新世紀「鋼鐵俠」與他的SpaceX

01-28

出品：科普中國

製作：超導與航天新戰隊徐明研究團隊
監製：中國科學院計算機網路信息中心

還沉溺於《復仇者聯盟》熱浪中的你，是否被「鋼鐵俠」遨遊太空的高科技裝備和他的Stark軍火公司所深深震撼? 許多曾經於我們而言只是科幻電影的場景，如今卻不再遙遠。現實版的「鋼鐵俠」埃隆?馬斯克（Elon Musk）就用他的追夢之旅將神話變得觸手可及。

　　　　　　　　　　　　　　傳奇人物埃隆?馬斯克

馬斯克的人生可用「傳奇」二字來形容。與喬布斯相似，馬斯克的創造性思維也像蘋果系列一樣改變了人類的生活。

從研發環保電動跑車，到成立自己名下的太陽能公司；從參與創立和投資Paypal（目前全球最大的在線支付提供商），到研製可重複利用火箭和未來交通工具,馬斯克創造了太多的不可能。其中，最濃墨重彩的要數最近幾年馬斯克投入全部精力的SpaceX公司。

　　　　　　　　　　　　　馬斯克和SpaceX

太空探索科技公司SpaceX

SpaceX公司成立於2002年6月。2008年12月，SpaceX獲得NASA價值16億美元的商業補給服務合同，開始了它的高速發展之路。

SpaceX成立十多年以來，在航天領域異軍突起，成為一顆閃耀的新星，這是因為它創造出了一種新的航天發展模式——低成本商業發射模式。公司的唯一目標就是降低成本、提高可靠性，迅速研製出「能飛的火箭」。

馬斯克曾表示，製造能重複使用的火箭，才是人類航天的未來。一枚火箭的成本，燃料僅占很小一部分，火箭的導航控制系統、燃料儲箱和火箭發動機等部分才是絕對的大頭。

如果一枚火箭可以重複使用，就可以大大降低發射成本。火箭的成功回收將節省資金高達75%以上，最終成本只有我國目前火箭發射成本的十分之一甚至更低。此外，它還將提高登陸的安全性能，使得火箭這種軟著陸技術手段在未來登陸火星上發揮至關重要的作用。

　　　　　　　　　　　　SpaceX運載火箭的垂直回收

默林火箭發動機和「獵鷹1號」運載火箭

默林火箭發動機是SpaceX研製的第一個火箭發動機，採用燃氣發生器循環，使用航空煤油和液氧作為推進劑。這款發動機質量輕，推重比大，並且價格低廉，它被用於「獵鷹1號」和「獵鷹9號」運載火箭來實現海上回收和重複使用。

　　　　　　　　　獵鷹1號火箭和它尾部的默林發動機

「獵鷹1號」火箭由兩節推進系統組成，第一節使用默林發動機，第二節使用Keserel發動機。「獵鷹1號」可不經特殊處理就發射，第一節推進系統利用降落傘系統減速降落至海面，找回並重複使用。

在SpaceX的測試中，默林發動機回收過程完美，相應的發射金額也如預期的降低，每次只要670萬美元。然而在「獵鷹1號」的第一次發射中，默林引擎在發射中著火，回收結果失敗。

獵鷹9號火箭和它的回收技術

為了實現移民火星的理想，火箭的回收繼續成為SpaceX發展的重中之重。

2010年6月4日，SpaceX的「獵鷹9號」首次成功發射。它同樣有兩節推進系統，第一節有九台默林火箭發動機，第二節則只有一台。根據SpaceX的遠期計劃，兩節皆可被完全回收重複使用。

　　　　　　　　　　「獵鷹9號」火箭發射時發動機部分特寫

「獵鷹9號」火箭所採用的回收方案是採用動力反推實現垂直下降。在返回過程中，第一級火箭通過箭上的液氮推力器來調整姿態，以應對氣動扭矩和旋轉的影響，防止箭體在下落過程中出現滾轉。同時，箭體的四周安裝了四個柵格翼，以增加火箭在回收著陸過程中的穩定性，控制火箭向地面的平台降落。

　　　　　　　　　「獵鷹9號」一級火箭上的柵格翼

除了在下降過程中對火箭的姿態進行調整外，利用發動機點火來控制下降速度也是另一項極其重要的回收保障。

在第一級與第二級火箭分離後，第一級通過兩次重啟火箭主發動機來實現制動減速。到火箭快要落入大西洋，重啟另一台發動機，使火箭從最初的1300m/s的速度減到2m/s，配合帶有液壓減震器的四個著陸支架，使其最終可以實現落地精度小於10m。

　　　　　　　　　　運載火箭垂直回收的預期效果圖

最近一次的「獵鷹9號」回收在最後部分出現了意外。主要是由於發動機在減速控制上並不十分準確，加上海上風速較大，導致降落速度未能控制良好，使得箭體落在回收平台上的速度仍然很大，最終箭體傾倒，未能實現完美的回收。但是距離最終馬斯克想要追求的效果已經近在咫尺，SpaceX也在為下一次的火箭發射並回收積極準備，蓄勢待發。

　　　　　　　　　　　　「獵鷹9號」火箭著陸失敗

天龍號太空船（Dragon V2）

2015年5月30號，SpaceX公司發布第二代龍飛船（Dragon V2）。這是全球首個由私營公司推出的載人飛船，一次最多可運送7名宇航員前往國際空間站。根據NASA和SpaceX的規劃，天龍二號有望在2017年正式飛往太空。

　　　　　　　　天龍號太空船（Dragon V2）駕駛員艙

據馬斯克介紹，天龍二號可以返回地球並能「像直升飛機一樣精確地降落在任何地面，並且它可以快速地重複使用。你只需要重新注入推進劑，然後就可以再一次體驗太空旅行」。

天龍二號載人飛船使用通過3D列印技術製造SuperDraco反推火箭發動機，每具發動機可產生16000磅的推力，這使得天龍二號能像直升飛機一樣，依靠推進器精準地降落在任何地面。

天龍二號有著陸支架，配合反推發動機制動後可以垂直降落，這種著陸技術與聯盟飛船、神舟飛船完全不同，可以實現重複使用。這一點在未來的火星任務中體現，這也使得著陸火星正在成為可能。

此外，天龍二號的成本也十分有優勢。據估算，Dragon V2每次飛行的成本在2000萬美元左右，相比較美國宇航局購買一個聯盟號座位要便宜很多。

　　　　　　　　　　　天龍號太空船（Dragon V2）

雖然SpaceX運載火箭的回收經歷了多次失敗，但是每一次試驗都距離成功更近了一步，差距不斷減小是科學技術發展的必然，馬斯克移民火星的夢想不再遙不可及。

這位新時代的「鋼鐵俠」對未來充滿信心，相信在不遠的將來，火星之上將出現人類的身影，太空之旅將成為更多人的全新選擇。

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