前泽友作发起的载人绕月项目,BFR就是一款由SpaceX公司“自掏腰包”且只存在于纸面上的“梦想”火箭。除了BFR配的猛禽(Raptor)发动机断续试车的消息外,没有任何实物能证明这款设计指标激进的运载火箭正在真正地进行研发和制造。不过从2019年初开始,这个状况有了改变。

▲2018年版BFR

一、露天焊钢板,荒滩造火箭

2014年8月,SpaceX公司曾在得克萨斯州的博卡奇卡镇(Boca Chica Village)海边购得一块场地,欲建成公司自有发射场。但随着业务进展,公司已经放弃修建自建发射场,缓慢的基建进度使媒体几乎遗忘了这个场地的存在。然而2018年底,马斯克宣称将 推翻已有的BFR设计,将正在研发的BFR贮箱材料将由原设计的碳纤维复合材料更换成金属(Metal),同时还将大幅加速项目进度,并且马上就会有BFR火箭的二级——“星船”(StarShip)的亚轨道跳跃(悬停)测试机(Suborbital Hop Demo)实物照片公开。

▲星船测试机实物图

翻天覆地的设计变更,不切实际的时间进度,使得业界对马斯克这番对BFR表态的真实性心存疑虑。但仅仅过了两周后,SpaceX公司在博卡奇卡镇的场地上,一个形似水塔的巨大钢制 罐型容器在露天开始了拼装焊接。更令人惊奇的是,施工活动周末不休,日夜赶工,而场地周边只是荒草野滩,没有封闭式厂房设施。但这个“水塔”其实 就是马斯克之前所说的星船跳跃(悬停)测试机,其贮箱直接由市售不锈钢板在 露天制造,不但施工环境简陋,焊缝和成品也粗糙不堪,与人们印象中堪称“大国重器”的重型运载火箭制造场景大相径庭。星船测试机与最终用于轨道发射 的BFR同样为9米直径,一二级贮箱均采用301不锈钢板制成,但测试机高度会比正式星船的55米稍矮,约为40米。

星船测试机的作用其实应与当年“猎鹰9”的测试机“蚱蜢”(Grasshopper)如出一辙,即用于垂直起飞垂直降落(VTVL)测试。“猎鹰9”回收的成功并非一蹴而就,“蚱蜢”2012年9月首飞,在其后一年多 的时间内共进行了8次悬停测试,为“猎鹰 9”回收方案的成型和成熟奠定了坚实的基础。“蚱蜢”仅仅安装了一台梅林1D发动机,且箭体顶部未设置格栅舵,完全依靠发动机的摆动机构和变推力能力来维持平衡;星船测试机与之类似,设计安装有3台代号“猛禽”的液氧甲烷发动机,未设计有格栅舵。依据SpaceX公司向美国联邦航空管理局(FAA)递交的测试方案,星船测试机的测试高度不超过5公里,时长不超过360秒。

▲“蚱蜢”

如无意外,星船测试机的测试首先会是原地点火,维持推重比平衡前提下进行推力稳定测试,然后悬停在距地面数米高,悬停过程会测试猛禽发动机的实际振动特性、燃烧稳定性、变推力、摆动机构、GNC系统和控制算法等。然后逐步调整跳跃高度,渐次提高悬停 高度和上升下降速率,还会择机测试平移,为最终用于轨道发射的BFR积累经验和数据。

▲X-37B,图中可见覆盖的TUFROC防热瓦

BFR自曝光后三年来,运力指标和设计方案一改再改,定型似乎遥遥无期。但作为BFR提出以来的首个可飞 行实物,星船测试机的诞生是一个重要里程碑,一方面代表SpaceX公司正在设法加速接近其最终设计,另一方面也可以从中管窥正式BFR火箭的全新设计和技术特性。

▲大小对比图

二、碳纤维还是不锈钢?这是个问题

星船测试机最大的变化是贮箱材料从碳纤维复合材料更换为不锈钢,BFR本身亦然,其实不锈钢贮箱并非什么“伟大创新”,为联合发射联盟(ULA)的宇宙神5火箭缔造不败神话的半人马上面级(Centaur)使用的就是不锈钢材质。虽然采用了密度3倍于铝合金的301不锈钢,但通过薄壳气球和共底设计维持了高干质比,其氢箱顶部最薄处仅有0.25毫米。最难能可贵的是作为 一款从1962年服役至今的高性能低温上面级,“半人马”在成熟后一直维持着极高的可靠性。但SpaceX公司声称BFR的不锈钢结构与之不同,“半人马”属于气球贮箱,需要时刻保持内压,否则会发生结构破坏,但SpaceX公司所设计的不锈钢贮箱在无内压条件下仍旧可以保持外形。

▲X-33试验飞行器

为了追求极致的轻量化设计,BFR从2016年曝光伊始就宣称将采用大直径碳纤维复合材料共底贮箱,并与著名的碳纤维制造商东丽(Toray)签订了供货意向。该设计直至2018年秋发布 会都未曾改变。SpaceX公司在2016年还试制了12米直径的碳纤维贮箱试验件,并进行了破坏性耐压试验。再加上火箭实验室公司同样采用碳纤维贮箱的电子号运载火箭已经成功进行了3次 发射,虽然两者体量和技术要求相差甚大,但仍为碳纤维贮箱的应用提供了支撑。还有,碳纤维缠绕压力容器(COPV)已经广泛运用在了现役猎鹰火箭的贮箱增压设计上,所以对于BFR所采用的碳纤维材质,虽然业界偶有质疑之声,但并非主流。此次突然宣布更换贮箱材料,想必是研发中遇到了不可逾越的障碍,而这个障碍,就要从碳纤维本身说起了。

▲全流量分级燃烧循环图

碳纤维本身高强度、低密度的优异特性吸引了汽车、航空、航天等行业竞相使用,但并非完美无缺,而且应用在贮箱时还曾有过“黑历史”。比如美国的X-33试验飞行器,它是无人驾驶单级入轨可重复使用航天器“冒险星”(VentureStar)的缩比原型机。由于“X-33”的后继机“冒险星”最终面向的是单级入轨,结合齐式公式,“X-33”采用了碳纤维复合材料贮箱 以追求极致干质比,又采用了液氢液氧 推进剂组合追求极致比冲。但问题就出在这个追求双极致的过程中,1999年一次复材液氢贮箱泄露事故导致项目进度停滞,问题迟迟得不到解决,最终洛·马公司的臭鼬工厂决定放弃复材贮箱,回退到传统金属贮箱,但仍然没有逃脱项目下马的命运,“X-33”于2001年彻底夭折。无独有偶,SpaceX公司自己也曾经因为碳纤维和低温液氧相容性问题遭受过“阿莫斯-6”爆炸事故的惨痛教训。

▲火箭实验室公司的碳纤维贮箱

▲不锈钢贮箱瓜瓣正在焊接

反观不锈钢,首先半人马座上面级的液氢贮存温度低至零下253摄氏度,同时具备在轨长时间滑行和多次点火能力,滑行中贮箱壁外是无遮无挡的剧烈阳光,贮箱壁内则是距离绝对零度仅有23摄氏度的低温液氢,称之为冰火两重天毫不为过,而这种结构仍然工作如常,足见其可靠性。其次是成本压力,马斯克称其采用的碳纤维报价每千克135美元,同时考虑到35%的废料率,实际成本接近每千克200美元,而不锈钢每千克售价仅3美元。最后是不锈钢的焊接和加工工艺高度成熟,而碳纤维则需用复杂的高强度树脂浸渍来实现,因此不锈钢的成本优势相当可观。但是不锈钢也非完美,其高密度的缺点 需要大量额外的减重设计来弥补,不可避免地导致运力进一步缩水。但除了这三条理由外,还有一个SpaceX公司不得不采用不锈钢的原因——全新的主动防热设计。

三、不锈钢三明治和再生冷却热盾

BFR作为一款两级可完全重复使用的运载火箭,其二级也就是星船需 要再入大气层返回地面,类比升力体+三角翼结构的航天飞机再入大气层的情况,其机身迎风面温度最高达1200摄氏度左右。传统防热系统主要采用烧蚀材料或者非烧蚀防热瓦,若星船巨大的迎风面类似于采用非烧蚀防热瓦的航天飞机,需要布置大面积防热结构,随之而来的加工、胶粘、维护工作耗时长、成本高,与预想中的廉价重复使用思路格格不入。所以SpaceX公司提出了全新的“再生冷却热防护系统”的概念。该系统原理类似于液体火箭发动机喷管的再生冷却,是在贮箱迎风面采用双层不锈钢,中间设置有细密的流道,再入过程中贮箱内的低温推进剂流过流道,带走贮箱外表面热量以保护星船,同时还起到了加固迎风面结构的作用,以抵抗再入过程中巨大的气动阻力。不仅如此,SpaceX公司还引入了液体火箭发动机推力室的“发汗冷却”思路,在迎风面贮箱外壁设置了细密的蒸发孔,从而辅助冷却星船。根据这两种冷却方案的条件,星船原定使用的碳纤维只能无奈出局,不锈钢进入了公司研发团队的视野。

▲不锈钢贮箱瓜瓣正在焊接

马斯克在表述理由时首先说到不锈钢的熔点远高于铝,虽然碳纤维也不会融化,但树脂在特定温度下会遭到破坏。典型的铝合金或碳纤维,在稳定的工作条件下,其能承受的温度在 149 摄氏度左右,一旦超过200摄氏度时,便有相当风险。而不锈钢的工作温度可以高达800摄氏度以上,此时强度仍没有明显弱化。而在贮存低温推进剂时,通常的碳钢在零下165摄氏度的低温下会变脆,但铬镍含量较高的不锈钢却不会这样,马斯克表示此时强度反而有所增加,延展性仍然很高。因此不锈钢为防热系统提供了很高的设计裕量,由于工艺成熟,应用再生和发汗冷却方案 也更容易,因此决定换用不锈钢。不仅如此,马斯克还表示可能不会对箭体外表面进行涂装,而是进行镜面抛光,以达到最大的反射率,将再入过程中的辐射热尽可能反射出去,这也是碳纤维难以做到的。

除此之外,在星船着陆腿和气动翼面的某些部分,限于条件无法采用再生冷却。所以BFR很可能在这些部分采用一种新型防热材料。众所周知,SpaceX公司现有的PICA-X防热材料来自于美国宇航局的埃姆斯(Ames) 研究中心,意为酚醛浸渍碳烧蚀体,是一种低烧蚀轻质防热材料,每次再入后会产生一定减薄,可复用性并不十分理想。所以SpaceX公司与埃姆斯研究中心“再续前缘”,有意在BFR上采用新型TUFROC防热材料,该材料曾用 于美国空军试验航天器X-37B的翼面前缘。TUFROC是增韧型单片纤维增 强抗氧化复合材料的简称,这种材料可在1650摄氏度高温下保持结构稳定,密度低至0.35克/厘米3,且隔热防热一体化。它结合了碳帽、硅胶基和固化玻璃涂层,以防止氧化。近年来,波音公司通过“X-37B”在轨道速度再入后 成功证明了TUFROC的重复使用性能,证实了这种材料能够在经历极少甚至没有烧蚀的情况下幸存下来。SpaceX公司有意采用TUFROC其实还可能另一方面原因,就是TUFROC可直接贴敷在不锈钢上,工艺上较碳纤维结构有所简化。

四、神秘的“猛禽”,超高的室压

和几乎推倒重来的星船一样,BFR的“御用”发动机“猛禽”也没有停止更新的脚步,SpaceX公司表示猛禽发动机的设计也有修改,推力可能会有所上升,并有望于今年春季进行首次点火试车。改进后的“猛禽”维持了已有的“全流量分级燃烧循环”设计,实现了原有规划中的推力室气-气燃烧,同时还将室压推高到前所未有的30兆帕。有望成为第一款投入实用化的全流量分级燃烧循环发动机,一扫公司以往以“梅林”这款推力不足百吨的燃气发生器循 环发动机包打天下的形象。而新一代高 室压、全新循环方式、全新推进剂组合、高比冲、深度节流的“猛禽”如果最终成功,SpaceX公司将有望推翻“拼凑廉价发动机”的固有形象。

▲猛禽发动机试车图

“猛禽”具有一个富氧一个富燃两个预燃室,两个预燃室燃烧生成的燃气在推力室汇聚,进行相对稳定的气-气燃烧,其中富氧预燃室需要耐高温高压的特殊材料和涂层。SpaceX公司宣称公司已经研发了一种代号SX500的高温合金,可以在82.7兆帕的高压力和富氧燃气的冲刷下长时间正常工作,而且称该型合金已经投入量产,可以批量用于后续迭代试验。“猛禽”所瞄准的30兆帕推力室室压在现役液发中罕逢敌手,SpaceX公司自家的梅林1D发动机还不到10兆帕,“蓝色起源”同样采用液氧甲烷推进剂组合的BE-4发动机才13.44兆帕,洛克达因的得意之作RS-25发动机为20.64兆帕,俄制RD-180也不过26.7兆帕,即使同样采用全流量分级燃烧的RD-270也不过是26兆帕级别。总的说来,推力室高室压是一把双刃剑,负面效应上不仅会导致发动机结构增重,万一出现发动机爆炸,类似猎鹰9火箭“八角网”结构的凯夫拉隔板很可能难以约束推力室高压所喷射出来的飞射物,从而导致连锁反应。

▲星船测试机安装的3台猛禽发动机模型

从“猛禽”2016年9月第一次点火至今已经过去了3年,距离 2011年作为“猎鹰 9”上面级发动机进行小范围研发开始已经7年,至今仍难说定型稳定,过程之坎坷,难度之高可见一斑。

写下这些文字的时候,星船测试机还在得州的荒滩边夜以继日地组装着,粗糙的外观和简陋的施工条件引来了无数热议。这些戏谑和调侃言论大多抱着玩笑的心态和一丝希冀,希望它真的能成为人类第一款完全可重复使用的低成本运载火箭,也是迈向星辰大海的 又一步。毕竟马斯克的火星梦已经做了17年,终于到了圆梦的时刻了。BFR不仅是一款设计指标奇高的重型运载火箭,更是SpaceX公司一次孤注一掷的豪赌。

▲疑似采用双钟形喷管的发动机模型

总而言之,这个带着支腿的不锈钢罐子,哪怕其何其简陋,也毕竟是人类向航班化低成本航天发射的一次尝试。究竟是会像某些资本加持的创新一样喧嚣过后一地鸡毛最终沦为笑谈,还是破茧成蝶终能一飞冲天翱翔寰宇,还请各位读者耐心等待。

本文原载于《太空探索》2019年第3期,作者为田丰

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