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火箭复用的极限在哪里?(下)


前文介绍了可重复使用是火箭发展的必然趋势,以及实现可重复使用这一目标的技术途径,下面我们来聊聊运载火箭重复使用的极限到底在哪里。

可重复使用飞行器的寿命如何度量

在讨论可重复使用运载火箭的重复使用次数极限,也就是寿命极限之前,我们首先需要了解可重复使用运载火箭寿命的影响因素。根据影响因素的不同,可重复使用运载火箭的寿命可以分为设计寿命、经济寿命和技术寿命3种。

经济寿命远远大于设计寿命,技术寿命和经济寿命则取决于二者各自的成本,通常是成本高的一方让位于成本低的一方。

设计寿命是指可重复使用运载火箭从全新状态开始使用直到主要设备故障,不能发射使用所经历的时间。比如着陆支架冲击失效、箭体老化开裂、发动机冷却管道结焦超标、涡轮泵疲劳开裂等等,都将使得运载火箭不再能够使用。

陈列在加州霍桑本部的“猎鹰9号”首枚回收芯级

技术寿命是指可重复使用运载火箭开始使用到因技术落后而被淘汰所经历的时间。技术进步将会引起原有火箭型号使用时间缩短而提前退役,比如新的火箭由于采用某些技术革新,单发运载能力更高,可以获得更高的市场收益,那么旧型号火箭的寿命自然缩短。

就拿猎鹰9号运载火箭来说吧,其按照技术迭代目前可以分为3代,代号分别为v1.0、v1.1和v1.2。v1.2还可细分为Block3~5三个版本。

从v1.1开始,太空探索技术公司进行了一级垂直回收试验,并在v1.2 Block3的F21和F23分别取得首次陆上、海上回收成功。而F55是v1.2 Block5构型的首飞,一子级从编号B1046开始。Block5之前的版本,即使取得了可重复使用能力,也从来没有使用超过两次的记录,它们已经因为技术落后自然淘汰,结束了其技术寿命。

2015 年12 月21 日,猎鹰9 火箭实现第一级软着陆

经济寿命是指可重复使用运载火箭最经济的使用期限,即其使用期限是基于使用成本最低或经济效益最高的评价标准而决定的。

可重复使用运载火箭随着使用次数的增加,其主要部件的性能将逐渐退化,在其寿命的末期,因检修到的故障频繁而引起的维修费用急剧增加。可重复使用运载火箭投入使用之后,使用的时间越长,每年分摊的建造成本越少,每次的保养和操作费用却越多。在最适宜的使用次数内火箭平均每次的发射费用最低,这就是经济寿命。

在厂房中进行翻修检查的B1051.7 助推器

如果只是突破了可重复使用技术,但经济方面不合算的话,将难以长久实现应用。例如航天飞机,虽然技术先进,但每次回收之后的维修发射成本大大超出预期。最初预计仅有3000多万美元,但实际成本达到4亿~5亿美元,这成为航天飞机难以维持的重要原因。

目前所讨论的猎鹰9号运载火箭重复使用次数极限,主要是由其经济寿命决定的。

可重复使用火箭寿命极限的探索

要掌握一种运输工具精确可信的经济寿命,就必须进行大样本量的统计,建立精确的预测模型。这样,生产厂家才能确定使用多少次后需要进行保养,多少次后需要大修,多少次后应该报废,就像我们熟知的轿车一样。

其实飞机也是一样。例如空客320飞行600小时需要进行一次A检,飞行18个月就要进行一次大费周章的C检,基本上要全部拆开检查,修理时长可能长达20~60天。

空客飞机进行A检

而目前猎鹰9号运载火箭尚未达到这样的样本水平。对于其经济寿命极限,太空探索技术公司还在不断的探索当中。尽管马斯克曾经声称,猎鹰9号火箭回收10次以内,可以不经维护直接重新加注推进剂使用,就像其第一枚成功回收的助推器那样。但从实际的同一助推器复用时间间隔来看,目前最短间隔时间38天,最长619天,平均值167天,连1个月内复用的情况都尚未出现,这说明太空探索技术公司在利用这段时间对回收的助推器进行深入的检查和测试。

只有尽可能详细地了解各个部件的性能退化情况,才能更快地建立精确的寿命模型和操作规范。一种经济的重复使用火箭,必然不是每次飞回来之后都要大卸八块,对每个部分都进行仔细检查,有些许瑕疵就不敢再次使用。

2020年2月初,太空探索技术公司的一位工程师透露,他们已经成立了类似于民航客机检修的箭体翻新小组。在翻新过程中,需要检查连接部位和焊缝,并确保所有的航电设备都工作正常。目前检修工作要求非常细致,耗时需要1个月,团队还在实践中摸索。这说明真正意义上的快速检测、复用仍处于研究与试验中。

2020年3月18日,第6批星链组网卫星发射,首次使用了五手一级箭体,但在一级飞行末段,外围的1台发动机发生故障,一级回收也出现问题未能够成功着船。在发射前夕,总裁兼首席运营官肖特维尔表示,公司不再对猎鹰9号火箭一级进行设计改进,同时不打算复用一级超过10次以上。

猎鹰9 号火箭回收失败,一级落入海中

这样看来,如果太空探索技术公司不再对猎鹰9号火箭一级进行技术升级,可能它的重复使用极限就会被限制到10次了。

我们知道,猎鹰9号火箭之所以能够获得重复使用上的突破,很大程度上在于太空探索技术公司需要用这一杀手锏大幅压低发射成本,进而获得商业卫星发射市场上的绝对优势。可以料想,如果有新的对手出现,在强有力的竞争下,重复使用火箭技术将继续获得推动,其寿命极限也将得以继续提高。(全文完)

文/ 李宇飞
编辑/ 王立莉
审核/ 杨建 杨蕾 
监制/ 索阿娣


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