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航天史:屡败屡战

 科学声音 2021-04-08

上一次我们讲到,马斯克认识了一帮子航天界的牛人。更重要的是这些人都供职于大公司,有丰富的业内经验,但是他们又深深的感到大公司的问题太多,官僚主义严重,很多大胆的想法是没有机会的。相反,马斯克这个SpaceX没有这些麻烦事,倒是可以一门心思尽情的发挥自己的聪明才智。所以,这帮人就聚集到了马斯克的旗下,最重要的一个家伙就是原来在TRW公司工作的穆勒。

穆勒自己在家也鼓捣火箭发动机,当然这是一个非常简陋的私人工作室产物。现在有了马斯克这个老板,穆勒有钱了,终于有机会设计一款全新的火箭发动机了。
一开始,马斯克瞄准了小火箭市场。当时世界上对于这种500公斤运载能力的小火箭是非常看好的,需求量很大。对于这样大小的火箭,发动机的推力大概也就只需要30多吨。所以,从那个时候起,很多老牌传统防务承包商看着这个马斯克不顺眼。这家伙连一颗卫星都没有打上天,现在居然就开始吵吵嚷嚷的要搞火箭回收,这帮人就拿马斯克当骗子。到现在还有人拿马斯克当骗子呢。

梅林-1A发动机

穆勒设计的梅林1A发动机一切指标都不出彩,怎么看都像是业余产品。这是一个中规中矩的燃气发生器循环的发动机。我们以前讲过,火箭发动机非常重要的一个零部件就是涡轮泵。毕竟这个泵短时间内就要把大量的燃料送进燃烧室。穆勒设计了一个小的预燃室,先烧一把,靠烧出来的燃气来驱动涡轮泵, 这就是所谓的燃气发生器。
因为这个小的燃气发生器不需要太高的指标。因此采用了富含燃料的方法,液氧很少,这样燃烧是不可能完全的,温度也就不高,所以,这个发动机有一大一小两个喷管,小喷管总是黑烟滚滚,驱动涡轮泵的废气从这儿排出去,不产生有效的推力。这个做法和土星5号的主发动机F1是一致的,F1也是利用燃气发生器来驱动的,也比较费油。

梅林-1D发动机试车,小喷口黑烟滚滚,积碳严重

当时美国的那些大公司已经不怎么研究液氧煤油发动机。俄国人把液氧煤油发动机玩儿到独步天下的地步,采用的是高压补燃发动机,效率比燃气发生器好多了,我国的YF100型发动机也是高压补燃发动机。所以呢,当时大家都看不起这个简陋的梅林发动机。不过梅林发动机也有一个非常出彩的地方,那就是这个发动机的针栓式喷注器。
这个技术来自美国的喷气推进实验室,主要是用在了阿波罗登月舱的下降段反推发动机上,因为这种针栓式喷注器节流能力非常强,也就是缩小油门也不容易熄火。别的喷注器都没这个本事,登月舱特别需要这种能精确调节推力的技术。

别忘了,后来这个技术已交给了TRW公司,穆勒正好是TRW公司出来的,人家对这个东西非常的熟悉。液氧和煤油是要充分混合的,燃烧室有无数的喷注器,其实就是一个个的小喷嘴。每个喷嘴分内外两圈,内侧的管子顶头有个蘑菇状的大头针堵着。燃料液体从这里喷出来是横着走的,就像一把伞的样子。外圈的管子直接喷出来,形成一个液体的管子。这下好了。内圈喷出的液体横着走,外圈液体直走不拐弯。于是两股液体就撞在一起,充分的混合。我倒是希望洗澡用的喷头采用这个结构,冷热水可以充分的混合,可惜太复杂了,没人这么干。
当然,梅林发动机的技术渊源不止一个。马歇尔太空中心在阿拉巴马州的亨茨维尔,这个机构是冯·布劳恩参与创建的。他们曾经花了一笔钱,大概是几亿美元吧,让新入行的年轻工程师们去练练手,设计一个教学用的实习发动机。这个发动机对指标没有要求,能转起来就够了。主要是新手上路,初学乍练。这个练手用的发动机显然是因陋就简只要求在地面上完成测试,根本就不要上天。所以是怎么凑活怎么来。

估计是有一部分马歇尔太空中心的员工跳槽到了SpaceX,就把尽量简化设计这个习惯带到了马斯克这里。主要还是因为美国设计了大量的火箭发动机,各家公司手里都有点绝活,人才储备相当的雄厚。所以马斯克才能“捡漏”,淘到这么多优秀的人才。
穆勒领着手下的人没日没夜的干了15个月, 在此期间,航天界出了两件大事。首先是2003年的2月1日,哥伦比亚号航天飞机出事儿了。
按理说哥伦比亚号航天飞机应该在这一天的早上完成任务,从太空返回地面。有一群爱好者在等着哥伦比亚号回来,宇航员的亲属也都在地面等候。有人已经观察到了哥伦比亚号,因为航天飞机返回地面的速度非常快和空气摩擦会产生高温,所以航天飞机的外表面应该是非常热的。夜空里有一个移动的大白亮点非常的显眼。 

但是有人眼尖,他们发现哥伦比亚号分解成了无数个小光点。划破了得克萨斯州的天空。休斯顿的控制中心再也没有能够收到哥伦比亚号的任何信号,这个时候哥伦比亚号已经解体了,7名宇航员已经全部死亡。
在地面等候的家人们再也没有能够等到这些宇航员回来。美国因为航天飞机事故葬送了14位宇航员的生命,1986年挑战者号爆炸,死了7个人,这一次哥伦比亚号在6万米的高空解体,又死了7个人。

隔热瓦

事后调查是航天飞机的隔热瓦脱落,砸坏了机翼的关键部位。其实,每一次航天飞机发射总会有一些隔热瓦因为强烈的震动而脱落,其实少个10块8块的也不要紧,即便是掉下来的隔热瓦砸坏了某些不重要部位也还能凑合对付。
常在河边走,哪有不湿鞋,这次哥伦比亚号倒霉,起飞第82秒,有一个公文包大小的隔热瓦脱落了,砸中的部位刚好是机翼的前缘。返回大气层的时候,这个部位的温度相当高,高温的热空气就像切割机一样。就从那个破损的空隙,直接把机翼给切了下来了。航天飞机开始在六万米的高空发生翻滚,然后就解体了。

和上次挑战者号事故一样,这一次航天飞机又是停飞了两年,国际空间站的建设任务完全停止,人员的运送全部依靠俄罗斯的联盟号飞船。即便是后来恢复了飞行,美国人仍然是小心翼翼的。航天飞机停靠的目的地只能是国际空间站,如果发现飞机上出现了破口。起码宇航员可以在国际空间站多住些日子,这样地面上可以派另外的航天飞机上去把他们接回来,或者他们坐着联盟号飞船落地。
如果是航天飞机独自飞行,不停靠国际空间站,那么在吃完了所有的食物以后,他们无论如何都是要落地的,这个时候,假如机身上又出现了某些关键部位的破口,那该如何是好?到底是下来还是不下来?这个险不能冒。

同样是在2003年,航天界的另外一件令人瞩目的大事就是我国用长征2F火箭把神舟5号载人飞船送入了太空,杨利伟成了第一个进入太空的中国航天员。10月15号9点整,神州5号发射升空。10分钟以后,船舰分离,杨利伟顺利地进入了环绕地球运行的轨道。在绕着地球飞行了14圈以后,神舟5号顺利地在内蒙古四子王旗着陆,飞船着陆点离开预定的靶心仅仅4.8公里。
和其他国家的第一次载人航天活动相比,我国这一次搞得是完全版。苏联和美国走的都不是全流程,加加林最后是用弹射座椅从太空船里面弹出来,自己落地的,不是和太空船一起落地。美国人第一次太空飞行是亚轨道,不是真正环绕地球。他们都不是完整版。我们是后来者, 一出手就是高水平。

梅林1A试车成功

就在中国人迎接杨利伟凯旋归来的时候,SpaceX终于搞出了第一台梅林发动机的原型机。终于可以搞地面试车了,结果穆勒遭遇了失败。没办法,回炉再造吧。后面就是没完没了的测试,改一点就要测试一次,又是一年过去了。穆勒足足折腾了15个月,终于试车成功了。这都已经是2005年了。
发动机是有了,猎鹰1号火箭的箭体也要开始设计建造了。火箭本身也没有太多的特点,整体是铝合金制造的。液氧和煤油的燃料罐只是简单的分隔了一下。
马斯克当初一直在叫嚣火箭回收,但是当时根本没能实现。不过呢,猎鹰1号还是配备了降落伞。最开始的几次根本没用上,道理很简单,最开始的几次都失败了。

夸贾林环礁

美国当时一杆子就把马斯克给支到了马绍尔群岛的夸贾林环礁。那地方宽敞,您随便炸吧。所以,猎鹰火箭最早的几次发射就是在夸贾林环礁的美国空军基地进行的。
大公司的火箭都是采用垂直组装的方式,也就是说厂房必须是竖着的,分成好多层,火箭竖着组装,然后小心翼翼的从厂房挪出来,竖着转运到发射架上,全过程一直是竖着的。我国也采用的是这种垂直转运的方式,这就意味着厂房离开发射架不能太远。苏联采取的就是另外的办法,火箭是横着运输的,这样方便嘛。到了发射场再竖起来。

猎鹰火箭竖立起来

苏联人的办法更便宜,但是,火箭从横着变成竖着,状态是有变化的。总体来讲,风险稍微大了点。马斯克没钱啊,难道在夸贾林环礁建造一个垂直组装厂房?不可能的。马斯克肯定是在美国本土装配好,然后运过去,竖起来就打。
按照计划是2005年9月26号发射猎鹰1号,但是在9月12号发现一个人真空阀出问题了,所以火箭不能发射,要拆下来重新修一下,那发射时间只能推迟。这一推就推到了第二年的1月10号,结果到了2006年的1月份。由于发射前的检测不太合格,被空军基地拒绝,所以日期不得不又推迟了。
所以猎鹰1号的首发一再推迟,一直到2006年的3月25号才发射,火箭刚飞了40秒就炸了,马斯克这叫一个泄气啊,足足花了4年时间,就听了个响?
到了2007年的3月20号,还是在夸加林环礁的美国空军基地,猎鹰1号第2次发射。火箭起飞以后还是比较顺利的,1级火箭飞行了3分钟以后和2级火箭分离,分离的时候,一二级发生了碰撞,结果就导致2级火箭的箭体发生滚动,最终失控了,载荷没能进入预定的轨道。
不过呢,这一次说什么也比第一次要强多了。马斯克的一个特点,就是永不言败,吹过的牛总要实现的。2008年的8月2日还是在老地方夸贾林环礁。猎鹰1号火箭再次发射,这已经是第3次了。发射2分钟以后,火箭开始剧烈震动,最终与地面失去联系,火箭又丢了。
这次火箭搭载了NASA的3颗人造卫星,以及美国著名演员詹姆斯·杜汉和阿波罗7号宇航员戈登·库珀在内的208名希望把骨灰撒到太空的死者的骨灰。结果 由于火箭发生了异常震动,最后还是没能正确分离。所以NASA的卫星算是没了,但是我认为,运送骨灰的任务可以算是完成了。因为怎么撒不是撒呀?炸了也是撒嘛。

所以猎鹰1号的前3次发射都是失败的,这个时候他的资金基本上已经见底了,大家考虑一下这个时间节点,2008年正在闹金融危机呢,谁还敢借钱给他?大家手里都不宽裕。这时候公司的员工已经有350多人了,如果资金链断裂, 好不容易培养出来的队伍就散了。但是马斯克拍胸脯打包票,他一定能抽到足够的钱。再苦再难,他也没有退缩过。
马斯克哪还有钱呢?他孤注一掷把自己家的豪宅给卖掉了。他旗下的公司可不只是SpaceX一家,特斯拉公司也缺钱。当时这两家公司的运营费用就靠马斯克卖豪宅的那点钱支撑着。

90天以后还是在夸贾林环礁,猎鹰1号迎来了第4次发射,这一次猎鹰1号终于发射成功了。至此,马斯克的SpaceX公司成了世界上第一个 成功把载荷送入地球轨道的私营航天企业。10个月后,2009年的7月14号猎鹰1号成功地把马来西亚的一颗遥感卫星送进了预定轨道,完成了它的第一次商业发射,猎鹰1号已经可以开始赚钱了。
但是,就在此后不久,马斯克宣布猎鹰1号退役,不再接受任何发生合同,为什么一个赚钱的拳头产品,刚刚上市就迎来退役呢?马斯克心里到底盘算什么?我们下次再说。

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