月球登陆器,蓝色起源的新格伦火箭能否超越重型猎鹰

  出品:科普中国

亚马逊老板贝佐斯是现今世界首富,用富可敌国形容毫不为过。他的航天梦同样惊人,蓝色起源起点高、技术过硬、一直在憋各种大招,最近发布了月球登陆器蓝色月亮!SpaceX拉10亿美元投资都很艰难,而贝佐斯每年都往蓝色起源投入10亿美元以上。小时候有航天梦想的人,长大有钱了第一时间去搞航天,不可思议。

蓝色起源公司公布了新谢泼德飞行器第二次试飞的视频。这次试飞实现了从距地面100千米以上的太空垂直着陆回收火箭的壮举。视频来源:蓝色起源

  作者:矛隼工作室

人类登月总共有四种方案:

垂直起降复用运载器,这个技术大坑曾经“坑杀”过无数航天前辈,连美国研制的“三角快帆”最终也半途而废。然而,这一技术时下已经成为热门,太空探索技术公司(SpaceX)的猎鹰九号火箭(Falcon
9),和蓝色起源公司(Blue Origin)的新谢泼德飞行器(New
Shepard),都是典型的垂直起降复用运载器。

  监制:光明网科普事业部

  1. 直接降落月球。

根据蓝色起源公司的消息,11月23日新谢泼德成功实现了人类历史上第一次越过卡门线(即距离地面100千米、标志着太空起点的分界线)的垂直起降。

  一说到商业航天,大多数人脑子里的第一印象就是SpaceX太空技术探索公司,这家由埃隆马斯克创建的航天公司长期占据航天媒体的头版,而其他公司却在我国媒体发报道中难寻踪迹。

这种方式采用直来直往的技术路线,一枚超重火箭将飞船直接送出地球后,飞船能直接整体降落月球表面并返回,完全没有太空中交会对接过程。它的质量会很大,人类远没有能力做出足够强的火箭。

新谢泼德试飞

说起蓝色起源公司,它的老板杰夫·贝索斯(Jeff
Bezos)是无法回避的主角。贝索斯试图从太空亚轨道旅游出发,最终实现廉价往返太空的目标。新谢泼德飞行器就是贝索斯实现梦想的工具,它将首先服务于亚轨道太空旅游。

蓝色起源公司重新集中起“三角快帆”DC-X的研究团队,试验飞行器的外形和设计也与DC-X相当相似。2006年蓝色起源公司开始“戈达德”(Goddard)原型飞行器的飞行试验,成功飞到了87米高度并垂直着陆。第二具试验飞行器被称为PM2,进行了两次试飞,其中2011年8月的第二次试飞中,飞行器飞到14000米高空,速度也达到了1.2马赫。虽然这次试验中飞行器由于攻角超限坠毁,但它的飞行包线不仅远远超过了DC-X的试验记录,也是今天SpaceX的两只“蚱蜢”(Grasshopper)试验飞行器从未达到的高度。

继承了“三角快帆”的基础,又有“戈达德”的试飞经验,虽然千呼万唤始出来犹抱琵琶半遮面,但新谢泼德的试飞要顺利得多。新谢泼德是一种单级复用运载器,使用了50吨级推力的BE-3液氧液氢发动机,这在商业航天公司中别具一格。一般来说,液氧液氢燃料较贵,而发动机和储箱要付出更多的研制生产成本,哪怕复用也不太适合斤斤计较的商业航天公司,但新谢泼德打破了这一传统。究其原因,新谢泼德除了用于亚轨道旅游,还是未来蓝色起源大型运载火箭第二级的试验器。

对比传统一次性火箭,新谢泼德推进段增加了环形和鳍形稳定翼,多个减速板和液压系统驱动的尾翼,尤其是尾翼可在约4马赫的高速下工作,保证下落过程中的稳定性。

2015年4月29日,新谢泼德进行了首次试飞,飞行器达到了93.5千米的高空,随后返回舱分离并成功着陆,但由于液压系统故障,推进段的垂直着陆失败。第一次飞行验证了新谢泼德总体设计的可行性,从实际飞行试验看,新谢泼德的设计并没有明显问题,成功已经指日可待。

2015年11月23日的第二次试飞中,新谢泼德成功飞到了100.5千米的高空,推进段分离后受控下降并精确降落在指定位置,完成了人类历史上第一次亚轨道垂直起降试验。相比之下,SpaceX的“蚱蜢”垂直起降试验飞行器飞行高度低到可以忽略,高调宣传的猎鹰九号第一级海上着陆试验则屡战屡败,在试验进度和外界观感上都落了下风。

图片 1从太空返回的新谢泼德火箭运载器,稳稳地垂直降落在预定地点。图片来源:蓝色起源

  而有这么一家公司,处处要和SpaceX相比,各位看官先别笑,这家公司还是有一定的资本的,这家公司就是蓝色起源公司。

  1. 月球表面集合。

难分高下

伊隆·马斯克(Elon
Musk)和贝索斯是美国商业航天的两巨头,他们的对决当然会是人们津津乐道的话题。不过有趣的是,实际上,这种对决并不成立。马斯克的SpaceX占据先机,已经拿到了轨道补给合同,即将拿到载人运输合同,而贝索斯的蓝色起源公司到现在仍在亚轨道徘徊,轨道发射还有待时日。时下热门的垂直起降运载器研制上,两巨头也尚未正面冲突。

贝索斯的蓝色起源公司以新谢泼德先拔头筹,率先实现了进入太空的垂直起降,这是航天技术发展的一个里程碑,但我们看蓝色起源公司发布的数据,就会发现它的成色并不太足:新谢泼德固然突破了100千米高度的卡门线,但最高飞行速度仅有3.72马赫,甚至很难说是高超音速。

要说新谢泼德的亮点,主要在于它是第一个到达太空又垂直着陆返回地面的飞行器。“蚱蜢”等试验飞行器多次成功降落,但飞行高度和速度都太低。猎鹰九号的第一级分离速度约6到7马赫,却从未成功降落。

新谢泼德飞行器体积重量都比猎鹰九号第一级小得多,甚至小于“蚱蜢”试验飞行器。从某种意义上说,新谢泼德飞行器可以看作是加了更多燃料、飞得速度更快高度更高的“蚱蜢“。它的飞行过程要比猎鹰九号第一级高速再入加上定点着陆简单一些,但突破就是突破,新谢泼德飞行器已经载入史册

贝索斯创办的蓝色起源公司,研制了新谢泼德飞行器,着眼于亚轨道旅游业务,而马斯克创办的SpaceX,则致力于猎鹰九号火箭第一级的重复使用。马斯克希望通过复用降低猎鹰九号火箭的发射成本,并最终实现猎鹰九号火箭的重复使用,将发射成本降低到前所未有的水平。猎鹰九号火箭第一级的回收试验屡经坎坷,先是花费很大精力验证解决了高速下受控完整再入大气层的问题,随后卡在着陆上屡战屡败。

SpaceX的猎鹰九号火箭第一级,在2015年4月15日尝试在海上平台进行垂直着陆回收。这是猎鹰九号火箭最接近成功的一次海上平台着陆实验。视频来源:SpaceX

对此我们应该看到,猎鹰九号火箭首先要满足一次性运载火箭的需求,因此第一级存在长径比大、剩余推进剂少、控制手段少等问题,成功着陆的难度要更大一些。同样的,猎鹰九号火箭第一级能够突破着陆甚至回收复用的话,无论在技术上还是对航天工业的影响上,都是新谢泼德飞行器望尘莫及的

新谢泼德飞行器抢先完成了成功着陆,在进度已经毫无疑义地压过了猎鹰九号一头。这对高调的马斯克来说,不能不说是个遗憾。连他发的祝贺推文,都刻意强调了轨道和亚轨道飞行的区别,显得酸味十足。(编辑:Steed)

  蓝色起源公司是一家美国公司,和spaceX一样,其也有一个传奇般的老板,不过这个老板不是和埃隆马斯克一样的技术天才,而是一个超级互联网富豪——杰夫·贝佐斯,在2018年3月发布的福布斯富豪榜中,贝佐斯以1120亿美元的资产成为了世界首富。

这种方式分两次任务进行,第一次任务发射将携带大量燃料的无人探测器送上月球表面,第二次任务将载人飞船送到附近,然后将火箭燃料从无人探测器转移到载人飞船后返回。它的优点在于可以降低对飞船质量的要求,也就是运载火箭发射能力的要求。但两次着陆月球且位置极其靠近,难度极大,极度危险。

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  1. 地球轨道集合。

图为蓝色起源和亚马逊共同的老板——贝佐斯(来源:百度图片)

通过数次小型火箭发射,将一系列飞船模块送到地球轨道附近组装成整体飞船,后续飞船可以直抵月球并降落,完成任务后再整体起飞返回地球。这种方案对单次运载火箭发射能力的要求最低,甚至无需使用土星五号级别的重型火箭。但总体上多次任务和彼此交互对接带来的风险并不低,难度也不小。

  在巨大的资金支持下,蓝色起源公司的目标也和SpaceX一样——通过快速复用火箭技术,打造自己的航天帝国。

  1. 月球轨道集合。

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飞船将被整体送到月球轨道,期间登月模块和轨道舱将分离,登月模块着陆月球后其载人部分将返回月球轨道与轨道舱再次对接,进而返回地球。这是人类实践过的,阿波罗登月完成了6次着陆任务的壮举,还有阿波罗13的极限救援,阿波罗10的完整测试。

  图为各种主要运载火箭的示意图,右数第二到第四个是新格伦火箭(来源:蓝色起源)

火箭方面,并不是问题。美国航天发射能力将在10年内达到历史巅峰,单独有登月能力、比肩曾经土星五号的,就有NASA的SLS、SpaceX的BFR、蓝色起源的新阿姆斯特朗/new
Armstrong。低一档次的还有蓝色起源的新格伦、SpaceX的猎鹰重型、ULA的火神Vulcan和现役的德尔塔4重型等。

  蓝色起源的超重型火箭名字为“新格伦”,其体型介于重型猎鹰和SLS太空发射系统之间。而且,这种超重型火箭也将具有其复用回收能力。

飞船方面,晒一下我的阿波罗模型简单讲解下,一个全套登月飞船是下面这个样子。

  新格伦火箭的设计与重型猎鹰不同,其有多个可旋转的空气动力侧翼,这些侧翼将可以起到减速和控制飞行方向的作用。其作用更类似于猎鹰九号的格栅舵和反冲火箭的联合效果。随后的新格伦火箭将在接近回收船的时候打开火箭引擎进行减速。全程中只有这一次减速火箭启动,而与之对比的猎鹰火箭在减速时要三次启动反冲火箭。

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  新格伦火箭也是进行海上着陆,这样可以更加节省火箭的运力。而其海上着落船与SpaceX相比可以说是豪气无穷——其将用一个数万吨的轮船直接改装成着陆平台,而SpaceX的着陆船只有几百吨。

它实际上是两个部分,左边是推进/服务舱和指令舱,右边是登月模块。

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