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2018观点总结:SpaceX民营火箭都上天了做火箭难吗?

归档日期:04-19       文本归类:发射上      文章编辑:爱尚语录

  如上,我们经常会听到这样的说法。本年度公众号里零零星星描述和评论了这些观点,在2018的最后一天里,集中摘编作为本年度总结。

  芝诺提出了一个悖论:阿里基斯和乌龟赛跑,乌龟跑得慢,起点设在阿里基斯前面。开跑后,阿基里斯追到原来乌龟的地方,乌龟爬了一段;他再追到这个地方,乌龟又前进了一段。因此,阿基里斯永远追不上乌龟。

  经验上明显上述说法有问题。科学上,阿基里斯追乌龟,追上时,的确可分为无穷段(不考虑量子效应),但跑完无穷段所需的时间累加却是有限的,因此阿基里斯可以在有限时间内追上乌龟。

  把火箭所有零部件都拆下来,然后将所有零件长宽高尺寸均放大一倍,再组装,这时能做出一台更大的火箭吗?答案是不能。因为世界是三维的。

  以骨骼为例,骨骼承受强度和其截面积有关,人的身高增为原来2倍,则骨骼截面积增加到4倍,而人的体重增加到8倍,因此,大人国腿部骨骼受力将是我们的2倍,所以他们要么骨头比我们粗一点(对应结构加强),要么骨骼强度比我们大两倍(对应材料升级),要么比我们容易骨折(对应可靠性降低)。

  人是恒温动物,人向环境散发的热量是通过身体内脂肪燃烧补充的,而脂肪燃烧量和补充食物的重量成正比,假设大人国人的身高是我们的2倍,则胃同样放大后将为原来的8倍,但体表散热面积为我们的4倍。因此换算后,他们估计每天吃饭顿数可以比我们少(对应发动机喷管的再生冷却流量不需要等比例放大发动机那么大)。

  因此,火箭的大型化不是简单地将零件放大。高强度材料技术和工艺的研制是必不可少的。但还远远不够,还有振动问题。

  美国塔科马海峡大桥在1940年6月底建成后不久,就发现大桥在微风的吹拂下会出现晃动甚至扭曲变形的情况并最终产生了倒塌。

  当系统增大时,系统基频变低,产生耦合共振的可能性变大。发动机更容易出现燃烧不稳定、火箭更容易出现纵向耦合振动、火箭姿态控制更为困难。

  关于发动机振动,以下摘自百度百科:土星V火箭的F-1发动机在随后七年的测试中,其燃烧不稳定性逐渐暴露出来,并可能导致灾难性事故。攻克这个技术难题的工作最初进展十分缓慢,因为这种故障的发生是不可预知的。最终,工程师们想出了解决办法,他们将少量的爆轰炸药放在燃烧室中,并在发动机运转时引爆炸药,以此测试燃烧室在压力变化时将作何反应。设计师随后测试了几种不同的燃料喷射器,并得到了最佳匹配方案。这个问题从1959年一直拖到1961年才算告一段落。

  关于纵向耦合振动,箭体存在沿火箭方向的振动,振动挤压贮箱内推进剂到发动机,火焰一伸一缩产生推力脉动,适当条件下这个脉动与箭体振动耦合,产生不稳定现象。火箭越大,结构低频越密集,管路低频也越密集,出现耦合的可能性越大。以下摘自Lessons Learned in Enginerring:土星V火箭飞行中有两次著名的POGO振动现象。AS-501飞行表现完美,AS-502箭体前端存在900磅重量变化(仅占起飞重量6000000磅的万分之一),任务在一级飞行即将结束时,出现了显著的POGO振动;阿波罗13二级工作到120秒时,发生了巨大的POGO振动,由于发动机泵压力极度增大,机架处振动达到了34g,可能机架都变形了,最终中心发动机关机。

  关于姿态控制,姿态控制系统要控制火箭飞行,同时还要不能让箭体振动起来。对于小火箭,模态频率都10/20Hz以上,控制软件设计时直接用低通滤波器截断即可,根本无需操心。当火箭变大了,低频越来越密集,对模态的考虑就要更为精细和完备,问题也就更为复杂了。以下摘自:麦道公司的Delta 3火箭首飞时一分钟内火箭就出现了振荡性滚转并在72秒自毁。原因是Delta 3中考虑了56个滚转模态,但忽略了一个4Hz的滚转模态。根据以往经验,所有重要的滚转模态在起飞中都会出现,但这个模态在起飞时不重要,是飞行到40-50秒后才开始起重要作用的。

  制造涉及误差。制造两个部段,误差和尺度成正比,但要把部段对接上,对接螺栓才不认部段尺度有多大,只知道如果不是熟悉的公差,螺栓就罢工。要让螺栓能对接,必须将公差控制到原来的值,这就意味着要比小火箭时更为严格,对工装要求更高。

  火箭是一项追求极限的设计,贮箱、结构均为薄壁结构,它必须抵挡自身重力作用。厚度与尺度成正比,但重量与尺度平方成正比。火箭越大,重力下的变形也就越大,控制起来就更为困难。

  在制造上,如分段制造,要努力控制偏差,确保匹配,就可以对接。做试验就没那么容易了。将部段分成两段后,静力学上,分段处的载荷是什么?边界条件是什么?怎么模拟?动力学上,原来做的结果,最后怎么总成?

  静力学上,若试验能力有限,一根杆只能分为两段试验。杆仅承受压力时很容易,两段都采用这个压力加载,看看两端能否承受即可。如果杆又存在压力又存在弯矩时,问题复杂一点,但也还是可以分析的并试验的。

  超静定结构呢?如下图桁架,撤去一根杆,系统仍然能够承力,但系统受力改变了,原来载荷和变形协调关系有关。对于真实结构,这个协调关系是很难测量和计算的。试验时,也是只能做多组工况,覆盖各种偏差。

  动力学更为复杂。还是一根杆的模态试验(振动频率和振型),如果分为两段,分别得到了两段杆的前几阶模态,在合成时存在如下问题:

  模态有无穷阶,整段的前几阶重要模态,也许在分段中表现不出来。譬如两段连接处特别软,直接影响了全段行为,但分段试验时,采用自由模态试验无法采集到这个局部行为。边界怎么模拟才是真实的?需要进行大量自由模态试验,以及固定界面静力试验等一系列试验才能模拟。

  所以,不做大型试验,改为一系列的小型试验,的确从工装上是节省了,但界面暴露在外,界面条件严重依赖于结构特征,需要开展一系列试验来模拟、确定界面行为。除试验数量多了,试验难度不是更小,而是更大了。

  因此,尽管取得了一次次研制成功,也正是经历了一次次成功,我们更深谙成功依赖于太多细节的把控,对大火箭更充满敬畏。因为它的细节不是相当,而是更多了。就像我们总感叹,要是科罗廖夫没死,苏联的N-1没准真的能成,因为他具备这种把控能力。

  公元前133年汉武帝准备诱骗匈奴军臣单于至马邑,并派二十余万大军埋伏以一举全歼匈奴主力。诱骗和出兵计划都进行得很顺利。但匈奴大军行进的途中发现“有牲畜而无人放牧”的异常现象,引起了怀疑,最重导致马邑之谋前功尽弃。

  行百里者半九十!不仅是战争,只要是实业,一个细节失误,满盘皆输的案例比比皆是。运载火箭研制是最大的实业,发动机固然最难,但其余的也不容易。

  前文简单分析了大火箭的困难,里面举例的点不全是发动机,难的地方很多。电子号火箭完美地阐释了这点。

  在《 新型发动机循环---让商业航天变得更容易》,讲述了天才少年Lachlan Matchett及其卢瑟福发动机,电子号火箭的发动机很早就已经成功试车,并在飞行中表现出了极高的成熟性和可靠性,但电子号火箭的几次飞行却一波三折。

  2017年5月,电子号首飞时因地面遥测问题触发靶场安全系统而未能实现入轨。2018年11月11日电子号进行了第三次发射,这次发射原定于4月20日进行,但因火箭在射前加注合练时,发动机推进剂泵的电机控制器出现技术问题而推迟,6月23日的发射尝试,又因在倒计时过程中有下靶场地面跟踪天线日的尝试则因倒计时过程中再度出现电机控制器问题而泡汤。

  几次故障,分别与遥测问题、电机控制器、靶场跟踪天线有关,没有任何一个是与发动机自身,如泵、推力室等有关。

  本年度联盟号载人飞行失利,俄航天国家集团公布联盟号FG火箭发射故障原因:原因在于D助推器未能正常分离,头部撞击了芯一级燃料箱区域,致使贮箱丧失密封性,进而导致火箭失稳。助推器未正常分离的原因是,分离接触传感器顶杆形变(弯曲6°45′)致使D助推器氧箱侧推喷管盖未打开。传感器顶杆形变是火箭在拜科努尔发射场组装时产生的。仍和发动机无关。

  再如Ariane 5首飞失利,故障分析表明,Ariane 5继承了Ariane 4的惯性基准系统, 但它真实飞行时的水平加速度是Ariane 4的5倍,在64位浮点运算值和16位带符号整数之间转换时产生溢出,软件奔溃并指令发动机摆动过猛,火箭解体并爆炸。而在设计Ariane 4时,设计人员已小心地分析了数值,并确定不会超过16位带符号整数能表达范围,在设计Ariane 5时,大家都没有意识到这件事情。

  发动机虽然难,但一般也就难在地面上,与发动机可以试车相比,运载火箭有几个系统,存在如下特征:地面难以测试或无法测试,它们难在天上。这也产生了火箭研制中最重要的词:测试覆盖性。地面怎么覆盖天上?这是火箭人难以绕过的困境,是终身与之拼搏的拦路虎。为此发展出了很多方法,如发动机抽检试车、校验试车、各种振动试验、噪声试验、热环境试验、电磁兼容试验等等,当然还有它们各种各样的组合,总之是花样百出,层出不穷,没有条件创造条件也要试验,耗资巨大,效果大大的、但谈不上杠杠的。

  近些年,Falcon火箭逐渐展示出了一种革命性的方式:点火中验证。Falcon用三种方式做到了点火中验证。

  方式一:地面静态点火。与发动机单机批抽检试车的旁证,以及发动机单机的校验试车,地面静态点火考核系统更多,考核更为充分,而且耗资不算大,因为发射台是现成的,火箭是现成的,都不需要额外配套。地面静态点火需要什么条件呢?一是设计上,启动、关机不能是一次性的,否则就只能做批抽检试车;其次是推进剂需无毒、无污染、不结焦,否则后续无法处理;三是发动机故障检测系统必须足够强大,因为与发射台爆炸相比,也许还不如炸在天上。得益于Merlin发动机,它完全具备这三个条件。

  方式二:真实飞行中验证。静态点火时毕竟卡在试车台,姿控、制导系统考核不到,振动也无法传递到机架上方,还是不够完美。除非直接在飞行中验证,Falcon重型首飞就是个最大的飞行中验证试验。那么飞行中验证试验需要什么条件呢?以下方式都可以。一是飞行搭载试验,如验证新的惯性器件,可通过搭载取得遥测数据并改进,最终取代原惯性器件;第二种是作为扩展任务,即主任务完成后的再进行进一步试验,譬如Falcon9的反推返回,就是在主任务完成后开展,前几次均取得了失败,但这样的失败是可以承受的,以此换来宝贵的试验数据。试想,如果不是扩展任务而是正式任务,失败4次,换哪家公司早都干不下去了。有幸的是,Merlin发动机为此种方式提供了良好支撑。

  方法三:返回后验证。航天有一个特点,火箭和卫星上天后,已经无法对原产品状态进行回溯,在发现问题或潜在可靠性问题时,仅靠少量遥测数据根本无法对问题做全盘的分析,因此更依赖于在地面时,就把数据记录完善。因此从这个角度,Falcon9火箭的返回技术的重要性可能仍被低估,因为Falcon9返回的不仅仅是火箭一子级,更是宝贵的、以往无法全盘获取的数据!利用这些数据,一定可把火箭97%的可靠性提高1到2个百分点。

  古人在发动大战前,极其强调将领要考虑周全,做到算无遗策。同样,火箭研制时,除发动机外,尤其是首飞前,存在太多细节,也极其强调设计师队伍考虑周全,做到算无遗策。这就是总体设计部存在的意义之一吧。

  肯尼迪:“我们选择在这个十年飞向月球,并不是因为他们容易,而是因为他们很难!”

  1957年,前苏联第一颗卫星发射时,时任参议院多数派领袖的林登-约翰逊写道:这时不知何故,不知是什么新的方法使天空看上去简直不同了。我还记得当认识到别国也有可能在技术上超越我们伟大的国家而产生优势所产生的深刻震动。

  由于朝鲜战争的失败,由于在卫星和载人上的落后,在社会主义的阴影下,在冷战的背景下。约翰逊回答肯尼迪:炫目的太空成就越来越被人们认为是领导世界的主要标志。例如载人登月探险,它不仅是具有宣传价值的成就,而且本质上它还是一种目标---我们是否能第一个获得此成就。我们有可能成为第一。

  1962年肯尼迪说这句话时,正是冷战的高峰期,美苏冷战逐渐达到高潮。如何在军事科技上领先敌人成为了悬在两国领导人头顶的一把巨剑。

  世界上两件事情最难:一是把自己的思想装进别人的脑袋,二是把别人的钱装进自己的口袋。载人登月,则同时集中了这两件最难的事情。

  先看预算,1962 年 9 月肯尼迪在莱斯大学发表《我们选择登月》后,登月10年间,NASA占联邦预算飙升,一度上升到了4%以上,达200亿美元(换算为2014年币值为450亿美元),阿波罗飞行器和土星运载火箭总共花费了830亿美元(换算为2005年币值)。

  因此,首先肯定是钱的问题。政府给力,花的起钱。但那也只能花一时,而难以持续。如同样是重型运载火箭发动机,美国的F-1已经没有了,但前苏联的NK-33保留下来了,RD-170也保留下来了;同样是重型运载火箭,美国的土星V已经没有了,前苏联能源号火箭也没有了,但作为能源号助推器的天顶号火箭却保留下来了。因此,从经济性考虑,即使是大型火箭,也需要考虑拆分后设计复用性,F-1和土星V的大火箭时代已经一去不复返了。

  除了钱外,更重要的是人和,是把自己的思想装进别人的脑袋,这需要天时地利。

  以下摘自航天优选公众号:面对60年代末登月的目标,迟疑已经来不及了,整个美国的工业机器都为之转了起来,整个美国的创造力都为之迸发出来。波音、道格拉斯、IBM,这些世界级的企业都为之全力以赴。后来,美国航天科学家回忆,那是一个用半张便条就能办事的时代,只需说“我这事是为登月办的,就够了”。

  这也是为什么,从1961年决策,到线年小布什重返月球,然后奥巴马登陆火星,再到特朗普的月球以远,这15年来NASA预算加起来已超2000亿美元以上,但人类至今还在地球打转。

  原因太多了,决策登月时,NASA刚成立,充满了活力,比今天的SpaceX活力只多不少。美国军方搁置了F-1发动机研制,1958年NASA成立后,他们需要这样的发动机!洛克达因一些工程师们提到这段往事:“NASA的人找到了我们,说是很中意我们的发动机。我在想,天哪,美国空军抛弃了我们两次,这次又轮到新成立的NASA了吧。不过,他们的人看起来很真诚,而且仿佛不太关心地球上的事情,对洲际导弹的项目也不感兴趣。我们觉得他们应该是要把我们的发动机用在地球之外的事情上。这让我们感到很兴奋。”

  那时候,大家对技术是真的热爱,估计也没有那么多利益纠葛,所以北美航空公司在土星V火箭上创新无极限。北美洛克达因的伊泽尔回忆:我们度过了多少不眠之夜。咖啡是开动我们的燃料,我们聚集在一个大房间里,原来有办公室的家伙现在趴在地上帮助写建议书,早晨七点开始一直干到半夜。大家有的计算,有的在绘图板上画设计图,有的在方格纸上起草文件然后送交打字员打印。总得有一段时间写,一段时间校阅,互相批评对方的工作,然后重写。

  那时候,由于冷战,由于美苏争霸,什么事情说干就干了,没有那么多纠结。道格拉斯公司的道伦巴歇尔说:我们对付失败的方法是不接受它,我们会简单地说:我们总比机器灵光;我们最终会把它发射上去,使其运转。我们会将火箭重新竖到发射架上,如果需要在一周内花80小时,我们会这样做。伊泽尔说:我昨天刚炸毁一个试车台,结果第二天就收到了晋升的通知。

  因为,这是人类航天的黄金时代;因为,这是美苏争霸的时不我待的时代。所以,美国50年前就登月了,现在虽然技术进步了,但登月也不仅仅只是钱的问题,它需要我们、甚至全社会有共同目标,并充分认识到它的复杂性,矢志不移,方得始终。

  蒋勋:我想大家都有一个共识,就是整个中国文学史上,诗的高峰绝对在唐代……唐诗的形式已经完美到了极致,所以唐代是诗的盛世。唐代不仅在美术史上是一个花季,在文学史上也是一个花季……换一个角度来看,那个时代在语言和文字方面给诗人们提供的条件实在是太好了。

  同样的,运载火箭上,虽然电气手段日新月异,但火箭中最为基本的设计、动力、结构等手段,在土星V首飞的近50年来,尚未取得全面突破。土星V、航天飞机、RD-170,就是这些技术美到的极致。

  总体设计上,火箭至今还是采用的“冯.布劳恩构架”,无论是运载能力、载荷计算,如果不考虑研制单位越来越多,各单位各自留大小不等余量外,总体而言如今并没有与50年前有太多不同。

  在发动机上,发动机推进剂不过液氧/液氢、液氧/煤油等,循环方式也不过是燃气发生器、膨胀、补燃等,SSME和RD-170已代表了此领域的巅峰,现在再设计,也很难超出这个水平。

  在结构材料上,土星V采用LD10铝合金,现在的火箭采用的铝铜系2219、LD10,强度不会高于LD10,而铝锂系的2195/2198等,也是美国航天飞机时代的产品,应用了将近40年,即使如此,我们也尚未大规模应用。

  在基础没有突破之前,在当今的总体设计、推进剂组合、铝合金的组合下,土星V、航天飞机、RD-170,就是汉语下的唐诗。那可真是运载火箭研制的黄金时代,仿佛是一种历史的宿命,那么多经典火箭就像是彼此有约定一样同时诞生。

  蒋勋说,今天的“internet”可能还是新的语言,要将它变成文学,还需要一段时间……那些累积了很长时间,跟我们的身体、呼吸已经有了共识与默契的语言和文字才叫做文学……今天语言的混乱、琢磨、实验都是在为一个大时代的到来做准备。

  在总体设计上,设计手段越来越先进,可以通过强大的软件,改原先基于偏差的设计为基于打靶的设计,暴露和消除不必要的余量;

  “电子号”火箭新颖的电泵循环,虽然当前性能有效前途有限,但已经展示了一种全新的设计范式,且不说还有如火如荼研制的RBCC等新型动力系统;

  在材料上,以Falcon和电子号为代表,复合材料壳段和贮箱的应用已初见曙光。

  尽管唐朝已经过去了1300余年,至今汉字还是那个汉字,尽管我们每次高兴了也作诗,但诗的顶峰,仍然停留在7世纪的那个盛唐。火箭是要进步,但肯定不是基于回光返照的低级技术,而是要开拓新的基础技术。今天语言的混乱、琢磨、实验都是在为一个大时代的到来做准备,混乱、琢磨、实验,你准备好了?

  三体.黑暗森林:成吉思汗的骑兵,攻击速度与二十世纪的装甲部队相当;北宋的床弩,射程达一千五百米,与二十世纪的狙击步枪差不多;但这些仍不过是古代的骑兵与弓弩而已,不可能与现代力量抗衡。基础理论决定一切,未来史学派清楚地看到了这一点。而你们,却被回光返照的低级技术蒙住了眼睛。你们躺在现代文明的温床中安于享乐,对即将到来的决定人类命运的终极决战完全没有精神上的准备。

  乔家大院的孙茂才,由穷酸到落魄至乞丐,后投奔乔家,为乔家的生意立下汗马功劳,享有一定地位。因私欲被赶出乔家。后来,孙茂才又想投奔对手钱家,钱家对孙茂才说:不是你成就了乔家的生意,而是乔家的生意成就了你!最终孙茂才再次陷入落魄。

  千万不要把平台当成能力,SpaceX之所以诞生的美国,至少它有两个特点,是其它国家短时间内无法复制的:

  一是美国的分包商机制,人才流通机制无碍。而在中国,火箭领域顶级人才很少,只有极少数几个在新一代运载火箭研制过程中冲杀过来的第一线员工(而且大多数集中在总体设计部,这里不是说分系统没有人才,而是分系统相对而言很难有大把机会见识、经受、解决和体验火箭各项事物间的广泛联系,人才更需要历练)。对此广大商业航天公司应有清晰认识,但毋庸置疑地说,笔者有幸认识的、所尊敬的、公认为优秀的几个人,几乎均未被挖走过。另外有凤毛麟角的一两位被挖后,本想一展身手,但却陷于人事纷争,干的未必痛快,如何全情奉献自己的才智。

  二是美国二战和冷战时期形成的过剩产能,需寻求释放渠道。美国军工评论家甘斯勒1995年在《国防转轨》一书中称:在第二次世界大战期间,美军工企业开足马力,为盟国生产了296000架飞机、1201艘舰船、65546艘登陆艇和86333辆坦克。后又经美苏军备竞赛驱动,在长达40年的冷战时代,美国军工基础实际上始终处于战时状态。它是一个庞大复杂的体系,国防部每年都要为之耗资上千亿美元,以维持每年大约1500万个独立合同项目,平均每天约4万多项。就像红楼梦中刘姥姥一进大观园时对凤姐说的:您老拔根寒毛比我们的腰还粗呢?

  有限责任公司、现代金融体系等的建立,使得个人可以撬动巨量资源,也成就了一批浪潮之巅的个人和公司,如比尔盖茨、拉里佩奇、扎克伯格、乔布斯等,但他们的产品均有相同的特点,即批产容易、产量巨大、受众极广。而运载火箭,则是属于截然不同的领域,产品质量控制极为困难,受众也极其狭小,仅能小量生产,从来也没有展现过成为浪潮之巅的潜质。SpaceX即使取得了发射成功,财报看起来也十分不理想。下图深色为运营利润(《SpaceX的财务状况和预期首次曝光》)。2015年SpaceX的收入预计为18亿美元,运营利润5500万美元,但一出爆炸事故,就损失2.6亿美元,前几年赚的还不够这次赔的。这也是为什么,musk一力主推卫星互联网,并因不满开发和测试进度,曾一口气炒掉至少7名高管(《炒高管、放狠线年年中发射SpaceX互联网卫星拼了》)。

  有人可能会说:这也不行,那也不行。楼主,即使你的公众号都是自己写的,不是copy的,是当今中国互联网少数的几抹亮色之一;即使你的确观点鲜明,也做到了宣称的“文不可无观点,观点不可无论据”。但我仍然鄙视你,因为你是一个病入膏肓的保守主义者,是个不可救药的悲观主义者。

  我只想说,选择了运载火箭这条道路,那就是选择了艰难。不清楚困难而乐观的人是幸福的人,但世界上只有一种真正的英雄主义,那就是在认清生活的真相后依然热爱生活。

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