潮科技 | 露天制造,钢板拼接,坑坑洼洼,这就是马斯克吹了三年的“终极火箭”BFR?

石亚琼 · 15天前
这大概算是一种纯工程师行为,没有需求驱动,没有资本支持,主靠情怀,因此也只能这么艰难地搞下去了……

编者按: 本文是36氪“边界计划”的转载内容,来自航天爱好者(ID:hangtianfans),作者跆拳道大灰狼,36氪经授权转载。

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SpaceX的BFR是一款非常奇怪的火箭(Big Falcon Rocket,大猎鹰火箭),它隔三岔五就能跟着伊隆·马斯克(Elon Musk)登上科技媒体的首页,也被无数网友当成饭后谈资。但航天业界内却基本都对这款火箭只字不提,甚至是懒得评论。究其原因主要是这是一款之前只存在于PPT上的重型火箭,除了发动机断续试车之外,没有任何实物能证明这个设计指标奇高的运载火箭正在真正的进行研发和制造。不过从前天开始,这个状况有了一些改变。

其实这个故事要从这个月初说起,2018年12月8日,SpaceX的创始人马斯克在推特(Twitter)上回复YouTube上一位航天视频专栏作者(Everyday Astronaut)提问时,称要推翻已有的BFR设计,将正在研发的BFR储箱材料将由原设计中的碳纤维复合材料更换成金属(Metal),同时还声称四周内就会有BFR火箭的二级——StarShip(可以译为“星舰”)的亚轨道跳跃(悬停)测试机(Suborbital Hop Demo)实物照片公开。

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这本来是一个很重要的节点,证明BFR这个从2016年起画了又画,改了又改的火星大饼终于从PPT走向实物。但是鉴于SpaceX一向“谜之乐观”的进度时间表,很多网友也没把这个节点当真,直到一位来自美国德州(Texas)的推特用户曝光了一系列在SpaceX德州测试场的照片后。

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SpaceX位于Boca Chica Village的这座场地目前已经放弃成为自建发射场,而是作为BFR的测试场地。所以这些图片曝光后,网络上众说纷纭,有些机智的网友直接将已经拍摄到的部件组合了一下,得出了一个惊人的发现:

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然后又和已经公布的BFR设计图进行了简单对比,结果如下图(两图均来自Reddit):

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即使如此,包括作者我在内很多人还是不敢相信这就是StarShip的测试机,因为谁也不会相信人们印象中号称“大国重器”的重型运载火箭竟会在这荒郊野滩露天制造,而且还采用的是坑坑洼洼的钢板拼接而成,和我们印象中的运载火箭组装大相径庭。

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人们通常印象中的火箭组装,摄于SpaceX位于加州霍索恩的总部车间(来源 | SpaceX)

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那么谁能告诉我这是什么鬼东西。。。(来源 | 马斯克推特)

最终,马斯克本人实锤回复——这就是BFR火箭二级StarShip的跳跃(悬停)测试机:

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虽然我至今不敢相信正在露天制造的这个“玩意”竟然真的就是StarShip的悬停测试机,但事实他真的就是。不仅如此,马斯克在推特公布了不少其它细节,例如该悬停测试机与实际BFR同样采用9米直径,采用市售采购的300系列不锈钢板制成(具体牌号未曝光),但悬停测试机长度会比正式版StarShip的55米长度短一些,这种材料的成本之低,采购之容易令人大跌眼镜。

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这个施工条件简陋的就像是生产大尺寸水罐的扶贫工厂,不过回头看看当年猎鹰9的悬停测试机Grasshopper(下图),现在看起来是不是像个带支架的液化气罐呢?

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猎鹰9的VTVL回收成功并非偶然,悬停测试机Grasshopper(蚱蜢)和自爆的F9R为猎鹰9回收方案的成型奠定了坚实的技术基础。蚱蜢仅仅安装了一台梅林1D发动机,而且最关键是上面没有格栅舵,完全依靠发动机强大的矢量和推力调节能力来维持平衡,图中火箭上有个人,各位可以对比一下大小。

SpaceX的VTVL试验过程集锦,包含蚱蜢的所有悬停跳跃试验,看过后你就会发现猎鹰9的成功绝非运气和偶然。

根据内线消息,其实本网早就知道StarShip的储箱材料从碳纤维复合材料更换为不锈钢,但万万没想到悬停测试机储箱外壁采用的就是市场上随便就能买到的300系列标准不锈钢钢板,再加上低温处理(Cryoformed),一块钢板的火星之旅即将开始。

其实不锈钢储箱并非什么“伟大创新”,为ULA缔造不败神话的半人马上面级就是使用的不锈钢储箱。虽然采用了301不锈钢这种铁合金(密度7.93 g·cm-3,是通常铝合金的三倍还多),但依旧维持高干质比和推进效率,而且自成熟后维持了非常高的可靠性,称之为最优秀的低温上面级也不为过。但StarShip的不锈钢结构与半人马上面级不同,半人马上面级属于气球储箱,制造完成后需要时刻保持内压,否则会结构破坏(曾有过这类事故),但马斯克声称StarShip的不锈钢储箱在无内压条件下仍旧可以保持外形,这和能在火星表面长期存放的恶劣需求相符合。

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这么看起来和老马这玩意是不是差不多?

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AC-13~15半人马液氢贮箱的不锈钢壁厚度和硬度,顶部最薄处0.25毫米

为了追求极致的轻量化设计,BFR从2016年曝光伊始宣称将采用大直径碳纤维复合材料共底储箱,该指标直至2018年秋发布会都未发生过改变,SpaceX还试制了10米级的大直径储箱试验件,并进行了破坏性耐压试验。再加上RocketLab公司同样采用碳纤维储箱的电子运载火箭已经成功进行了三次发射,虽然两者体量和技术要求相差甚大,但仍为碳纤维储箱提供了一定信心,再加上碳纤维缠绕压力容器(COPV)已经广范运用在了运载火箭的增压结构上。所以对于BFR所采用的碳纤维材质,虽然业界偶有质疑之声,但并非主流,然而此次突然中途更换储箱材料,想必是研发中遇到了不可逾越的技术障碍。

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小小的“电子”(Electron)火箭虽然并不起眼,但却是第一款采用碳纤维复合材料储箱的低温液体火箭

马斯克并未表示如此大幅变更设计的原因,但分析起来无非以下几种可能:

  • 碳纤维和BFR所用的热盾材料不相容或贴敷工艺无法解决;

  • 大直径碳纤维储箱在复用回收后的可修复性和可检修性上存在缺陷;

  • 大直径碳纤维储箱的成型和加工工艺不够成熟;

  • 碳纤维结构强度不足,或提高强度会导致超重,反而不如其它材料;

  • 大直径、高强度的碳纤维储箱成本过高,不过这应该是辅因,而非主因。

有读者可能觉得我是给碳纤维储箱乱扣帽子,事实并不是,碳纤维本身高强度、低密度的优异特性吸引了汽车、航空、航天等行业竞相使用,但是在航天领域他也曾经打击了不少型号的研发过程。历史上比较出名的就是NASA的X-33,它是无人驾驶单级入轨可重复使用航天运载飞行器“冒险星”的缩比的原型机。根据齐式公式的基本原则,由于X-33的后继机“冒险星”最终面向的是单级入轨(Single Stage to Orbit),因此X-33采用了碳纤维复合材料储箱以追求极致干质比,又采用了液氢液氧推进剂组合追求极致比冲。但问题就出在这个追求双极致的过程中,1999年一次复材液氢储箱泄露事故导致项目进度停滞,问题迟迟得不到解决,最终洛克希德·马丁的臭鼬工厂决定放弃复材储箱,回退到传统金属储箱,但仍然没有逃脱项目被砍的悲惨命运,X-33于2001年彻底夭折。后来洛·马虽然不甘失败继续研究并证明了复材储箱的可行性,但仍未能让项目起死回生。

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X-33的艺术想象图,最明显的是尾部的气动塞式发动机

说起X系列试验飞行器,就不得不提StarShip有可能将采用的新型防热瓦材料,众所周知SpaceX现有的PICA-X防热材料来自于NASA的Ames研究中心,PICA意为酚醛浸渍碳烧蚀体,本质上是一种轻质烧蚀材料,每次再入后会产生一定减薄,可复用性不是特别特别理想。所以SpaceX与Ames研究中心再续前缘,有意在BFR上采用新型TUFROC防热材料,该材料曾用于美国空军试验航天器X-37B的翼面前缘。

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SpaceX与Ames研究中心协议首页,协议明确注明是用于BFR的热防护系统

TUFROC是增韧型单片纤维增强抗氧化复合材料的简称,NASA Ames开发的这种材料能够在1650摄氏度高温下保持结构稳定,密度低至0.35g/cm3,且隔热防热一体化。它结合了碳帽,硅胶基和固化玻璃涂层,以防止氧化。 近年来,波音公通过X-37B在轨道速度再入后成功证明了TUFROC的重复使用性能,证实了这种材料能够在经历极少甚至没有烧蚀的情况下幸存下来。

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TUFROC就工作在X-37B再入热环境最恶劣的部分

TUFROC高温状态

SpaceX有意采用TUFROC其实还可能另一方面原因,有报道提及低温处理(Cryoformed)的不锈钢在硬度上接近钛合金,高温性能优于铝合金,且TUFROC-X可直接贴敷在不锈钢材料,工艺上相较碳纤维结构有所简化。另外马斯克还提及钢的强度重量比(strength/weight)比低温状态的碳纤维稍好,比室温下碳纤维差,而高温则好很多。最后不锈钢的耐高温性(常见的304不锈钢工作温度最高可到800摄氏度),热导率高(常温下16w/m·K),换用不锈钢后可以一定程度上减少防热瓦的覆盖面积,再加上TUFROC相对于PICA-X烧蚀减薄更少,防热瓦重量会有可能会得到可观的下降。不仅如此,马斯克还表示可能不会对箭体外表面进行涂装,而是进行镜面抛光,以达到最大的反射率。

继续说不锈钢,半人马上面级采用301薄壁不锈钢共底气球储箱,加注液氢、液氧,其中氢的贮存温度低至零下253度,同时半人马具备在轨长时间滑行和多次点火能力,滑行中储箱壁外是无遮无挡的剧烈阳光,储箱壁内则是距离绝对零度仅有23度的低温液氢,称之为冰火两重天毫不为过,可这种结构仍然工作如常。可见其结构值得信赖,另一方面,便宜的诱惑实在是太大了。但是不锈钢绝对不是完美的,否则肯定早就用了,不锈钢的高密度需要大量额外的减重设计,也可能导致运力不可避免的继续缩水。但目前来看,可能是SpaceX最合适的选择了。

无论结果如何,设计变更已成定局,可见BFR实际设计之艰难,未来设计再出现何种变化和反复其实都毫不意外。之前有人曾猜想BFR要换用钛合金,尤其是马斯克曾宣称其格栅舵是目前世界最大的一体钛合金铸件,但全钛火箭从成本上就不符合老马一贯的节约风格,其他材料也难逃“好是好,就是太贵”的尴尬境地。

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回收前后的钛合金格栅舵,称之为毫发无伤应该并不为过

如无意外,悬停测试机测试方案会与猎鹰9时代如出一辙,首先是点火,维持推重比平衡进行一系列测试,然后悬停在距地面数米高,悬停过程会测试猛禽发动机的实际振动特性,燃烧稳定性,变推力,发动机摆动机构、火箭GNC系统和控制算法等等项目。然后逐步调整跳跃高度,逐步提高悬停高度和上升下降速率,还会测试平移。当然如果出现类似F9R姿态失稳出现倒栽葱的情况,最终也会是一个明亮的火球。

Starship和Super heavy(BFR一级)的真正轨道发射用版本将在加州San Pedro(圣佩罗)港区的新厂房中重新制造,再经由海运送往发射或测试场地。说回这个悬停测试机,根据SpaceX向FAA(美国联邦航空管理局)递交的测试方案,StarShip悬停测试机的测试高度不超过5公里,时长不超过360秒,马斯克还透露悬停测试机将安装有3台猛禽发动机,按照目前单台200吨级推力计算,悬停测试机起飞推力高达600吨。

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3台猛禽安装方式应该类似于2017版中央的3台海平面版猛禽,这三台是双摆,负责反推减速及最终着陆

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说到猛禽,马斯克还提到SpaceX已经研发了一种牌号为SX500的高温合金,可以在82.7Mpa(12000psi)的高压力和富氧燃气的冲刷下正常工作,而且马斯克称该牌号合金已经投入量产,可以批量后续迭代试验。

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此外还称猛禽(Raptor)发动机的设计也有大幅变化,推力可能会有所上升,并有望于下个月进行首次点火试车。重新设计的猛禽细节并未提及,但马斯克称维持了已有的全流量分级燃烧循环(Full-flow Staged Combustion Cycle)设计,实现了原有规划中的主燃烧室气-气燃烧,同时还将室压(Chamber pressure)推高到前所未有的30Mpa。有望成为第一款投入实用化的全流量分级燃烧循环发动机,一扫以往发动机水平低下的形象,以往燃气发生器循环的梅林系列发动机一直被国内媒体和网友所嘲笑和诟病。而高室压,全新循环方式,全新推进剂组合,高比冲,深度节流的猛禽如果最终成功,SpaceX将有望推翻这个“拼凑廉价发动机”的形象。相当年若非马斯克将汤姆·穆勒(Tom Mueller)从如今在大推力液发领域已经几无存在感的TRW公司挖出,搞不好穆勒余生只能在自家后院的车库里尝试自己的火箭动力之梦了。

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猛禽具有一个富氧一个富燃两个预燃室,两个预燃室燃烧生成的燃气在主燃烧室汇聚,进行稳定的气-气燃烧(gas-gas),其中富氧预燃室需要耐高温高压的特殊材料

但是我们也要看到,30Mpa是一个相当高的室压,要知道SpaceX自家的梅林发动机还不到10Mpa,蓝色起源同样采用液氧甲烷推进剂组合的BE-4的才13.44Mpa,洛克达因(Rocketdyne)的最高杰作——航天飞机主发动机SSME才20.64Mpa,逆天的RD-180不过26.7Mpa,即使是全流量分级燃烧的前辈RD-270也不过26.1Mpa。高室压是一把双刃剑,负面效应上不仅会导致发动机结构增重,万一出现爆机事故,类似猎鹰9火箭OctaWeb结构的凯夫拉防弹隔板很可能难以约束高压所喷射出来的飞射物,从而导致连锁反应。

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梅林室压低,推力低,循环方式简单,确实不如100,但是推重比一骑绝尘

从猛禽2016年9月第一次点火至今已经过去了3年,距离2011年作为猎鹰9上面级发动机进行小范围研发开始已经7年,至今仍难说彻底搞定,过程之坎坷,难度之高可见一斑。

后记

悬停试验机的新闻甫一推出,网上的评论何其欢乐,什么“土法造箭”、“旱地拔葱”、“易拉罐火箭”、“大棚产车特斯拉,露天造箭爆破X”。这些戏谑和调侃的言论大多抱着玩笑的心态和一丝希冀,希望他真的能成为人类第一款完全可重复使用的低成本运载火箭的希望,也是迈向星辰大海的又一步。

希望这个亮闪闪带着支腿的大罐子能跳好他笨拙的第一步——需今朝踉跄百步,方来日一跃千里。

  • 当然在很多自带设定的网站,例行也不会缺少那些熟悉的评论:

  • 说马斯克是再造噱头,借火星圈钱揽财者有之。

  • 说SpaceX又借着NASA过时技术包装贩卖者有之。

  • 说BFR方案扯淡,难度太高,最终还不如一次性火箭肯定胎死腹中者有之。

  • 说这火箭未来必炸,壮观火球象征某国衰落者有之。

总之,这个带着支腿的不锈钢罐子,哪怕其何其简陋,也毕竟是人类首个火星着陆验证机。究竟是会像某些资本加持的创新一样喧嚣过后一地鸡毛最终沦为笑谈,还是破茧成蝶终能一飞冲天翱翔寰宇,还请各位看官耐心等待。

毕竟,耐心是一种美德。

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