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航天史:57.史无前例

2020-12-20  星光闪亮...

上文书我们讲到了NASA全力以赴展开了航天飞机计划。从阿波罗-联盟对接任务以后,NASA停止了一切载人航天活动,基本上就是全部押宝在了航天飞机项目上。

航天飞机一开始方案很多,五花八门的。各家公司也是脑洞大开,基本上是倾向于上下两级飞机构型。也就是一架大型火箭飞机背上背着一架小号的轨道飞机。下边的是第一级火箭,上边是第二级,大致就是这么个意思,他们还是希望都能飞回机场降落。罗克韦尔公司拿到了轨道器的合同,也就是我们看到的那架航天飞机。

后来嘛,大家论证下来,第一级火箭不可能是长翅膀自己飞回机场。还是要用传统的火箭,咱就省点钱,千万被整那么多幺蛾子。那么是选液体火箭还是固体的呢?最后还是选了固体火箭。道理很简单,因为固体火箭就是一个简单的钢壳子,里面装的是固体的药柱。烧光了以后,掉进海里,捞起来洗洗还能用呢。液体火箭可就麻烦多了,里边有燃料储箱,还有一堆的管子和阀门,那么精贵的发动机泡了海水就不能用了,所以,不能用液体火箭当做第一级。

航天飞机的固体火箭助推器结构

讲了这么多集,我们一直在讲液体火箭发动机,讲偏二甲肼/四氧化二氮,讲液氧煤油和氢氧机,唯独没好好的讲过固体火箭。其实呢,大家可能放鞭炮的时候都接触过窜天猴之类的烟花爆竹,也有的地方叫“高升”,这东西就是最简单的固体火箭。航天飞机用的固体火箭虽然要比这个土玩意儿复杂得多,但是基本原理都是一样的。固体火箭用的燃料都是炸药它们家的亲戚。想办法把炸药的燃烧速度降下来,就可以当做固体火箭推进剂了。
这个药柱的造型可就有讲究了。我们印象里,这个火药的药柱都是从口上往里烧,其实还真的不是这样。而是在药柱中间掏个洞,从内部往外皮烧。这个洞的截面到底是搞成什么样子,有多粗,就是一门很大的学问了。航天飞机的这个助推器药柱中间这个洞,形状就比较复杂,底下的口是星形的,上边就过渡到了圆形。而且截面的粗细也有不同的变化。

航天飞机助推器

航天飞机用的这个固体火箭助推器号称最大的固体火箭助推器,高45米,直径3.7米,单台推力1245吨。我们以前介绍过土星5号的主发动机F1,那台发动机的推力就大的变态,达到700吨级,土星5号用了5台,就把3000吨重的火箭送进了太空,号称是最大的液氧煤油发动机。但是,单论推力一项指标,F1和航天飞机用的这个固体火箭发动机根本没法比啊,人家一台就能发出1245吨的推力。
那么为啥土星5号非要用液氧煤油发动机,而不用固体火箭发动机呢?这是因为固体火箭的比冲太低了。推力大倒是不假,但是很快就全烧光了。这东西不像液体火箭发动机,能烧好长时间。美国人为了发挥不同火箭的优势,安排了固体+氢氧机的组合。固体的推力大,比冲却很低,氢氧机的比冲非常高,很省油,但是推力想做大有难度。组合起来就不错哦。

阿利亚纳5型火箭

欧洲人的阿利亚纳火箭一开始也是脱胎于导弹,因此第一级也是采用了毒燃料,后来到阿利亚纳5型,换成了固体助推器+芯级氢氧机的配置。日本的火箭技术和美国的渊源比较深,好多都是来自于美国的技术转移。因此也走上了和美国类似的道路。他们的H2火箭就是固体助推器+氢氧芯级的设计。可见这是一个比较经典的搭配。为什么固体火箭总是浓烟滚滚有关不同的火箭发动机的尾焰有什么区别,不妨看我以前的文章,大家就明白了。
平说新鲜事 | 中国智造,嫦娥五号的尾焰喷火色大有学问!美国的火箭又是啥色?
至此,美国和俄国人在火箭发动机领域走上了不同的路线。俄国人还是聚焦在液氧煤油领域,本来格鲁什科死活不肯研发液氧煤油发动机,在科罗廖夫在世的时候,没少给科罗廖夫找麻烦,但是后来他180度大转弯,开始全力研发液氧煤油发动机,现在全世界水平最高的液氧煤油发动机还是他们的产品,美国人都买来直接用在自己的火箭上,能得到对手的认可是最大的荣誉了。

RD-180液氧煤油发动机用在了美国的宇宙神火箭上

美国人则走了大推力固体火箭+氢氧机的路子,技术选择上的分道扬镳就是从航天飞机开始的。美国人也在液氧煤油发动机上下过苦功。但是后来他们遇到了一个拦路虎,那就是发动机结焦问题。要想获得大推力,高比冲,必须提高燃烧室的压力。但是煤油这个东西是个生物制品,里边的成分非常复杂,含碳量很高。压力高了,在燃烧室里容易积碳,万一某个细小的喷头堵了,那可麻烦大了。美国人这一关死活过不去,他们实在没办法了,干脆绕开这个麻烦,转头去研发氢氧机了。氢氧机燃烧产物太干净了,就是水嘛,哪有这些烦恼哦。
到后来,美国人才知道问题出在哪儿,美国产的火箭专用煤油的含硫量高了点,容易结焦。偏巧苏联人运气好,秋明油田产的石油提炼出来的火箭专用煤油含硫量低,所以苏联人走这个路子就走通了,美国人气的差点吐血……,技术途径的选择,往往是有点偶然性因素在里头。没关系,条条大路通罗马,氢氧机不是走通了嘛。

SSME(RS-25)发动机

当然,美国人还有一个考虑,那就是发动机的寿命问题。航天飞机是要重复使用的,发动机也要用好多次,氢氧机烧完了干干净净的。液氧煤油烧完了,发动机都黑了。一次性使用无所谓,多次使用的话,回来还要拆开清洗,太麻烦了。不行,航天飞机坚决不能用液氧煤油作为燃料,只能采用氢氧作为燃料。

外储箱顶端是装液氧的,下面是装液氢的,容积相差悬殊

那么下一个麻烦就来了。液氢的密度低的不像话,只有水的1/14,也就是说燃料罐的体积小不了。航天飞机的机身是货舱,根本没地方安排燃料罐。发动机要装在飞机上,以便带回来继续用,那么燃料罐只能用外挂的形式。航天飞机的肚子底下挂着一个巨大的燃料罐,两边是铅笔一样的固体助推器,至此,航天飞机的基本布局已经初见端倪了。

航天飞机外储箱(橙罐)

肚子上那个燃料罐交给马丁·玛丽埃塔公司制造,固体火箭助推器交给齐克尔公司来制造。主发动机还是老牌的洛克达因公司负责研发。NASA从来都是这样的,制造交给了各个承包商,NASA自己只做研究和设计。洛克达因公司可是拿出了全套本领来研发航天飞机的主发动机,内部代号叫RS-25,这是一台最强大的氢氧发动机,采用的也是分级燃烧技术。
也就是说,少量的液氢被送进管道,先到喷管和燃烧室周围的管子走了一圈,一方面帮助管子散热,另一方面自己也被预热了。燃烧室的温度高达3000度,足以让钢铁被烧化,甚至被烧开锅,不加冷却的话,什么材料都受不了。

RS-25发动机分级燃烧原理图

然后,经过预热的氢气和少量氧气混合起来,送进预燃室燃烧,因为比例不合适,所以温度并不太高,燃烧的废气吹动一个三级的涡轮泵,用来把主管道里的氢送进燃烧室。预燃室烧完的废气也还含有大量的氢,也不能浪费,一并送进燃烧室里烧掉。这样的涡轮泵一共有两套,一套来输送氢,一套输送氧,当然是氢泵的难度更大,因为这个东西的密度太低了,要想加到足够的压力,简直是难上加难,用了三级涡轮泵连续加压才达到了目的,氧就没这么麻烦了。
RS-25发动机的核心就是这套涡轮泵。别看只有几百公斤的重量,开足马力,这家伙能25秒钟就把家用游泳池的水抽干,而且送到6000米的高度。发动机的结构很复杂,推力也非常大,能够达到200吨的级别。航天飞机的屁股上装了3台主发动机,排列成品字形。推力足有600吨。加上助推器的2500吨推力,总推力也达到了恐怖的3000吨级。
美国人的预燃室采用的是氢多氧少的模式。如果倒过来,氧多氢少,原理上也不是不行。但是高温下的氧气太活泼了,简直是切割机啊,金属都受不了,航天飞机的发动机要重复使用,当然不能这么干。俄国人喜欢这么干,他们的分级燃烧发动机通常都采用氧多煤油少的配比,为的就是防止煤油燃烧不充分产生结焦,反正大家各有各的招数吧。
从原理上讲,其实也复杂不到哪里去,但是真干上,洛克达因公司碰上的技术难题很多。比如各种稀奇古怪的振动,比如漏气。按照原来的计划,1978年,航天飞机就要发射,可是这是完全不可能的。偏偏NASA又被砍了3亿美元的预算。横竖是不可能完成这样的任务。但是大家心照不宣,谁都不说。说白了NASA已经太庞大了,变得充满了官僚气息。领导们假定一切都会顺利运行,工程师们也没辙。慢慢的,很多工程师开始离开NASA。

航天飞机自己只能爬到低轨,要发射高轨卫星,还需要靠上面级火箭再送一程

项目就这么一点一点的推进,发动机在测试的时候炸了,而且还连炸了好几次。一直到1979年的年底,才终于完成了一次联合测试。因为有军方的介入,NASA才获得了资金上的支持,军方说了,只有这东西能发射大型侦查卫星嘛,其他的都不行哦。而且航天飞机还有把卫星抓回来修理的能力,别人都做不到。
反正,因为军方等等势力的插手,NASA这个组织慢慢的偏离了艾森豪威尔设立这个机构的初衷。艾森豪威尔别看是五星上将出身,人家在卸任的时候还在呼吁警惕军工复合集团对国家政策的干预。但是日后的NASA还是摆脱不了这个命运。NASA和那些承包商之间的关系越来越紧密,大家关系紧密了,监督就不好展开了嘛。各种偷工减料,各种猫腻也就跟着来了,其实这个问题一直延续到现在。

安装主发动机

最后嘛,航天飞机的主发动机RS-25总算是解决了大部分的技术问题,性能没的说。但是这东西贵的要死,在80年代初要5000万美元一个。按照要求,可以重复使用55次,但是实际上远远做不到,发射几次就要大修,根本就伺候不起这个家伙。
发动机的问题算是解决了,下一个问题就是如何解决再入大气层产生的高热量的问题了。过去的阿波罗飞船采用的是烧蚀材料,也就是利用烧蚀材料的蒸发来带走大量的热量。但是航天飞机不能采用这样的办法,每次回来都要刷涂料,太麻烦了。按照NASA的计划,一年要发射几十上百次,几天就要上去一趟,有功夫天天刷涂料玩儿?不可能的。

所以,工程师们不得不开始研发陶瓷隔热瓦。这种隔热材料达到啥程度?一块砖头,中间烧红了,8个角12条楞线已经冷却下来了,你用手捏着角,不会被烫到。这1厘米的距离,热量就是传不过来。也就是说,即便是这块砖的一面被烧红,另一面还凉快着呢。
航天飞机重返大气层的过程其实不是像普通飞机一样平飞回来的,而是竖起来肚子迎着空气拍回来的,只有这个姿势才能最大限度的减速。肚子上的温度就比后背要高多了。肚子上用的是黑色的高温防热瓦,背后用的是白色的低温防热瓦,千万不能贴错。最热的是鼻子尖和机翼前缘。这地方陶瓷隔热瓦都承受不住,必须用碳素碳纤维复合材料才行,这东西又是贵的要死。

每一架航天飞机周身上下需要3.1万片陶瓷隔热瓦,全都是用胶粘在机身上。贴起来非常的麻烦,消耗了大量的时间,在粘贴过程之中,总是有已经粘好的陶瓷瓦掉下来。没办法,只能打补丁,继续粘。结果,这个过程就像是无休无尽的任务,弄得人心烦意乱。后来,航天飞机出事儿就出在了隔热瓦上,最后导致了航天飞机的全部退役。这是后话了,暂且不表。
航天飞机从太空里下来,开始是肚子朝前的姿势,但是随着速度的降低,就要进入正常的飞行姿势了,航天飞机必须能滑翔,这个能力需要用一架波音747驮着航天飞机到空中进行试验。NASA改装了一架巨大的波音747客机,在背上装了支架,确保能背着航天飞机飞起来。尾翼也做了改装,增加了两个垂直安定面。

空中投放实验

这一架原型机是不可能上太空的,只是用来测试,比如结构强度够不够啊。比如能不能在空气中顺利滑翔啊,操控性能如何,诸如此类的问题有一大堆。波音747背着这个大家伙在高空玩儿俯冲。那么大的一架客机,在松开锁定支架的一瞬间。头一低往下俯冲。背上的航天飞机自己飘起来,离开了波音747开始顺利的滑翔。还不错,挺顺利的,尽管航天飞机的滑翔特性并不好,总还是可以操纵的。
本来呢,NASA想给这架航天飞机起名字叫做“宪法号”,这是美国海军第一艘军舰的名字。当时还是帆船时代,如今的宪法号成了一个博物馆,纪念美国海军的草创时期。但是,NASA接到了白宫的指令,逼着NASA给这架航天飞机改名字,这是怎么回事儿呢?我们下次再说。

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