小火箭极速助手下载安装
海上发射的火箭,绝大多数人想到或许都是带着弹道导弹巡游大洋的核动力潜艇。但正如早期运载火箭是弹道导弹的变体一样,从海上发射运载火箭的设想,也伴随着弹道导弹潜艇而生。不过和后续会提及的海上发射公司不同,在那个太空技术飞速发展的年代,海上发射的设想要更庞大也更富有野心。
在美国第一艘核动力弹道导弹潜艇乔治·华盛顿号开始战略巡航的1960年后不久,参与了北极星潜射导弹研发的海军上校罗伯特.楚阿克斯(Robert Truax)便开始了海上运载火箭发射的可行性研究。其设计理念源自二战时期德国潜艇计划中的对美国东海岸的打击方案,火箭U艇。德国轰炸机航程不够,水面舰艇无法和英美庞大的海军直接较量,而V-2作为早期弹道导弹射程又不够,德国海军只能寄望于潜艇偷偷潜渡大西洋后再发射V-2攻击。
由于V-2的体积过大无法放入潜艇,只能放置在单独的储舱内由U艇拖拽潜航,到达发射地点后储舱尾部的压载水舱进水使得储舱立起前端浮出水面,而后V-2再点火发射。纳粹德国最终未能在投降前完成负责拖拽V-2的XXI型U艇的研发,这种复杂的导弹发射方式显然也没有直接潜射方便,并无太大实用军事价值。
但在运载火箭上则完全不同,运载火箭没有导弹的隐蔽需求,水面船只即可拖拽因此不需要建造额外的储舱。拖拽也意味着火箭尺寸不受到船体大小限制,海水提供的额外浮力还让下端箭体不需要承受上端箭体的质量,同时只要火箭浮力中心高于质心,天然静稳定可确保火箭垂直,省去陆地发射的一系列辅助设施。
除此之外海上发射可避开固定发射场的天气影响,更可选在赤道上发射最大限度利用地球的自转,还省去发射同步轨道卫星时麻烦的削倾角变轨。
基于上述这些优点,楚阿克斯和他领导的Aerojet研发部门,在1962年公布了一款非常激进的火箭设计并将其命名为“海龙”(Sea Dragon)的火箭。这个庞然大物有150米长直径达23米,迄今为止人类造过的最大火箭土星五号和其比都相形见绌,海龙的运力更达到了惊人的566千米圆形轨道单次550吨,大约为土星五号的四倍。起飞重量约为18000吨的海龙火箭,到今天为止仍是有完整设计论证的所有火箭中质量和运力最大的。
和二战德国的拖拽式V-2类似,海龙火箭由船厂像建造潜艇一样水平建造,由于内部巨大的推进剂储罐为火箭提供浮力,火箭会浮在水面上由拖船拖拽至发射地点。采用和V-2一致只是更大的压载水舱立起,火箭一级点火把二级送出水面后,二级火箭外四个小引擎点火稳定火箭垂直上升,直到整个箭体脱离水面。
且和用完就扔的土星五号相比,海龙火箭的两级均为在引擎喷口外围安装充气气囊减速的可回收设计,一级火箭采用尖头液氧储罐减少降落时的风阻的同时还能嵌入二级引擎喷口节省空间,二级火箭则采用返回舱常用的钝头设计抵挡再入大气层时的热量。
在楚阿克斯上校眼里海龙火箭的工作理念和现在SpaceX的猎鹰9号颇为相似,第一级火箭发射回收后送岸翻修复用,只是海龙火箭的箭体直接坠入海中而不是降落驳船。和马斯克一样,楚阿克斯也认为大幅度增大火箭载荷只是锦上添花,复用火箭箭体才是降低发射成本的最重要因素。
不过和颇具前瞻性的理念和非常激进的发射方式不同,海龙火箭的引擎设计却是哪怕以1960年眼光看都是非常“复古”的。楚阿克斯的团队认为复杂的火箭引擎设计,比如燃气循环的涡轮泵乃至更复杂的分级燃烧循环,虽能提升引擎效率但也增加了许多额外的重量和可能的故障,对于海龙的大小来说得不偿失,与其串联大量引擎不如直接用量来解决质的问题。因此海龙火箭的两级引擎都采用简单的单引擎挤压循环,即通过气体挤压的方式把燃料和氧化剂“推”入燃烧室。值得一提的是虽然循环方式“复古”,但海龙火箭的挤压方式却不“复古”。
和现今挤压循环的引擎,比如SpaceX的Super Draco引擎采用惰性气体氦气为燃料和氧化剂加压不同,海龙引擎的第一级采用液化天然气及甲烷加压,这样加压气体本身也作为燃料进入燃烧室。另一边的液氧由于高挥发性,通过和燃烧室的热交换机把一部分氧气送回储罐便可完成持续加压。
二级火箭的液氢采用类似的热交换机自生增压方式,液氧则由储罐形状和火箭向前加速的惯性完成加压,更复杂的多次点火变轨等完全交由载荷自身来完成。二级火箭外用于维持出水时垂直姿态的辅助矢量控制引擎则采用传统的液氮加压液氧,液氢则直接取自二级储罐。
省去几乎所有效率的考虑单纯通过量堆叠提升推力的方式,让海龙火箭第一级的单引擎有接近36000吨的推力,为土星五号第一级所用F-1引擎的50倍,第二级单引擎推力约6400吨,为土星五号第二级所用J-2引擎的60倍。海龙火箭也因此被戏称为“巨大哑巴助推”(Big Dumb Booster),日后采用类似设计的火箭都以首字母简写BDB称呼。楚阿克斯和他的团队总共进行了上千页的论证研究,从引擎的设计到用潜艇用合金钢制作箭体,再到载荷计算甚至请船厂的专业人员来衡量建造的可行性,最终得出海龙看似荒谬的设计不仅以1960年代的技术完全可行,还可大幅度降低发射成本。
Aerojet最终预估计算入研发和发射成本,海龙火箭每公斤价格约为67美金,折合现在约每公斤575美金。这是非常吸引人的数据,SpaceX重型猎鹰的目标也才每公斤1411美金,现在猎鹰9每公斤预估在2000美金左右。既然数学计算都没有问题,为啥人类又接着陆地发射了半个多世纪的火箭呢?和2014年停止运作的海上发射公司类似,海龙火箭没能走出设计图并非是设计自身原因,而是设计论证基于的假设出了问题。
如果说对外在政治环境的错误估计是不可控力,那海龙火箭的论证团队则忽视了另一项可控的因素,燃料成本。海上发射虽然能省去辅助建筑,但也意味着没有存放燃料和氧化剂的大型储罐,水的导热率(0.6 W/mK)要远大于空气的导热率(0.025 W/mK),海龙火箭的液氧和液氢不能在码头加注不然拖到发射地就蒸发的差不多了,而液氢又不是容易运输的燃料,事实上世界上首艘液氢运输船是去年12月11日才由日本川崎重工下水的。换句线年代的科技唯一的解决方案便是在发射地电解海水生成液氢和液氧,耗时不说还极度耗能。楚阿克斯上校自己也承认海龙火箭若想发射,必须需要一艘核动力航母的辅助,因为只有核动力航母的核反应炉能提供足够的能量在合理的时间内完成液氢和液氧的生产。美国海军是否愿意不说,改造航母或者专门建造一艘用来生产液氢和液氧的核动力船只,其费用不会比发射场建造费用便宜多少。放弃燃料利用率而追求推力的设计小火箭极速助手下载安装,恰好成了海“龙”火箭的七寸。
讽刺的是继承海上发射理念的美俄合资的“海上发射公司”,也因为类似的外在和内在因素导致其终止了发射。美俄因克里米亚关系恶化让原本就在灰色地带的合资公司无法继续运转,石油钻井平台改装的海洋奥德赛号的使用维修费用同样不菲。没有采用海龙火箭的水中发射而是海上支架发射更让海上发射公司不仅失去了箭体的优势,还反倒限制了火箭的尺寸在近地轨道毫无优势,只能利用位置优势发射同步轨道商业卫星,且依然有6吨的天顶火箭运力上限。可以说哪怕没有一系列国际政治变化,海上发射公司也很难与拥有低纬度圭亚那发射场的欧洲航天局,和可回收火箭的SpaceX进行商业竞争。正如楚阿克斯上校所说,海龙火箭庞大的体积只是其二,回收重复利用才是降低价格的关键。
历经坎坷,几经转手的海射(Sea Launch)平台已经靠泊俄远东港口,但所谓靠港即凉凉,海射的未来不容乐观
“巨兽”从海中一跃出水的确很符合航天的浪漫主义情怀,但很可惜至少以现在的需求和航天发展来看这只能停留在科幻作品和人们的想象中,作为人类天马行空的想象力和亘古不变创新力的永久见证。