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疯子or天才?伊隆·马斯克和他的SpaceX原创

2018-02-07 09:20:54 来源: PCauto 作者:陈胜博
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  【太平洋汽车网 特别策划】2018年2月6日美国东部时区下午3点45分,北京时间为2月7日凌晨4点45分,汽车工业史、乃至全人类宇宙探索史都将记下这一时刻——伊隆·马斯克的爱车特斯拉Roadster跑车在SpaceX重型猎鹰(Falcon Heavy)火箭的助推下,成为了人类史上首台进入外层宇宙空间、突破第一宇宙速度、并进入了地球至火星日心转移轨道(Mars Transfer Heliocentric Orbit)、向地球以外的另一个行星奔去的民用汽车。

  此外,这也标志在半个多世纪后,人类重新拥有了超重型运载火箭SHLLV。只有拥有足够强大的火箭,人类离开地球踏上遥远星球,征服星辰大海的目标才有可能实现。而上述这一切,竟然是由一家私人航天企业——SpaceX来完成的!

疯子or天才?伊隆·马斯克和他的SpaceX

  我不知道有没有人对马斯克说过:“你的特斯拉这么diao,那咋不上天呢?”

  如果有,马斯克此时可以理直气壮地说:“没错,我的特斯拉就是能上天。”

  而且,这个“天”还是狭义上的:特指航天事业中的大气层外层空间。

 重型猎鹰火箭成功发射视频回顾,同时用现场录像和CG动画直观展示,可见这次不单达到了马斯克最低的成功要求“不爆炸”,而且还成功回收两枚1级助推火箭,基本完美达成目标。

别家车企吹航空技术 特斯拉吹火星宇航技术

  如果你是资深萨博车迷,你一定记得当年萨博的电视广告总会有萨博航空集团的JAS-39“鹰狮”战机。虽说实际开起来和生产过程中的萨博汽车和JAS-39鹰狮战机大概没多少关系,但是那种“战斗机气息”给车主打的精神鸡血才是至关重要的。尽管如今鹰狮还在翱翔、甚至能与歼11A过招,萨博汽车却已仙逝。

  不过这种精神鸡血还在延续,宝马车迷会告诉你BMW造过飞机发动机的、保时捷车迷会告诉你Porsche造过坦克、“本田大法”还造出了用喷气飞机Honda Jet,至于通用——那就更厉害了,当年阿波罗登月计划搭载的月球车就出自通用之手,那大概才是离地球最远的载人车辆——当然,这不是量产民用车,而且只有数百公里的一次性续航里程。

精神鸡血 萨博集团能造战斗机(左上);本田有“洪大姐(Honda Jet,右上)”;保时捷车迷都知道创始人是搞坦克出生的(虎式坦克,右下);通用汽车甚至造过月球车(左下)。虽然很少人能说得出厂商如此“不务正业”对造车有啥帮助,但这精神鸡血是每一位品牌车迷都愿意津津乐道的。

  如今,马斯克用自家的火箭,把自己名下的一台红色特斯拉Roadster跑车打进了MTO火星转移轨道(Mars Transfer Orbit)。马斯克觉得这台红色的跑车和红色的火星非常般配,所以成为了重型猎鹰火箭的第一个载重物。也许你会认为这是毫无意义浪费资源的作秀行为,但不得不承认这逼装得实在突破天际,让马斯克装上二十年也无压力。

送特斯拉上火星的重型猎鹰是当前地表最强火箭

  能把汽车和太空事业如此紧密联系在一起的,地球上大概只有马斯克做到了。一头运营着特斯拉公司玩新能源车、一头运营着SpaceX玩宇航运载火箭,这两个看似没什么关联的行业马斯克却一起做得风生水起。也得已让本文作者我这个宇宙学爱好者终于有机会可以名正言顺地在汽车网网站发宇航火箭的文章而不会被冠以不务正业之名。也正是因为马斯克,许多车迷也开始或多或少听说过马斯克的SpaceX和他的猎鹰火箭。那么这次的重型猎鹰火箭究竟有多厉害,让我为各位慢慢道来。

  时间回溯至1969年,此时正值美苏争霸巅峰时期,而两超级大国的一大竞争方式就是太空竞赛。苏维埃社会主义联盟共和国,简称苏联或USSR,先后将人类首个卫星和太空人送上了宇宙,把自认为是人类的希望和救星的美帝打脸打得啪啪响。咽不下这口气的美国,发起了至今都让人觉得无比疯狂的计划——阿波罗载人登月计划!而就在当年,美国太空总署NASA用人类至今历史上最为巨大的火箭土星5号(Saturn V),将载人登月舱打上了LTO(Lunar Transfer Orbit),即月球转移轨道,完成了人类首次登上另一个星球的壮举。

土星5号 1969年阿波罗登月计划的土星5号是人类历史上最强的火箭,LEO运载力达到135吨,相比之下如今的重型猎鹰也不过60多吨。但土星5号以今天货币价值计算单次发射成本超过10亿美,相比之下重型猎鹰的单发成本不过9000万美元。

  土星5号的运载力即使在近60年后的今天看来也强大得匪夷所思。其LEO(Low Earth Orbit,即近地球轨道)运载力达到了恐怖地135吨,LTO运载力达48.6吨!没什么概念?那就对比一下近60年后的当今NASA最强火箭德尔塔4号(Delta IV)区区不到29吨的LEO运载力,不及土星5号四分之一,你就能明白近60年前的技术制造出土星5号是一件如同开挂的事情。难怪许多人至今还认为阿波罗计划是场骗局(当然这是无稽之谈了,阿波罗计划砸的钱也不是现在显得穷酸的NASA可以想象的)。

  LEO运载力超过50吨的火箭,称之为Super Heavy-lift Launch Vehicle,即超重型运载火箭,简称SHLLV。在重型猎鹰之前,人类历史上只有两种火箭可以称之为SHLLV,一种就是土星5号,一种是1980年代苏联制造的LEO运载力100吨的能源号火箭,两种火箭都已退出历史舞台。可以说,人类已经很长时间没有SHLLV,仅凭现有火箭不到10吨的MTO火星轨道运载力是无法实现进一步宇宙探索的雄心壮志。直到如今SpaceX的重型猎鹰问世,奔向火星的可能性再次出现。

重型猎鹰火箭 虽然“仅仅只有”土星5号一半的运载力,重型猎鹰仍然是目前地表最强运载火箭,也是目前唯一的SHLLV超重型运载火箭。而且它的单次发射成本甚至比LEO运载力只有29吨的美国NASA德尔塔4号火箭更低。

  重型猎鹰的LEO运载力达到63.8吨,虽然比之土星五号这样变态的存在还是弱一些,但已经达到了SHLLV的标准。也是目前全人类唯一一种可运行SHLLV。重型猎鹰的MTO火星转移轨道运载力为16.8吨,已经在理论上具备把载人太空船送往火星轨道的能力。一家私人公司能造出如此强大的火箭也绝对是一件壮举了。那么多国家举国之力都弄不出的SHLLV,重型猎鹰是如何做到的?

  首先真是要感谢汽车工业很常见的模块化概念。重型猎鹰就是模块化火箭。它并不是一种全新的火箭,而是利用SpaceX已经研制成功并进行过多次成功发射的猎鹰9系列火箭发展而来。它的外形和猎鹰9区别不大,箭身长度甚至一样都是70米。眼尖的甚至一眼能看出,重型猎鹰就是用了3截1级火箭的猎鹰9号火箭。

Falco Heavy 仅凭外观就可以看出,重型猎鹰火箭实则就是增加两个猎鹰9号1级火箭的模块化产物。各方面参数都都正好是猎鹰9号的三倍。不过图中数据是SpaceX在2016年给出的,一路延期到现在成本已经是当初的8500万到9000万美元,但运载力也相应提升,LEO运载力由53吨提升到63.8吨。

  所以,从数字上我们也毫不意外地看到:重型猎鹰有3个1级火箭单元,正好是猎鹰9号的3倍;重型猎鹰有27个隼式(Merlin)1D发动机,正好是猎鹰9号的3倍;重型猎鹰的地表推力为22819kN、真空推力为24681kN,都正好是猎鹰9号的3倍;重型猎鹰的LEO运载力是63.8吨,正好……哦不,略低于猎鹰9号22.8吨LEO运载力的3倍。这是因为火箭重量的上升,使得推力和载重力无法成正比提升,这也是化学火箭的极限所在。

  靠这种看似简单粗暴实则还是颇考验模块化技术含量的方法,猎鹰系列火箭成功晋级超重型火箭SHLLV行列。

世界主要运载火箭一览
国家/机构火箭名称最大LEO运载力当前状态
美国/SpaceX重型猎鹰/Falcon Heavy63.8吨在役
美国/SpaceX猎鹰9号/Falcon 922.8吨在役
美国/NASA德尔塔4号/Delta IV28.8吨在役
中国/国家航天局长征3号乙13吨在役
中国/国家航天局长征5号25吨在役
欧洲/欧洲宇航局ESA阿丽亚娜5号/Ariane 520吨在役
俄罗斯/俄罗斯航天局RKA质子号/Proton22.8吨在役
日本/JAXAH-IIA15吨在役
印度/ISROPSLV3.8吨在役
美国/NASA土星5号135吨退役
特斯拉Roadster成为漂浮深空10亿年的太空垃圾

  说实话看到这次被马斯克丢进太空的特斯拉跑车是让我有点失望的。我还以为马斯克真拿出了最新的号称轮上扭矩1万N·m、2秒内破百、2020年才能交货如今已经当期货开卖的全新Roadster电动超跑。实际上市2008年发布的上一代Roadster。看来马斯克考虑到“炸箭”的可能,还是舍不得用最新的产品。关于这款老车,我们已经有过详细介绍,这里不再重新阐述。

Tesla Roadster 送上火星转移轨道的特斯拉是一台老款Roadster,早在2008年推出。不是此前猜测的最新一代Roadster。

Tesla Roadster

Tesla Roadster 这才是最近推出的那台0-96km/h只需1.9秒的全新特斯拉Roadster。虽然已经开卖,但实际是2020年才能交付的期货。

  SpaceX声称这次用于给首枚重型猎鹰试验火箭作为试验运载物的Roadster确实是送进了MTO(即火星转移轨道)或TMI(Transfer-Mars Injection,即转移火星推进)。也就是说这台Roadster已经突破第二宇宙速度、脱离地球引力,将在茫茫宇宙中朝着火星的方向飞去。但实际上,它永远也无法到达火星,而只是一个日心轨道(Heliocentric Orbit)运作的太空垃圾。没错,一台汽车在太空里什么都做不了,无法进行科研探测,跟一块废铁其实差别不大。

Spaceman 与特斯拉一起被送上太空的还有车上这位“Starman”,它将“驾驶着”这台跑车奔向火星。当然了这只是个假人,动物保护协会莫惊慌,重型猎鹰发射过程中没有人类和动物遭到伤害(:

  实际上,要从地球发射航天器进入火星轨道,光光只是进入MTO是没用的。进入MTO的航天器可以使用两种转移轨道:一种称之为霍曼转移轨道(Hohmann Transfer Orbit),是目前主流的火星探测器使用的轨道;另一种称之为双椭圆转移轨道(Bi-Elliptic Orbit)。无论用那种转移轨道,都需要航天器进行变轨机动才能成功进入火星轨道。一台在太空中漂浮的特斯拉Roadster当然是动弹不得的,更别谈变轨了。

MTO 此为火星转移轨道示意图。马斯克的Roadster就是送上了图中虚线的霍曼转移轨道。简单来说就是一条与地球和火星公转轨道重合的日心椭圆轨道。但要进入火星轨道或登陆火星,航天器除了进入MTO还需要有变轨能力,这是一台特斯拉根本做不到的。所以这台特斯拉其实只是成为了MTO轨道上的一个太空垃圾。

  所以,也正如马斯克所说,他这台心爱(还是狠心抛弃?)的Roadster将在宇宙中漫无目的漂泊上十亿年。有人质疑马斯克为何不发送点有用的科学器材造福人类而是干这么无聊的事情。比如说中国航天局的重型火箭长征5号首次试射就搭载了霍尔推力器,也就是传说的“电推”。可见中国航天局的目标是高于SpaceX的。

特斯拉轨道 严格来说,特斯拉跑车最后没有成功变轨进入MTO轨道,而是差不多跑到小行星带去了。这样的轨道能飞掠火星也得等几亿年吧。因此严格意义来说此次试射还没有100%成功。

  不过考虑到马斯克是名商人,他的一堆梦想没有钱是实现不了的。重型猎鹰首次试射的钱都是SpaceX自己掏的,因此不会再冒更多风险搭载一些昂贵的科学载重设施。把一台老旧的特斯拉打上天也不失为一个相对低成本的试验载重物,而且也给急需现金流的特斯拉公司打了一个宇宙级的超级广告,这一点来说,无疑体现了马斯克作为成功商人的精明头脑。

Tesla Roadster 这台红色特斯拉Roadster最多飞掠火星,却永远无法进入火星轨道,只能成为一个漂浮上十亿年的太空垃圾。然而此举为特斯拉带来的宣传效益是无法估量的。

  到此,我想你们的兴趣应该早不在特斯拉上,而是想知道马斯克这个狂人究竟是凭借过人的能力去打造出SpaceX这样的地表最强私人太空公司、并让SpaceX打造出连把人类送上月球的NASA如今都造不出来的地表最强运载火箭。我们接着把马斯克和SpaceX的故事继续说下去。

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