
8370 次觀看·2024年1月12日 #火神火箭 #火神半人馬座火箭 #運載火箭 期待已久的美國聯合發射聯盟(ULA)研發的火神-半人馬座火箭,終於在2024年1月8日從卡納維拉爾角發射升空,執行代號「認證-1」的測試任務,將重達1.28噸的「遊隼號」月球著陸器等載荷送入軌道。雖然遊隼號在進入軌道不久就發生了燃料洩露的問題,可能無法完成登月任務,但目前認為火神火箭的發射是成功的。火神火箭還把次要有效載荷送入環日軌道。
這次發射對ULA來說非常重要,也是美國第一種液氧甲烷引擎火箭成功發射進入地球軌道,預示著液氧甲烷引擎時代的到來。火神號火箭的研發歷時約十年,目的是取代ULA的擎天神5號,它也瞄準了風光無限、可重複使用的獵鷹9號和獵鷹重型火箭,它是ULA與馬斯克的SpaceX在衛星發射市場相抗衡的頭號武器。
火神火箭採用兩級半構型設計,火箭長約61米,直徑5.4米,第一級配備兩台藍色起源公司的BE-4液氧甲烷火箭引擎,單台海平面推力250噸。第二級是半人馬座5型火箭,採用兩台洛克達因公司的RL10C-1-1A氫氧引擎,單顆引擎真空推力10噸。
火神火箭外側也可以綑綁多個助推器來增加運力,火神火箭採用諾斯洛普·格魯曼公司的GEM-63XL固體助推器,每個助推器高21.98米,直徑1.62米,最大推力210.13噸。根據不同運力的需要,火箭選配2、4、6枚助推器。火神火箭使用6枚助推器的情況下,近地軌道最大運力可達27.2噸,地球同步軌道運力15.3噸,運力在世界現役火箭當中排名第四。
00:00 火神火箭首飛成功
01:16 被寄予厚望的火神火箭
05:50 火神火箭的核心是液氧甲烷引擎BE-4
10:56 火神火箭受到貝索斯的追捧
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期待已久的美國聯合發射聯盟
ULA研發的火神半人馬座火箭
終於在2024年1月8號從卡納維拉爾角發射升空
執行代號認證一的測試任務
將重達1.28噸的有準號月球着陸器等載荷送入軌道
雖然有準號在進入軌道不久就發生了燃料泄漏問題
可能無法完成登月任務
但目前認爲火神火箭的發射是成功的
火神火箭還把次要有效載荷送入了環日軌道
這次發射對ULA來說是非常重要
也是美國第一種液氧甲烷引擎火箭
成功發射進入地球軌道
預示着液氧甲烷引擎時代的到來
火神火箭的研發歷時約10年
目的是取代ULA的青天神5號
它也瞄準了風光無限
可重複使用的獵鷹9號和獵鷹重型火箭
它是ULA與馬斯克的SpaceX在衛星發射市場
相抗衡的頭號武器
今天我想來聊聊火神火箭的話題
火神火箭是在內外因素刺激下的產物
時間回到2014年左右
ULA當時雖然在美國航天發射市場幾乎一家獨大
不過它遇到了兩件糟心的事情
首先是半路殺出了個程咬金
SpaceX公司嶄露頭角
憑藉相對較低的發射報價與ULA直接競爭
而且隨着獵鷹9號火箭可重複使用技術的成熟
SpaceX公司進一步壓低了價格
不少訂單甚至包括國防訂單都被SpaceX搶去了
讓ULA倍感壓力
另一件則是2014年俄國侵佔克里米亞半島之後
西方國家開始制裁俄羅斯
而ULA的青天神5號火箭使用了俄羅斯產的RD-180引擎
美國國會對此非常不滿
要求美國軍方和政府的發射任務必須都要用美國產品
青天神5號失去了未來
爲了應對這些情況ULA啓動了火神火箭的研發
火神火箭採用兩極半構型設計
火箭長61米直徑5.4米
第一級配備兩臺藍色起源公司的B-14液氧甲烷火箭引擎
B-14引擎採用負氧循環
海平面推力249.5噸
第二級是半人馬座五型火箭
採用兩臺洛克達因公司的RL-10C-1-1A氫氧引擎
單顆引擎真空推力10噸
可重複啓動7次
因此採用半人馬座二級火箭的火神火箭
也被稱爲火神半人馬座火箭
火神火箭外側也可以捆綁多個助推器來增加運力
火神火箭採用諾斯羅夫格魯曼公司的GEM63XL固體助推器
每個助推器高21.98米直徑1.62米最大推力210.13噸
根據不同運力的需要火箭選配2,4,6枚助推器
火神火箭使用6枚助推器的情況下
基地軌道最大運力可達27.2噸
地球同步軌道運力15.3噸
運力在世界現役火箭當中排名第四
UAA是洛克希德馬丁和波音組成的合資公司
火神火箭成熟之後將替代
青天神5系列和德爾塔4系列兩款火箭
成爲UAA未來的當家話大
青天神5系列是洛克希德馬丁公司的產品
基地軌道最大運力18.85噸
地球同步轉移軌道最大運力8.9噸
青天神5火箭服役已經進入倒計時
目前還剩下16次發射計劃
德爾塔4系列是由波音公司研製的
最大運力28.8噸
德爾塔4火箭在2024年完成最後一次發射後
就退出歷史舞臺了
然而這款被UAA寄予厚望的火神火箭
在研製過程中問題頻出
首飛時間一推再推
原計劃在2019年左右首飛
最終被推遲到今年1月
因此火神火箭甚至被吸成爲
火箭裏的歌王
不過火神火箭一再延期的
主要原因其實不在UAA
而是在火箭引擎上
首先是火箭主引擎
爲了降低成本和重複使用
UAA最終選擇了藍色起源的
B14液氧甲烷引擎
但這款引擎在研製過程中
卻遇到了不少問題
引擎在2017年開始測試
但一直無法突破73%推力這一大關
2019年藍色起源宣佈
將整個重新設計燃氣發聲
和渦輪泵系統
但後續試測又發現
泵系穩定性存在缺陷
還出現了爆炸的問題
最近的一次爆炸發生在2023年6月
B14引擎問題不斷
是火神火箭屢屢推遲的主要原因
其次是第二級的
半人馬座火箭的新引擎也發生爆炸
讓火箭再次延期
半人馬座火箭雖然是
具有悠久歷史和非常成熟的火箭
但火神火箭採用的引擎
卻是最新改進型號
它一開始的爆炸也曾讓UIA捏一把汗
2023年3月29號
半人馬座五型青陽火箭結構艦
在進行資格認證測試時發生大爆炸
調查發現它的燃料箱存在結構問題
需要改進
對於UIA來說
雖然火神火箭磕磕絆絆
但這次首飛成功
終於可以稍微鬆一口氣
接下來可以上桌與競爭對手
SpaceX扳扳手腕了
運載火箭的核心就是火箭引擎
引擎的性能決定了火箭的運力和成本
大家知道
運載火箭既要帶燃料
又要帶氧化劑
目前主流的是液氧煤油和液氧液氫火箭
爲什麼要用煤油或者氫氣來做燃料呢
那要先了解一下比充的概念
比充是單位重量推進劑產生的充量
數值越大
推力也就越大
所以分子量越小的燃料會有更大的比充
比充的理論極限
液氧煤油引擎是370
氫氧引擎是532
液氫的比充高
但氫氧火箭引擎的製造難度高
成本也很貴
近年來隨着可重複使用火箭的出現
SpaceX公司發現
液氧煤油引擎雖然結構簡單
可以重複使用
但存在積碳問題
而甲烷引擎幾乎沒有積碳問題
這樣回收的火箭
可以簡單處理
甚至不需要處理
就可以重複使用
具有更好的未來前景
甲烷的比充介於氫氣和煤油之間
更接近於煤油
早在1960年代
液氧甲烷火箭引擎的概念就已經提出了
但在當時並沒有得到航天大國的重視
液氧甲烷火箭引擎
因爲具有無毒環保高比充
易於重複使用等綜合優勢
是低成本復運火箭的最佳動力選項
因此受到了商業航天公司的青睞
在SpaceX和藍色起源的推動下
液氧甲烷引擎技術突飛猛進
一批成熟度各異的有代表性的型號脫穎而出
包括SpaceX的猛禽引擎和藍色起源的B14
B14引擎預計用於藍色起源
自己開發的新格倫火箭和UAA的火神火箭
B14的設計推力高達250噸
是全世界初始設計推力最高的
液氧甲烷引擎
但現在已經被SpaceX的猛禽二引擎超越了
根據初始設計
B14引擎的燃燒式壓力可以達到13.4兆帕
海平面比衝310秒
推重比73
引擎推力可以在40%到100%之間變化
並具有正負5的搖擺能力
B14引擎採用負氧補燃循環方式
包括負氧燃燒的預燃式和同軸式的渦輪泵
並採用靜壓軸承
替代傳統渦輪泵中的滾珠軸承和滾柱軸承
以提高渦輪泵的壽命和可靠性
引擎採用自身增壓方式
爲儲箱內推進劑增壓
省去維持儲箱壓力所需要的氦氣瓶
在減少質量的同時減化系統
並且少帶一種介質
降低了地面維護的複雜性
這種引擎還具備熄火後
通過渦輪的入口壓力再次點火啓動的能力
2020年7月藍色起源將首臺B14的原型機交付給UAA
用於在火神火箭上進行聯合測試
但UAA注意到B14的渦輪泵存在問題
B14在研發過程中出現了渦輪泵的問題
燃燒不穩定性冷卻能力不足
和實際壽命短於射擊壽命等多種問題
而且藍色起源的管理和後勤也出現問題
導致產能嚴重不足
2020年7月底
首臺B14飛行狀態引擎進行了變推力實驗
引擎在45%到100%推力之間的穩態工作時間超過256秒
10月初B14的第二臺飛行產品
運往UAA火箭工廠先行安裝
直到2023年1月這兩臺飛行用引擎
才隨着火箭運抵發射塔
進行全艦的安裝和測試
B14引擎的研發過程磕磕絆絆拖拖拉拉
這也導致了火神火箭遲遲不能首飛
爲了降低成本
火神火箭除了使用液氧甲烷引擎
也考慮了可重複使用技術
根據可重複使用的要求
UAA提出了敏感模塊自主返回技術SMART
在一二級火箭分離之後
火箭一級引擎將脫離
並在充氣室熱防護罩的保護下再入大氣層
然後依靠降落傘減速
最後由直升機在空中回收
UAA公司表示
推進系統成本佔整個一級火箭成本的65%
一級引擎的回收利用後
將會使一級推進系統成本降低90%
不過2015年
609號火箭完成了首次第一級回收
當時外界還不能確定
SpaceX這種第一級整體垂直降落回收模式
是否會成爲未來的主流
因此UAA提出了SMART這種回收技術
還說整體回收火箭第一級
費效比很低是愚蠢的
只回收價值最高的引擎纔是明智之舉
但隨着火神火箭進度不斷拖延
而獵鷹9號火箭一級整體垂直降落回收模式逐漸成熟
經濟效益日益顯現
UAA也就很少再提SMART回收技術了
洛馬和波音公司在2006年聯合組建的UAA
曾經憑藉着壟斷地位
一度在美國發射市場呼風喚雨
從2006年到2015年
大量美國國內的太空發射合同
尤其是軍方的載荷基本都由UAA來執行
雖然UAA的收費很貴
但它也比較爭氣
在發射次數超過155次的情況下
發射成功率達到了100%
但UAA的好日子隨着SpaceX的獵鷹9號火箭的出現而逐漸結束
SpaceX憑藉着可重複使用獵鷹9號火箭
和更低的管理成本
將發射報價壓到約UAA報價的一半
UAA的報價普遍一次發射要1億美元以上
德爾塔4H重型火箭的報價甚至超過2億美元
而SpaceX公司的報價有不少在5400萬美元左右
遠低於UAA
爲了獲得更多的軍方發射訂單
2014年SpaceX起訴美國軍方
稱在競標國家太空安全發射任務時
美國軍方偏袒UAA
經過一番調解
SpaceX撤訴
軍方逐步授予SpaceX相關合同
並在2017年首次發射國家安全載荷
然後又發射了過GPS導航衛星
X-37B航天器等等
看到SpaceX公司能夠用更少的錢辦同樣的事
美國軍方也樂見SpaceX與UAA展開競爭
之後美國軍方對國家太空安全發射計劃
第二階段進行招標
這項計劃要求所有的航天載具
都要在美國生產
2020年經過兩輪激烈的競爭之後
美國空軍宣佈UAA和SpaceX中標
兩家公司分別獲得了60%和40%的
高價值國防發射任務
從2022年到2026年
預計總數30到34次
合同總額高達50億美元
除了美國官方的發射任務需求
旺盛的商業航天發射服務
也會讓火神火箭分得一杯羹
2022年4月5號
亞馬遜宣佈選擇阿利亞納太空公司
藍色起源和UAA
爲科伊伯·低軌互聯網星座發射
3236顆衛星
贏得亞馬遜的大筆合同
將使火神火箭的年發射次數增加一倍多
達到每年25次
雖然UAA對火神火箭給予厚望
不過它的發射成本仍然沒辦法
與SpaceX的獵鷹火箭相比
在剛剛過去的2023年
SpaceX風光無限全年發射96次
而UAA慘淡經營全年只有三次發射
2023年4月媒體報道說
波音和洛瑪公司有意出售UAA
2023年12月有報道稱
亞馬遜的創始人貝索斯的藍色起源公司
和另外一家思慕股權公司有意收購UAA
藍色起源公司正在研製新軲輪火箭
經濟軌道運載能力達到45噸
不過火神火箭可以補充相對矯情載荷的發射任務
可以做到輕重搭配
就像SpaceX公司有獵鷹重型和獵鷹九號火箭一樣
好了今天就聊到這裏
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