这么多年了,探索太空为啥还在用火箭?

作者: 罗辑9527

来源: 果壳

发布日期: 2015-05-04

本文探讨了为什么在探索太空时仍然使用火箭,分析了运载火箭技术的发展历程及当前面临的挑战,包括技术瓶颈、成本问题和替代发射技术的探索。

自1920年左右罗伯特•戈达德提出液态火箭发动机理论后,人类文明的半只脚就迈进了航天时代;1944年,德军的V-2火箭刷新了纪录,抵达190公里的高度;1957年,苏联成功发射第一颗人造卫星,标志着航天时代正式来临。在此后的半个多世纪内,运载火箭技术有了极大发展,我们已经在轨道上完成第四代空间站的建造,探测器遍布太阳系各大天体。

在1960年代,运载火箭技术就出现了爆炸式发展,土星五号和N-1火箭都可认为是“暴力机器”,尤其是土星五号起飞质量3000吨以上,号称把一艘驱逐舰送上天。

但是,土星五号都快五十年了,怎么还没出现质的飞越呢?科幻里的什么反重力也就罢了,至少有些原理上靠谱的发射技术,这些技术现在都怎么样了呢?

简单地说,理想很丰满,现实很骨感;不是我军不给力,而是物理学太狡猾了呀。

在美苏航天竞赛结束后,运载火箭的对数期发展到头了,开始进入稳定期。目前世界上最强大的火箭要数德尔塔-4系列,近地轨道有效载荷在25吨左右,欧洲阿丽亚娜-5ECA和俄罗斯质子火箭都属于同一级别。在最近的数十年内,运载火箭都没有突破登月竞赛的规模,航天飞机的2000吨起飞质量足以鹤立鸡群。

这是因为近地轨道业务的拓展不需要如此强大的火箭,航天飞机就能胜任总质量400吨的国际空间站建造,而和平的规模就更小了,只有130吨左右,我国即将建造的空间站规模为60吨级。

再牛的事物也无法逃脱一样东西的制约,这就是客观规律。

美苏全力登月的背后需要大量的资金注入,阿波罗计划下的各种天顶星技术都是钱堆出来的,美国人花了250亿(1960年代币值)美元让阿姆斯特朗的左脚踩在月球上,开着一辆敞篷月球车兜风;而苏联人花了钱也没捞个名分,N-1火箭还创下了四射四炸的尴尬纪录,连发射塔都炸没了。

美国人赢得了登月竞赛,把运载火箭技术提高了近地轨道120吨的水平,此后全世界都消停了,近地轨道运载能力维持在20至25吨,够用就好,因为违背规律的发展无法长久。

登月之后的半个世纪,世界主要航天国家只干了两件事情:发达国家想把火箭发射的费用压低,前提是技术要进步;落后的国家则全力追赶,美国人在1960年代就能把一艘驱逐舰送上天,过了半个世纪怎么也得意思下吧。

于是有志向的国家就开始研发各自的运载火箭,而已经掌握火箭技术的国家则开始想办法降低发射费用,从商业发射中挣到钱。各种奇特的航天发射方法开始被提出,最有意思的要数潜艇平台发射。

1996年,俄罗斯海军开始了一项新的业务,核潜艇部队除了战略值班外,还要参与商业卫星发射,一枚SS-N-23潜射弹道导弹被改装成运载火箭,将一颗70公斤重的卫星送入400公里高度的轨道,这样不仅能节省维护费用,还让库存的300多枚潜射洲际弹道导弹有了发挥余热的机会。

与此类似的是海基发射系统,在抛弃冷战分歧后,俄罗斯人和美国人手牵手成立了海上发射公司,把发射架搬到海上。海上发射平台是一艘巨大的自航式驳船,领到发射任务后可航行到赤道附近的国际海域,统一使用俄罗斯制造天顶-3SL三级运载火箭发射卫星。赤道附近发射卫星,在相同推力条件下可增加有效载荷的质量,对于同步轨道的通信卫星而言,使用海上移动平台发射更廉价,费用会比陆基发射便宜一些。

为了进一步降低卫星发射的费用,美国宇航局在1970年代提出了航天飞机计划,可重复使用这个词开始进入公众的视野。航天飞机在设计之初是让进入轨道的货物单价更加便宜,一架航天飞机可重复使用100次左右。美国宇航局曾在1977年出版了一本空间运输系统的手册,其中提到航天飞机商业租凭价格为一架次2000万美元,这是1975年的报价。

如果考虑到航天飞机近24吨的商业载荷,几家卫星公司联合包租一架次,那么费用还是可以接受的。

但是航天飞机近30年的生涯中依然立下了汗马功劳。最著名的卫星发射任务要数1990年把哈勃空间望远镜送入轨道,还有后续的修复工作,要是没有航天飞机,哈勃的故障可能很难修复。1989年“阿特兰蒂斯”号还将伽利略探测器送入轨道,巨大的货舱让航天飞机可携带大型航天器进入轨道,为后续建设空间站做出了不可磨灭的贡献。

航天飞机、运载火箭其实都属于经典的航天发射平台,目前商业航天发射领域已经向可重复使用火箭迈进。航天飞机是可重复使用运载器,但是价格昂贵,而运载火箭为一次性产品,用完就丢,研发一种可重复使用的火箭就能达到又便宜又好用的目的。

SpaceX公司就是这个行业的领跑者,其开发的猎鹰系列可重复使用火箭能让发动机自动返回,然后再次利用,目前世界上主流运载火箭发射单价普遍在5000万美元以上,如果发动机重复利用后,发射卫星的费用就接近白菜价了。

空天飞机顾名思义是一种飞机,不仅能在“空”的高度飞,还能在“天”的领域翱翔,因此空天飞机的基本要素就是能水平起降、单级入轨。在世界上任何一处机场起飞,爬高后加速直接进入近地轨道,在短时间内将卫星等航天器送入轨道,具有准备时间短、成本低的特点。

太空电梯是许多科幻片基本元素,直接进入轨道能够开展各种空间作业,当然还有许多未曾推广的技术也可以用于卫星发射,比如太空电梯。在最新的科幻片《木星上行》上就有直接通往轨道的大型建筑,可从地面直接进入轨道,如果用这种方式发射卫星,那么成本就更低了。

还有一种设想中的发射卫星的方法是磁悬浮助推发射,利用磁悬浮轨道技术对航天器进行初段加速,然后航天器启动发动机,这样可大大降低起飞时的能量消耗,同时能够提升载荷的携带量。

本文看起来似乎都是在泼冷水——但这些都是我们现实中面临的真正困境。如果某一天某一项困难得到了突破,那么我们的航天飞行技术也许就能够迎来下一次飞越;不过同样可能的是,下一次飞越将诞生于那些脑洞更大、距离现实更加遥远的推进方式之中。

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