仰望星空,星辰大海 -- 火箭篇
自人类第一次凝望星空,那道划破夜幕的微光,便在心底埋下了永恒的火种。上古神话里的日月星辰,《山海经》中的奇境异兽,谁能断言那不是残留的星际记忆?亚特兰蒂斯的沉没,玛雅文明的消逝,谁又敢断定他们是否去往了星河彼岸?
人类的征途,从未止步于脚下这片大地。我们走出非洲,跨越高山,扬帆远洋,遍布每一片大陆、每一座岛屿。陆地的边界止不住人类探索的野心,星球的边界也不能。如今,属于人类的宇宙大航海时代,已然来临。我们终将挣脱地球的怀抱,奔向月球,奔向火星,奔向未知的深空,一往无前。
早期宇宙探索
1903 年,科学家齐奥尔科夫斯基,首次提出火箭推进原理与多级火箭构想,为人类叩开星际之门绘下第一张蓝图。
1926 年,物理学家戈达德成功发射人类首枚液体燃料火箭,让星际航行从幻想迈出了现实的第一步。
1942 年,V2 弹道导弹划破天际,成为人类首枚抵达太空边缘的飞行器,也正是现代运载火箭的真正开端。
1957 年,第一颗人造卫星送入轨道,人类终于在无垠宇宙中,留下了属于自己的文明印记。
1961 年,加加林乘坐飞船冲入太空,人类首次挣脱大地束缚,真正实现了离开地球的千年梦想。
1969 年,阿姆斯特朗踏上月球,让地球生命首次在另一颗星球上留下足迹。“个人一小步,人类一大步”。随后的 1969 至 1972 年间,先后 6 次登月任务、12 名宇航员,将人类的勇气刻在月面之上。
1971 年,建成人类首座空间站,我们在遥远太空,终于拥有了一个 “家”。
1976 年,离开地月系,进入太阳系。海盗号探测器成功登陆火星,把人类目光投向了这颗神秘的红色星球。
1977 年,旅行者号探测器启程远航,带着地球文明的问候,携着《高山流水》的东方旋律,向着宇宙深处一往无前。2012 年,它终于离开太阳系,进入星际空间。它在星辰大海中孤独而坚定地遨游,成为人类送往宇宙的永恒 “歌者”。
火箭
火箭,是这个时代的巨舰。或许在几百年后的后人眼中,它们只是粗陋的独木舟。但此刻,我们就要乘着这一艘艘 “独木舟”,向着星海启航!
就是这个“独木舟”,在可回收,大运力,材料等方面正在不断进步。
可回收
我们都听过航天飞机,这是人类首个大规模复用系统,轨道器可重复使用,但助推器仅伞降回收、燃料箱一次性,整体复用率低、维护成本极高,最终退役。
回收有很多技术路线:垂直起落,海上网系回收,伞降,有翼水平回收,筷子夹。基本上顾名思义就能知道回收方式。
其中垂直起落回收已经成为主流,并且非常成熟。SpaceX 的猎鹰,蓝色起源,以及中国现在用的都是这种技术。
而 SpaceX 的星舰采用的是筷子夹的捕获方式:由发射塔悬臂 / 专用飞机在空中直接捕获,省去着陆过程。这一回收方式有着非常大的好处:无着陆冲击,发动机损伤最小,周转极快(不需要捕捞了),运力损失最小。但对精度控制,工程要求也是极高。这种回收方式相当于:手上的一根筷子,飞出去绕着东方明珠塔转一圈,再飞回到你的手上,就是这样的精度。
随着回收技术的成熟,很快我们可以实现火箭全部复用,回收周转小于 24 小时(高频化复用)。到时候发射火箭就跟开飞机一样,成本只是燃料,还可以航班化运营。
大运力
从下面的表格来看,星舰无论从时间,运力,还是复用性上,都是断档式遥遥领先。
黑科技
火箭的制造材料主要有两个要求:一要轻,最大化载货重量;二要耐高温高压,耐低温。现在铝锂合金和碳纤维复合材料(CFRP)是主流。星舰用的是不锈钢,成本低( 3 美元 /kg,是碳纤维的 1/100),熔点高(1400℃)。它的重量不轻,所以星舰通过大尺寸设计,来弥补重量劣势。
火箭零配件大多是非标,工厂开模成本很高,所以现在很多火箭部件都是用的 3D 打印。3D 打印在火箭制造领域已经广泛应用,它可以一体化成型、自由设计复杂的结构、可以快速迭代,彻底重构了火箭从研发到量产的全流程。
自修复材料:嵌入微胶囊 / 形状记忆合金,可以自主检测并修复微裂纹、分层、烧蚀等损伤。
空基发射 ALTO(Air Launch To Orbit): 用大型飞机(母机)把火箭带到高空,在高空释放然后点火。因为高空空气稀薄,阻力小,所以这样的发射更节约燃料。飞机可以飞来飞去,不用固定的发射场,更加机动灵活,想在哪里发,就在哪里发。飞机飞在平流层,避免了天气干扰。好处不少,但是难度也不小,所有探索这种发射方式的公司都倒闭了,比如维珍轨道(Virgin Orbit)。
火箭发射公司
最后,按照惯例,介绍几家火箭发射公司: $Rocket Lab USA, Inc.(RKLB)$ , $Firefly Aerospace Inc.(FLY)$,Astra Space(已私有化). 后面的文章我会一一详细介绍。
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