潮科技| 露天製造,鋼板拼接,坑坑洼窪,這就是馬斯克吹了三年的“終極火箭”BFR?

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SpaceX的BFR是一款非常奇怪的火箭(Big Falcon Rocket,大獵鷹火箭),它隔三岔五就能跟著伊隆·馬斯克(Elon Musk)登上科技媒體的首頁,也被無數網友當成飯後談資。但航天業界內卻基本都對這款火箭隻字不提,甚至是懶得評論。究其原因主要是這是一款之前只存在於PPT上的重型火箭,除了發動機斷續試車之外,沒有任何實物能證明這個設計指標奇高的運載火箭正在真正的進行研發和製造。不過從前天開始,這個狀況有了一些改變。

其實這個故事要從這個月初說起,2018年12月8日,SpaceX的創始人馬斯克在推特(Twitter)上回复YouTube上一位航天視頻專欄作者(Everyday Astronaut)提問時,稱要推翻已有的BFR設計,將正在研發的BFR儲箱材料將由原設計中的碳纖維複合材料更換成金屬(Metal),同時還聲稱四周內就會有BFR火箭的二級——StarShip(可以譯為“星艦”)的亞軌道跳躍(懸停)測試機(Suborbital Hop Demo)實物照片公開。

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這本來是一個很重要的節點,證明BFR這個從2016年起畫了又畫,改了又改的火星大餅終於從PPT走向實物。但是鑑於SpaceX一向“謎之樂觀”的進度時間表,很多網友也沒把這個節點當真,直到一位來自美國德州(Texas)的推特用戶曝光了一系列在SpaceX德州測試場的照片後。

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SpaceX位於Boca Chica Village的這座場地目前已經放棄成為自建發射場,而是作為BFR的測試場地。所以這些圖片曝光後,網絡上眾說紛紜,有些機智的網友直接將已經拍攝到的部件組合了一下,得出了一個驚人的發現:

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然後又和已經公佈的BFR設計圖進行了簡單對比,結果如下圖(兩圖均來自Reddit):

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即使如此,包括作者我在內很多人還是不敢相信這就是StarShip的測試機,因為誰也不會相信人們印像中號稱“大國重器”的重型運載火箭竟會在這荒郊野灘露天製造,而且還採用的是坑坑洼窪的鋼板拼接而成,和我們印像中的運載火箭組裝大相徑庭。

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人們通常印像中的火箭組裝,攝於SpaceX位於加州霍索恩的總部車間(來源| SpaceX)

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那麼誰能告訴我這是什麼鬼東西。。。(來源| 馬斯克推特)

最終,馬斯克本人實錘回复——這就是BFR火箭二級StarShip的跳躍(懸停)測試機:

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雖然我至今不敢相信正在露天製造的這個“玩意”竟然真的就是StarShip的懸停測試機,但事實他真的就是。不僅如此,馬斯克在推特公佈了不少其它細節,例如該懸停測試機與實際BFR同樣採用9米直徑,採用市售採購的300系列不銹鋼板製成(具體牌號未曝光),但懸停測試機長度會比正式版StarShip的55米長度短一些,這種材料的成本之低,採購之容易令人大跌眼鏡。

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這個施工條件簡陋的就像是生產大尺寸水罐的扶貧工廠,不過回頭看看當年獵鷹9的懸停測試機Grasshopper(下圖),現在看起來是不是像個帶支架的液化氣罐呢?

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獵鷹9的VTVL回收成功並非偶然,懸停測試機Grasshopper(蚱蜢)和自爆的F9R為獵鷹9回收方案的成型奠定了堅實的技術基礎。蚱蜢僅僅安裝了一台梅林1D發動機,而且最關鍵是上面沒有格柵舵,完全依靠發動機強大的矢量和推力調節能力來維持平衡,圖中火箭上有個人,各位可以對比一下大小。

SpaceX的VTVL試驗過程集錦,包含蚱蜢的所有懸停跳躍試驗,看過後你就會發現獵鷹9的成功絕非運氣和偶然。

根據內線消息,其實本網早就知道StarShip的儲箱材料從碳纖維複合材料更換為不銹鋼,但萬萬沒想到懸停測試機儲箱外壁採用的就是市場上隨便就能買到的300系列標準不銹鋼鋼板,再加上低溫處理(Cryoformed),一塊鋼板的火星之旅即將開始。

其實不銹鋼儲箱並非什麼“偉大創新”,為ULA締造不敗神話的半人馬上面級就是使用的不銹鋼儲箱。雖然採用了301不銹鋼這種鐵合金(密度7.93 g·cm-3,是通常鋁合金的三倍還多),但依舊維持高幹質比和推進效率,而且自成熟後維持了非常高的可靠性,稱之為最優秀的低溫上面級也不為過。但StarShip的不銹鋼結構與半人馬上面級不同,半人馬上面級屬於氣球儲箱,製造完成後需要時刻保持內壓,否則會結構破壞(曾有過這類事故),但馬斯克聲稱StarShip的不銹鋼儲箱在無內壓條件下仍舊可以保持外形,這和能在火星表面長期存放的惡劣需求相符合。

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這麼看起來和老馬這玩意是不是差不多?

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AC-13~15半人馬液氫貯箱的不銹鋼壁厚度和硬度,頂部最薄處0.25毫米

為了追求極致的輕量化設計,BFR從2016年曝光伊始宣稱將採用大直徑碳纖維複合材料共底儲箱,該指標直至2018年秋發布會都未發生過改變,SpaceX還試制了10米級的大直徑儲箱試驗件,並進行了破壞性耐壓試驗。再加上RocketLab公司同樣採用碳纖維儲箱的電子運載火箭已經成功進行了三次發射,雖然兩者體量和技術要求相差甚大,但仍為碳纖維儲箱提供了一定信心,再加上碳纖維纏繞壓力容器(COPV)已經廣范運用在了運載火箭的增壓結構上。所以對於BFR所採用的碳纖維材質,雖然業界偶有質疑之聲,但並非主流,然而此次突然中途更換儲箱材料,想必是研發中遇到了不可逾越的技術障礙。

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小小的“電子”(Electron)火箭雖然並不起眼,但卻是第一款採用碳纖維複合材料儲箱的低溫液體火箭

馬斯克並未表示如此大幅變更設計的原因,但分析起來無非以下幾種可能:

  • 碳纖維和BFR所用的熱盾材料不相容或貼敷工藝無法解決;

  • 大直徑碳纖維儲箱在復用回收後的可修復性和可檢修性上存在缺陷;

  • 大直徑碳纖維儲箱的成型和加工工藝不夠成熟;

  • 碳纖維結構強度不足,或提高強度會導致超重,反而不如其它材料;

  • 大直徑、高強度的碳纖維儲箱成本過高,不過這應該是輔因,而非主因。

有讀者可能覺得我是給碳纖維儲箱亂扣帽子,事實並不是,碳纖維本身高強度、低密度的優異特性吸引了汽車、航空、航天等行業競相使用,但是在航天領域他也曾經打擊了不少型號的研發過程。歷史上比較出名的就是NASA的X-33,它是無人駕駛單級入軌可重複使用航天運載飛行器“冒險星”的縮比的原型機。根據齊式公式的基本原則,由於X-33的後繼機“冒險星”最終面向的是單級入軌(Single Stage to Orbit),因此X-33採用了碳纖維複合材料儲箱以追求極致幹質比,又採用了液氫液氧推進劑組合追求極致比衝。但問題就出在這個追求雙極致的過程中,1999年一次復材液氫儲箱洩露事故導致項目進度停滯,問題遲遲得不到解決,最終洛克希德·馬丁的臭鼬工廠決定放棄复材儲箱,回退到傳統金屬儲箱,但仍然沒有逃脫項目被砍的悲慘命運,X-33於2001年徹底夭折。後來洛·馬雖然不甘失敗繼續研究並證明了复材儲箱的可行性,但仍未能讓項目起死回生。

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X-33的藝術想像圖,最明顯的是尾部的氣動塞式發動機

說起X系列試驗飛行器,就不得不提StarShip有可能將採用的新型防熱瓦材料,眾所周知SpaceX現有的PICA-X防熱材料來自於NASA的Ames研究中心,PICA意為酚醛浸漬碳燒蝕體,本質上是一種輕質燒蝕材料,每次再入後會產生一定減薄,可複用性不是特別特別理想。所以SpaceX與Ames研究中心再續前緣,有意在BFR上採用新型TUFROC防熱材料,該材料曾用於美國空軍試驗航天器X-37B的翼面前緣。

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SpaceX與Ames研究中心協議首頁,協議明確註明是用於BFR的熱防護系統

TUFROC是增韌型單片纖維增強抗氧化複合材料的簡稱,NASA Ames開發的這種材料能夠在1650攝氏度高溫下保持結構穩定,密度低至0.35g/cm3,且隔熱防熱一體化。它結合了碳帽,矽膠基和固化玻璃塗層,以防止氧化。近年來,波音公通過X-37B在軌道速度再入後成功證明了TUFROC的重複使用性能,證實了這種材料能夠在經歷極少甚至沒有燒蝕的情況下倖存下來。

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TUFROC就工作在X-37B再入熱環境最惡劣的部分

TUFROC高溫狀態

SpaceX有意採用TUFROC其實還可能另一方面原因,有報導提及低溫處理(Cryoformed)的不銹鋼在硬度上接近鈦合金,高溫性能優於鋁合金,且TUFROC-X可直接貼敷在不銹鋼材料,工藝上相較碳纖維結構有所簡化。另外馬斯克還提及鋼的強度重量比(strength/weight)比低溫狀態的碳纖維稍好,比室溫下碳纖維差,而高溫則好很多。最後不銹鋼的耐高溫性(常見的304不銹鋼工作溫度最高可到800攝氏度),熱導率高(常溫下16w/m·K),換用不銹鋼後可以一定程度上減少防熱瓦的覆蓋面積,再加上TUFROC相對於PICA-X燒蝕減薄更少,防熱瓦重量會有可能會得到可觀的下降。不僅如此,馬斯克還表示可能不會對箭體外表面進行塗裝,而是進行鏡面拋光,以達到最大的反射率。

繼續說不銹鋼,半人馬上面級採用301薄壁不銹鋼共底氣球儲箱,加註液氫、液氧,其中氫的貯存溫度低至零下253度,同時半人馬俱備在軌長時間滑行和多次點火能力,滑行中儲箱壁外是無遮無擋的劇烈陽光,儲箱壁內則是距離絕對零度僅有23度的低溫液氫,稱之為冰火兩重天毫不為過,可這種結構仍然工作如常。可見其結構值得信賴,另一方面,便宜的誘惑實在是太大了。但是不銹鋼絕對不是完美的,否則肯定早就用了,不銹鋼的高密度需要大量額外的減重設計,也可能導致運力不可避免的繼續縮水。但目前來看,可能是SpaceX最合適的選擇了。

無論結果如何,設計變更已成定局,可見BFR實際設計之艱難,未來設計再出現何種變化和反復其實都毫不意外。之前有人曾猜想BFR要換用鈦合金,尤其是馬斯克曾宣稱其格柵舵是目前世界最大的一體鈦合金鑄件,但全鈦火箭從成本上就不符合老馬一貫的節約風格,其他材料也難逃“好是好,就是太貴”的尷尬境地。

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回收前後的鈦合金格柵舵,稱之為毫髮無傷應該並不為過

如無意外,懸停測試機測試方案會與獵鷹9時代如出一轍,首先是點火,維持推重比平衡進行一系列測試,然後懸停在距地面數米高,懸停過程會測試猛禽發動機的實際振動特性,燃燒穩定性,變推力,發動機擺動機構、火箭GNC系統和控制算法等等項目。然後逐步調整跳躍高度,逐步提高懸停高度和上升下降速率,還會測試平移。當然如果出現類似F9R姿態失穩出現倒栽蔥的情況,最終也會是一個明亮的火球。

Starship和Super heavy(BFR一級)的真正軌道發射用版本將在加州San Pedro(聖佩羅)港區的新廠房中重新製造,再經由海運送往發射或測試場地。說回這個懸停測試機,根據SpaceX向FAA(美國聯邦航空管理局)遞交的測試方案,StarShip懸停測試機的測試高度不超過5公里,時長不超過360秒,馬斯克還透露懸停測試機將安裝有3台猛禽發動機,按照目前單台200噸級推力計算,懸停測試機起飛推力高達600噸。

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3台猛禽安裝方式應該類似於2017版中央的3台海平面版猛禽,這三台是雙擺,負責反推減速及最終著陸

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說到猛禽,馬斯克還提到SpaceX已經研發了一種牌號為SX500的高溫合金,可以在82.7Mpa(12000psi)的高壓力和富氧燃氣的沖刷下正常工作,而且馬斯克稱該牌號合金已經投入量產,可以批量後續迭代試驗。

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此外還稱猛禽(Raptor)發動機的設計也有大幅變化,推力可能會有所上升,並有望於下個月進行首次點火試車。重新設計的猛禽細節並未提及,但馬斯克稱維持了已有的全流量分級燃燒循環(Full-flow Staged Combustion Cycle)設計,實現了原有規劃中的主燃燒室氣-氣燃燒,同時還將室壓(Chamber pressure)推高到前所未有的30Mpa。有望成為第一款投入實用化的全流量分級燃燒循環發動機,一掃以往發動機水平低下的形象,以往燃氣發生器循環的梅林系列發動機一直被國內媒體和網友所嘲笑和詬病。而高室壓,全新循環方式,全新推進劑組合,高比衝,深度節流的猛禽如果最終成功,SpaceX將有望推翻這個“拼湊廉價發動機”的形象。相當年若非馬斯克將湯姆·穆勒(Tom Mueller)從如今在大推力液發領域已經幾無存在感的TRW公司挖出,搞不好穆勒餘生只能在自家後院的車庫裡嘗試自己的火箭動力之夢了。

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猛禽具有一個富氧一個富燃兩個預燃室,兩個預燃室燃燒生成的燃氣在主燃燒室匯聚,進行穩定的氣-氣燃燒(gas-gas),其中富氧預燃室需要耐高溫高壓的特殊材料

但是我們也要看到,30Mpa是一個相當高的室壓,要知道SpaceX自家的梅林發動機還不到10Mpa,藍色起源同樣採用液氧甲烷推進劑組合的BE-4的才13.44Mpa,洛克達因(Rocketdyne)的最高傑作——航天飛機主發動機SSME才20.64Mpa,逆天的RD-180不過26.7Mpa,即使是全流量分級燃燒的前輩RD-270也不過26.1Mpa。高室壓是一把雙刃劍,負面效應上不僅會導致發動機結構增重,萬一出現爆機事故,類似獵鷹9火箭OctaWeb結構的凱夫拉防彈隔板很可能難以約束高壓所噴射出來的飛射物,從而導致連鎖反應。

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梅林室壓低,推力低,循環方式簡單,確實不如100,但是推重比一騎絕塵

從猛禽2016年9月第一次點火至今已經過去了3年,距離2011年作為獵鷹9上面級發動機進行小範圍研發開始已經7年,至今仍難說徹底搞定,過程之坎坷,難度之高可見一斑。

後記

懸停試驗機的新聞甫一推出,網上的評論何其歡樂,什麼“土法造箭”、“旱地拔蔥”、“易拉罐火箭”、“大棚產車特斯拉,露天造箭爆破X”。這些戲謔和調侃的言論大多抱著玩笑的心態和一絲希冀,希望他真的能成為人類第一款完全可重複使用的低成本運載火箭的希望,也是邁向星辰大海的又一步。

希望這個亮閃閃帶著支腿的大罐子能跳好他笨拙的第一步——需今朝踉蹌百步,方來日一躍千里。

  • 當然在很多自帶設定的網站,例行也不會缺少那些熟悉的評論:

  • 說馬斯克是再造噱頭,借火星圈錢攬財者有之。

  • 說SpaceX又藉著NASA過時技術包裝販賣者有之。

  • 說BFR方案扯淡,難度太高,最終還不如一次性火箭肯定胎死腹中者有之。

  • 說這火箭未來必炸,壯觀火球象徵某國衰落者有之。

總之,這個帶著支腿的不銹鋼罐子,哪怕其何其簡陋,也畢竟是人類首個火星著陸驗證機。究竟是會像某些資本加持的創新一樣喧囂過後一地雞毛最終淪為笑談,還是破繭成蝶終能一飛沖天翱翔寰宇,還請各位看官耐心等待。

畢竟,耐心是一種美德。

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