任念东:马斯克“炸火箭”,什么水平的操作?
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任念东:马斯克“炸火箭”,什么水平的操作?

2020年01月22日 07:31:41
来源:观察者网

1月19日,SpaceX公司完成了为NASA提供近地轨道载人服务的最后一项测试——“飞行中发射中止测试”,用一枚真实的猎鹰9火箭将“载人龙”飞船发射升空,并在途中模拟发射失败的宇航员救生场景。

这个测试有什么用?

这还得从空气说起。

在飞船发射过程中,高速流动的空气会对飞船产生阻力,这个阻力大致可以用一个公式来表示:

式子中,阻力因子C和面积S都是常数,影响阻力的只有空气密度ρ和速度V。

随着火箭加速,V当然是持续增加的,但是同样随着高度的提升,空气密度ρ又会下降。

因此在火箭穿越大气层的过程中,会出现一个阻力最大的点——最大动压点,也叫“max-Q”。

在上面这张图里,红线是速度,蓝线是空气密度,绿线就是动压,能看到绿线有且仅有一个峰值。

那么,如果在这个最大动压点附近飞船能够安全救生,那么在其他阻力更小的情况下救生应该也能做到。

SpaceX和以前的测试有什么不同?

在NASA的传统中,新飞船需要进行实际的飞行逃逸测试,不过传统上是用较小的火箭搭载发射。这种传统可以追溯到美国最初的载人航天计划“水星”中。

用于“水星”飞船逃逸测试的“Little Joe”火箭

在阿波罗计划中,上升段逃逸测试用的火箭升级为“Little Joe II”。在阿波罗计划的第三次飞行逃逸测试(A-003)中,由于故障,火箭陷入了不可控的旋转中,最终在低空解体。而逃逸系统成功将阿波罗飞船的模拟返回舱在火箭爆炸时“拽”了出来,生动直观地体现了系统设计的可靠性。

“阿波罗上升逃逸测试”

最近的一次上升段逃逸测试,是2019年7月2日进行的“猎户座”飞船逃逸试验Ascent Abort-2,采用的助推火箭则是“和平卫士”洲际导弹的固体一级发动机SR118。

“猎户座飞船逃逸测试”

不过,与SpaceX的测试相比,细心的读者朋友应该发现了些许不同。

“猎户座”飞船逃逸发动机点火时,助推火箭并没有停止燃烧,而是在飞出画面前持续工作:

而根据SpaceX公布的遥测画面来看,在“载人龙”飞船的发动机点火后,运载火箭的发动机就关机了。

根据NASA局长布里登斯廷在测试后的发言,逃逸过程中的最大过载是3.5g左右。

“这令人印象深刻。”他说,“本以为(逃逸过程)会很粗暴,但数据并非如此…这给了宇航员信心,如果我们不得不启动逃逸程序,乘坐体验不会那么糟糕。”

3.5g是什么概念呢,是前一阵子出现故障的波音“星际客机”飞船的发射过载上限。

也就是说,“载人龙”飞船在最大动压点附近的逃逸加速度,近似于载人发射的正常加速度。

作为对比,阿波罗飞船和联盟飞船的逃逸过载都在10g水平,“猎户座”飞船的逃逸塔也继承这种优良传统,“跑赢”了还在工作的固体火箭助推器。

产生这种差异的根本,还是在于飞船选择的逃逸方式不同。

飞船的逃逸方式有哪些?

总的说来,在发射阶段采用的逃逸方式主要有弹射座椅逃逸、逃逸塔逃逸和推式逃逸三种。

弹射座椅逃逸主要用于早期载人飞船,以及美苏两国的航天飞机。由于只能在发射的前几十秒保护成员,现在已经基本被淘汰。

苏联“暴风雪”号航天飞机的弹射座椅设计

逃逸塔逃逸是目前最广泛应用的逃逸方式,美国的阿波罗飞船、联盟飞船、神舟飞船、“猎户座”飞船,都采用了由固体火箭发动机组成的逃逸塔。固体逃逸火箭的特点就是瞬时推力大、初始推力大,因此初始加速度大,能够尽快把航天员带离危险区域。

阿波罗飞船的逃逸塔

而“载人龙”飞船和波音的“星际客机”飞船采用的是“推式逃逸”技术,用飞船自带的液体火箭发动机执行逃逸,省去了庞大而沉重的逃逸塔。

液体火箭可以反复点火、重复使用,但是其“爆发力”一般比不过同等级固体发动机。根据新闻,“载人龙”飞船进行发射台逃逸的最大过载是6g,因此在飞行段阻力最大的情况下逃逸加速度下降到3.5g左右也是正常的。

采用“推式逃逸”的波音“星际客机”飞船

说了这么多,为什么要炸火箭呢?

回到SpaceX“炸火箭”这件事上。

不得不说,埃隆·马斯克是个世界级营销高手。

他知道怎么做能够吸引大家的眼球,也知道怎么做能事半功倍达到目的。

在测试的最后,运载火箭被引爆。火箭化作一团火球,“载人龙”飞船成功逃出,安然无恙,宣传效果直接拉满。

也不会有人关心,火箭是在飞船逃逸的同时就熄火,并且在熄火8秒后才引爆。

那个时候飞船加速再慢,也早就飞到安全距离外了,引爆火箭不会有任何负面影响。

甚至“马斯克要炸火箭”这件事,提前好几天就成为了全世界各大媒体的焦点。

稳赚不亏。

认真地说,在许多需要启用逃逸程序的情况下,火箭能够及时关闭发动机,给飞船足够的时间飞离危险区,因此SpaceX在执行逃逸试验的同时关闭火箭发动机的举措并无不妥。

不过还有极少数的情况,发动机不是你想关,想关就能关的。

当然,我们也不必对此有什么额外的担忧,NASA对相关测试有全过程监督和审查。

只要NASA能接受这个设计,那就一定是好的设计。

不是吗?