【軍事博評】William:可重複使用發射系統——由穿梭機到重獵鷹

2018-02-07 12:42:25
William Lam

現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

美國東部時間2018年2月6日下午3時48分  (香港時間今日凌晨4時48分),人類等了30年,終於迎來另一枝超重型運輸火箭,以及第一枝可重複使用的重型發射系統!在人類航天發展史上,這天相信也是值得紀念的日子,因為人類30年後再次衝破「30噸魔咒」,以更低的價格把更重的載荷射上宇宙,人類航天事業必有另一番新氣象!

1月28日重獵鷹測試引擎(網絡圖片)

為何可重複使用發射系統對航天發展有如里程碑?我們先要了解一般運載火箭的發射。一支中型運載火箭成本由6千萬美元至2億美元不等,當中包括構造複雜又昂貴的火箭引擎,每次發射,整支火箭不是燃燒完丟進大氣層燒毀,就是進入地球軌道變成垃圾,不但嚴重浪費,而且直接導致發射成本大增;如果火箭可回收,維修後即可進行第二次甚至多次發射,可令單次發射成本大幅下降,解決發射價格過高的問題。

由左至右,分別是銀鳥、X-20X及螺旋系統。網絡圖片

可重複發射系統的概念,最初來自德國科學家歐根.桑格博士1940年代提出的軌道轟炸機「銀鳥」計劃。至1960年代,類似方案再以「太空飛機」的方式流行起來,代表作有美國的X-20X及蘇聯的螺旋系統1)。這些構想當年並沒足夠資金及技術實現,但啟發了第一代可重複使用發射系統的研究。

第一代可重複使用發射系統:願望是美好的,現實是殘酷的

穿梭機發現號及奮進號,還未過壽限的一半,就要在博物館「終老」。(網絡圖片)

登月競賽最終是由美國獲勝,但也耗用大量資金,登月計劃亦無以為繼:當年所有農神5型火箭的發射價格,就相當於6艘企業號航母;加上70年代美國經濟長期不景,NASA預算大跌2),一般發射任務也令NASA百上加斤,故NASA開始發展重複使用的發射系統,謀求大幅增加任務頻率及減低發射成本,並作為軌道工作站及太空旅遊的載具。他們很快就以X-20X為藍本,結合當時相對成熟的航天及重返大氣層技術,發展出可部分重複使用的穿梭機註3,由概念提出到第一次發射任務,只用9年時間(1972-1981年)完成。它的性能及任務過程已有太多資料提及,不必詳述。

MAKS的發射想像圖與全尺寸模型(網絡圖片)

作為首個實用可重複使用發射系統,穿梭機是人類航天史上傑出的成就,然而,整個系統的發射成本遠高於NASA預期,甚至還高於很多火箭4),其中一個原因是多重任務特性令穿梭機體積龐大,死重多且發射系統結構複雜(部分任務要求在事後更被證實很少用得上),每次重返大氣層也要大修隔熱瓦兼檢查結構,導致每次間隔的人力、維修成本與時間大幅上升;而且兩次嚴重事故亦證明穿梭機的安全性並沒預期高,NASA隨後又斥鉅資改善安全性,進一步推高發射成本,搭載量亦進一步下降。最後,在每穿梭機都遠沒到壽限的情況下,計劃於2011年終結。同期的蘇聯亦同樣跟進太空穿梭機的研發,不但仿照美國發展大型貨運用穿梭機(即後來只試射一次的暴風雪號),更發展半空發射的小型穿梭機MAKS。然而,當年蘇聯已近強弩之末,甚至來不及驗證技術是否有問題,計劃就因蘇聯解體而結束。

獵鷹系列:更簡單的方法實現夢想

商業經營火箭發射的概念始於2000年代初期,當時NASA正為新登月計劃大費周章。為集中人力與資源,NASA開始研究以較低廉的價錢,委託私人企業進行國際太空站載人及補給艙發射任務。

Elon Musk與早期型獵鷹9合照(網絡圖片)

他們於2006年批出合約給予剛成立幾年的SpaceX(老闆正是知名新世代高科技企業家Elon Musk),為他們的中型運載火箭投下第一桶金!作為私人企業,SpaceX在發射作業上更講求價格、效率、靈活性與可靠性,而穿梭機表現強差人意,和其過份強調多功能,以及採用複雜的發射與重返系統有關;另方面,SpaceX只管發射任務,載荷的使用完全由對方負責,所以他們自然傾向更簡單、更具成本效益的重複發射系統。為此,他們進一步拓展穿梭機可回收助推火箭概念,讓火箭的第一級可以自動返回發射場,回收再用。獵鷹9型就在這種環境下發展起來。

由11年開始,獵鷹9型系列已有94%成功率,最新的獵鷹9型全推力版(Falcon 9 FT)在首兩年取得96%發射成功率註5及91%回收成功率,並已開始重複使用第一級火箭;至於今次首射的重獵鷹,則是以三枝第一級火箭組成推進段,成為人類史上試射成功的第三高 / 現役最高搭載能力的火箭。以下是獵鷹系列與其他中重型運載火箭的橫向比較:

  獵鷹9FT 重獵鷹 農神V

退役

能量號

計劃終止

三角洲IV重型現役 長征五型

試射

亞里安5ECA(現役
全重 550 1420 2940 2400 733.4 837 777
近地軌道運力)(LEO) 22.8(不回收)/16(回收)

63.8(0回收)/51.7(2回收)/40.3(3回收)(估計值)

140 80-100 26 25 21
同步轉移軌道運力)(GTO) 8.3(不回收)/5.5(回收

26.7(0回收)  14(2回收)/ 7(3回收)

?

 

? 14 14 10.4
靜止軌道運力)(GEO) ? 13-14(估計

繞月軌道16)

?

繞月軌道41)

22(估計 6.7 7(估計 ?
發射價格

美元,2016

$6100 9000

-1.25/1.61

12.3 2.4 4 不明 $1.65-2.2

回看獵鷹9研製過程,雖然所用引擎性能優異,但其實沒有什麼新技術,都是在明確的目標下對過往技術成果註6進行系統整合及應用,結果創造了在性能及費效比上均遠超所有國內外對手的發射系統。關於獵鷹9系列/重獵鷹的性能,SpaceX及不少航天網站已有詳述。然而獵鷹9系列/重獵鷹在設計及應用上有何特點,令SpaceX的商業發射理念(價格、效率、靈活性與可靠性)得以有效落實?

結構更輕巧,有助提高載荷及提高回收成功率:

早幾天SpaceX進行了一次不回收第一級的發射任務,主要測試在三個火箭造功的情況下著水的效果,然而火箭撞向水面後,竟沒有破裂沉沒,足可見第一級的箭身非常堅固。照片來自Elon Musk的twitter

獵鷹系列大量使用鋁鋰合金(而不是鋼或鈦)製作火箭外殼,並以耐熱材料覆蓋,加強火箭的耐熱程度,能承受起降的高溫,也大幅減輕重量:據資料顯示,獵鷹9FT乾重大約只有26.2噸,而重獵鷹也只有72-75噸以下,質量只有近似規格火箭的30-75%。更輕的本體配合推力相約的引擎,不但有助搭載更重的載荷,而且因為質量輕,在降落回收階段更容易達到減速效果,增加回收成功率,直接減少發射成本。

更簡單的結構,減少後勤需求、發射及回收難度:

拜較輕重量所賜,獵鷹9FT可以刪去助推火箭,兩級火箭就可完成發射程序,在工程層面而言,不但大幅減少發射阻力,且有助減少發生事故的機率;另一方面,火箭捨棄比衝更高(簡單來說,是點燃後膨脹率更高、推動效率更高)的液氫及液氧燃料,轉用上一代的LP1煤油及液氧燃料,目的也是盡量壓縮火箭體積與重量,同時簡化儲存箱設計,因為液氫須保持在零下259度,儲存箱、管道及燃料泵不但需要更多防凍措施,避免金屬脆化,而且其密度只有LP1或聯氨的1/10,需要更大的儲存箱,這會大幅增加火箭重量、直徑、阻力及維護成本;相對地,LP1可以在常溫下儲存,火箭內很多防凍措施及重量都可以省下。

網傳最新改進型默林1D

另外,獵鷹9FT的引擎統一使用默林1D系列,就算是第二節用的空間推進引擎都是改動了燃料泵結構的默林1D,後勤維修更為方便,加之默林1D型引擎仍在持續改進,推力、可發射重量及回收能力可望進一步上升7)

重獵鷹不但承繼以上大部分優點,而且採用更簡單的構形:過去大型火箭系列會配備多種零件組成不同構形,方便不同發射任務,這雖然具靈活性,但需生產多種零部件,後勤及妥善率實有一定隱憂;重獵鷹就簡單得多,幾乎所有零件都來自獵鷹9FT,須另外生產的專用部件非常少。這又進一步簡化生產性,降低價格及複雜性。

多引擎配置,冗餘度更高,也令垂直降落更方便

由後方及前方望過去的Octaweb,SpaceX官方圖片

過去航天界認為重型火箭必須具備更大推力的引擎,以減少引擎數量、簡化機械結構及操控系統;然而,獵鷹系列的經驗告訴眾人,拜電腦控制技術及高強度而構造簡單的鑄造支架Octaweb所賜,多個中型引擎也能作為重型火箭的推進核心,而且冗餘度高,即使兩個引擎故障,其餘七個也能自動調整推力以完成任務(如只有二至四個引擎,若其中一個故障,其他引擎很難提升那麼高的推力以填補堆力損失)。

另外,多引擎配置加上簡單的控制裝置,也成為火箭降落的關鍵,因為多引擎系統可以編定更複雜的火箭再點火程序,並作更有效操控:獵鷹9型系列的主火箭回收程序是:大約離地表80公里高度時,第二級脫離後,餘下10%燃料的第一級利用排氣系統調整姿勢,並開啟中間的引擎減速重返大氣層。過程中會再以三個引擎點火減速一至兩次,並打開格柵舵進一步減速及調整航向,至著地/著船前打開腳架,並作最大一次反推減速,然後著陸。這種降落模式大大減少火箭在大氣層內移動的距離及速度,大幅降低與大氣層磨擦對結構造成的熱損傷(當然,這再入模式也可省略厚重的熱盾構造),而由初代獵鷹系列開始,這種降落模式已被驗證無數次,非常可靠。

順帶一提,SpaceX有意改良第二級火箭,除空間推進能力更好外,該火箭也將具備返航降落能力,令獵鷹系列成為完全重複使用的火箭。

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https://www.youtube.com/watch?v=ST76lGJ0UWA

 

更具任務靈活性

重獵鷹構形參考三角洲四號重型運載火箭。網絡圖片

重獵鷹其實就是以獵鷹9的可回收第一級火箭三個並列一起,再加一個大型的第二級組成,構形類似三角洲四型重型運載火箭。重獵鷹可以使用新的或已回收並檢修過的第一級火箭,並可視乎不同重量載荷,選擇全回收、回收其中兩支或所有推進火箭不回收的模式(回收節數愈多,載荷會下降),進一步提高成本效益,例如,今次首射的載荷只是一架電動車,故今次第一級全部三枚火箭均能回收,而且只有一枚第一級火箭及一枚第二級火箭是新造的。

SpaceX的火箭儲存與整備中心。SpaceX官方圖片

這種配置亦有好處,即可依貨物重要性及所需推力,選擇庫存不同狀況的火箭,務求達到更佳成本效益,例如SpaceX接到最重載荷的發射合約,可視乎情況由庫存的第一級火箭中挑選三組已使用較多的,作「用完即棄」的發射,把接近壽限的火箭價值「揸乾揸淨」;若接到十分重要 / 價值極高的發射合約(例如軍用衛星或太空站組件),則可選用全新引擎發射,務求做到萬無一失。

是次重獵鷹發射成功,究竟會對航天界及人類太空事業造成甚麼影響?就在下所見,暫時可以歸納出以下三項:

 觸發新一輪航天技術競爭:

美國航天「大家」聯合發射聯盟的可回收重型火箭火神,預計2025年首射。

獵鷹系列由不被看好至今天的大放異彩,令不少人大跌眼鏡,而其強大運力及相當便宜的發射價格,更令美國及國際航天發射市場備受巨大衝擊:單單16-17年,獵鷹9系列就「搶去」美國一半的太空發射任務,而其他國家的中重型運載火箭亦開始深受影響;貴接近3倍的歐洲阿里安5型就不用說了,就連俄國歷史悠久的質子系列(6800萬至9500萬美元)與中國的長征3B系列(7千萬美元)都沒法和其比價格優勢,全球航天發射市場正面對全面洗牌的局面;重獵鷹在發射載荷更大、任務限制更少及相對更便宜的情況下,對航天發射市場的衝擊只會更大(當然,作為衛星或載荷使用方會更開心,因為更多費用可留作開發或其他用途)。

而獵鷹9/重獵鷹的研發及發射實績,亦進一步刺激如波音及洛馬等航天大財團(以及其他國家的太空研究機構),因為他們已發現原來用現有技術作有效整合,一樣可以用相當便宜的價格發展重複使用的重型發射系統;事實上,未來十年內至少會有三種重型重複使用火箭投入應用,而法國及中國都早於4年前展開可回航著陸火箭的先期研究工作。相信十年之後,全球運載火箭將會有天翻地覆的變化。

有助大型太空建築與太陽系探索:

國際太空站全景,網絡圖片

重獵鷹能以一般重型火箭平均每公斤貨物運費的1/3,發射最多60噸以上的貨物進入低軌道,等於每次載運至多省回4億美元的成本,事實上令建設大型太空建築相對更容易。舉一個例子,國際太空站重419.5噸,前後用了33次任務將所有組件送上天(不計算發射穿梭機裝配設備);如果用重獵鷹載運,理論上太空站分7-8次運送就成,運費大減之餘,組件也不用分拆得那麼「零碎」:事實上,現時太空站工作壽命大約在2024-2028年結束,重獵鷹的出現,剛好允許以「換零件」的方式,逐步汰除太空站上的舊艙及設備,代以更新且更大的太空艙,並以此為基礎建成新的國際太空站。

另外,重獵鷹亦有助建設地月系統間的大型太空建築,例如能將至少26噸及16-20噸貨物射往同步軌道及繞月軌道,能協助建設未來可能在這些遠距離軌道航行的太空站,或為這些遠距離太空站進行人員與物資補充工作。

2000年代初期提出的木星冰月軌道器,重達36噸,因為無法由地面發射,計劃一直處於停擺狀態(網絡圖片)

至於太陽系探測方面,過往進行太陽系探索的探測器,由於火箭運力限制,很少超過兩噸,且往往需要複雜的軌道調整及引力彈射加速,費時失事之餘也增加任務的複雜性及失敗機會;然而,若以重獵鷹發射,科學家不需盡量壓縮重量及體積(這有機會滅少研究成本),可將探測器造得更大,功能更多(舉個例,重獵鷹可以將16噸東西射往火星,也可將3.5噸載荷直接送往冥王星;而兩年半前的新視野號,連半噸都不夠),甚或可以以更高初始速度把載荷直接射往目標行星軌道;另方面,由於運力驚人,未來的登月或登火計劃,重獵鷹也可協助預先把物資射往月球/火星軌道,甚至降落表面,供未來停留軌道的行星太空船或登陸到月球/火星上的太空人使用。

引發更熾熱的太空軍備競賽?

88年準備發射的極地戰鬥平台。網絡圖片

直至今天,太空軍事化基本上仍停留在軍事衛星偵察及地基反導系統的防禦性軍事化8),主要原因就是發射載荷受到很大的限制,不但阻礙重型軍事衛星的發展,也限制大型武器的部署:美國太空穿梭機及現時運力最大火箭,低軌道最大載荷均少於26噸,而一般相信能搭載激光等高能武器的衛星,最少都要50噸以上:前蘇聯於80年代設計的極地戰鬥平台(預定搭載激光系統、高速火箭及太空漂雷),本體重量就達80噸,當中激光武器重量大約25-30噸。

近期成為話題的電磁砲,原是美國星戰計劃中部署於戰鬥衛星上的武器。網絡圖片

然而,以重獵鷹的發射成本及運力,足以容納一個重大約60噸的戰鬥衛星(武器重18噸,參照COIL),或者配合一支獵鷹9型,發射並於軌道上對接成共重80噸的戰鬥衛星。可以預見的是,隨著重獵鷹的發展成功及大量應用,衛星的質量限制會進一步被突破,日後不但有機會出現重型軍事衛星,具主動攻擊功能的大型戰鬥衛星更可能在未來10年內就會正式出現。

結語:

過去,重型運載火箭需求不大,研發困難,而且發射價格驚人,一直是阻礙太空站發展、大型衛星載荷及大規模太陽系探索的重要因素。隨著更簡單、更便宜的可重複使用重型發射系統的發展,這種「死局」似乎已因為發射成本的進一步下降,而出現被打破的可能,人類的航天發展有望獲得新的突破。作為這次大突破的「起點」,無論獵鷹9系列/重獵鷹日後能否成為航天界的「長勝將軍」,其歷史地位相信是難以被取代的。

 

註釋:

註1:這兩種太空飛機有類似太空艙的隔熱層,發射原理及任務都大同小異,都是由火箭加速入軌,以類似滑翔機的形式重返大氣層並回航,整備完成後再進行任務。美國的設計是裝在泰坦火箭上發射,而螺旋的本體是裝著兩枝加速火箭,被背負在一架高超音速載機上。載機上升到20000公尺以上及時速4馬赫,然後本體分離,再點燃火箭,加速離開大氣層。

註2:NASA的預算由由66年的60億美元,大跌至75年的32.5億美元,如計算貶值因素,跌幅更接近2/3

註3:基本上是X-20除去攻擊功能,強化升力、再入及滑翔能力、加大運輸與衛星維修能力,甚至加入大型空間實驗室功能的放大版。發射系統由兩支巨型可回收固體燃料火箭、穿梭機本體及巨型液氫液氧燃料箱組成,和X-20不同的是,穿梭機的引擎在上升階段同樣做功(燃料由大型外掛燃料箱提供),而且在進入軌道前基本上都處於工作狀態。固體燃料火箭可重複使用10次,穿梭機在大修前大約可重複使用100次,每次任務真正浪費掉的,只有大型燃料箱。

註4:以下是穿梭機各項指標的設計值與實際差距:

設計值 現實
穿梭機價格 6.75億美元 17億美元(88年價格)
發射次數/ 57次 最高10次
最短發射間隔 160小時 1240小時
平均一公斤發射費 600美元 11700美元
一次發射成本 2800萬美元 4.5至15億美元(2011年價格)

註5:唯一一次發射失敗,是火箭加注燃料時突然發生爆炸,參考以下連結

註6:獵鷹系列涉及的過往技術成果,主要是新型火箭隔熱材料、可多次熄火及再點燃的火箭引擎、再入大氣層時用來為火箭減速及控制航向的格柵舵(要注意,這是前蘇聯導彈常用的技術)、以及原本只用於調整拋棄式火箭墜落角度的逆噴射減速技術。

註7:一名SpaceX工程師去年12月表示,現時默林1D的最新改良型在沒有增重的情況下,堆力已比初期型強30%。

註8:除前蘇聯部署過低效率的自爆破片衛星外,未有任何國家部署在軌武器系統。

發佈於 軍事博評
By 2018-02-07

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