探索太空还在用火箭,是不长进?
(不同时期的阿波罗号的长相都差不多)
土星5号运载火箭(Saturn V),是美国国家航空航天局(NASA)在阿波罗计划和天空实验室两项空间计划中使用的多级可抛式液态燃料火箭。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?
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。
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。
大火箭的客观规律:为啥火箭没有变更大?
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。综上,美苏当时的技术已经甩开全世界好几条街,如果按这个速度让他俩再发展半个世纪,估计得脱离地球联邦玩单飞了。
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。
(航天飞机与土星五号火箭的合影)
核潜艇与海上移动平台:小打小闹的改进
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。当然用潜艇发射卫星也是迫不得已而为之,俄罗斯海军经费窘迫只能开源节流。从效费比上说,核潜艇发射卫星也有可取之处,不然这些弹道导弹到了年限也要报废处理。
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。不过天顶- 3SL运载火箭的有效载荷不大,同步轨道不到2吨,因此要发射更大的卫星就无法使用海上移动平台,但它的存在为一些小卫星发射提供了便捷通道。
(海基发射系统发射卫星。)
航天飞机:过于昂贵的奇迹
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,比如一颗长度为1米,质量接近1吨的卫星,平均单价不到300万美元。
结果,5架航天飞机机队总共才执行了100多次任务,每次发射需要大量的人力和物力准备,以奋进号为例,一次发射要花费5亿美元,与当初的设想相差太远。两次失事更是带来了沉重打击,自哥伦比亚航天飞机失事后,美国宇航局在执行一次航天飞机任务时还要准备另一架担任救援机,防止入轨后回不来的情况发生。如此种种因素,最终导致了它们黯然退役。
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。
航天飞机释放伽利略探测器与哈勃空间望远镜。图片来源:NASA
可重复使用火箭:商业航天的展望
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。更重要的是,自主降落的技术还能用于地外天体登陆,比如降落火星、月球,只要钱的问题解决后,大航天时代也就不远了。
不过可重复使用火箭也不是天顶星的技术,只是这几家私人公司利用成熟到烂大街的航天科技,加上先进的成本控制与管理方法,将卫星发射这个行业做到了极致。比如灰背隼-1D发动机就是登月舱上安装的着陆动力,上个世纪60年代的技术,2195铝锂合金和搅拌摩擦焊都是拿来就用,真正管用的还是技术积累到一定程度后的成本控制与管理能力。卫星发射技术的先进性不是小小的可重复使用火箭所能代表得了的,运载火箭这般古老技术照理说没有资格说话,真正大咖应该是空天飞机。
(SpaceX公司使用可重复使用火箭发射卫星)
空天飞机:遥远的理想
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。更先进的空天飞行器还能在入轨后进行行星际航行,想去火星去火星,想去月球去月球,妥妥的说走就走的旅行,具体可以参考《星际穿越》中的飞行器。
空天飞机由于飞行环境变化较大,因此其涉及到的技术更加繁杂,比如动力装置就是一大难啃的骨头。大气层内飞行需要使用吸气式发动机,轨道运行则要切换到火箭动力,要想让吸气式发动机提供25马赫的入轨速度,目前也仅是纸上谈兵。在空天飞机发展上仍然是美国人走在最前面,比如1980年代的国家空天飞机计划,最后由于概念过于先进而停止发展,但也基本掌握了空天飞行器的一些成果,比如超燃技术等。
(空天飞机可在任意一处机场起飞,加速入轨后可投放卫星等载荷。)
太空电梯:近未来科幻之梦
空天飞机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。早期的太空电梯设想来自俄罗斯航天专家齐奥尔可夫斯基,后来阿瑟克拉克在他的小说中将太空电梯进行推广,构思了一种停留在同步轨道上的航天器向下释放悬梯,人们可乘坐悬梯直接进入太空。太空电梯的研制仍然处于理论推进之中,最大的问题在于材料,日本一家公司正在攻克碳纳米技术,称将在今年2050年开建太空电梯,定点在赤道上空的静止轨道上,1公斤的卫星载荷只要200美元,比任何一种发射方式都要便宜。不过太空电梯仍然面临其他外界的因素制约,比如轨道碎片,如何避免意外撞击也是个棘手的问题。
(太空电梯提供了超低卫星入轨的费用,1公斤的卫星载荷只要200美元。)
超电磁炮:或许并不那么科学
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。磁悬浮助推发射的原理与磁悬浮列车类似,都由驱动电机和轨道构成,有研究人员通过计算得出,如果航天器的质量为500吨,利用现有的磁悬浮技术可将其加速至0.7倍音速;但是这样消耗的功率却相当大,如何获得强大的脉冲磁流发电机是该工程能否实现的难点。
(电磁技术目前主要用于小型载荷的远程投放,将其用于发射卫星不太合适。)
有了磁悬浮加速发射装置,那么建立在电磁加速原理上的电磁炮也曾被考虑由于卫星发射。目前电磁炮还仅限于发射小型炮弹。美国海军测试中的电磁炮可获得7马赫的初速度,射程数百公里,弹头重量仅为10公斤,因此要用电磁炮发射卫星不太现实。目前规格比较高的电磁炮电源能量达到200MJ,可发射20公斤的弹头,也是7马赫的出膛速度,射程为300多公里。如果要用电磁炮发射卫星需要功率更大的电源,技术上难以实现。更重要的是电磁炮发射时物体要承受极大的载荷,以10公斤的弹头为例,初速达到5至7马赫要承受数万个G,因此利用电磁炮发射卫星是不合适的。
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。这些构想中的方式甚至连非常规都算不上,迹近于异想天开但那就是另一篇文章的主题了。
西安火箭蛙信息技术有限公司介绍?
简介:西安火箭蛙信息技术有限公司成立于2014年07月18日,主要经营范围为一般经营项目:计算机软硬件开发、租赁、销售等。
法定代表人:高喜东
注册资本:50万人民币
联系方式:18991909335
地址:西安曲江新区寒窑路北侧曲江诸子阶第18幢1单元13层11302号房
西安火箭蛙信息技术有限公司怎么样?
简介:西安火箭蛙信息技术有限公司成立于2014年07月18日,主要经营范围为一般经营项目:计算机软硬件开发、租赁、销售等。
法定代表人:高喜东
成立时间:2014-07-18
注册资本:50万人民币
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企业类型:有限责任公司(法人独资)
公司地址:西安曲江新区寒窑路北侧曲江诸子阶第18幢1单元13层11302号房
你认为火箭发射成功对我国的意义是什么/
神舟八号飞船成功发射升空后的两天内,神舟八号与天宫一号两个重达8吨的“庞然大物”在距离地球350公里外的太空中实现完美对接。预计交会对接的时间是2日深夜至3日凌晨,届时飞船和天宫一号正飞行在我国甘肃、陕西上空。第一次成功交会对接后,由“天宫”和“神八”组成的“小家庭”将飞行12天左右,择机进行第二次交会对接。
先是对接机构解锁,两个飞行器分离,神舟八号飞船撤离至距天宫一号目标飞行器140米处停泊,进行第二次交会对接,再次构成组合体。
组合体继续飞行两天后,它们将不得不面临“分手”,两个飞行器再次分离,神舟八号飞船撤离至距天宫一号5公里外的安全距离,交会对接试验结束。
在中国的载人航天“三步走”计划中,中国最终要建设的是一个基本型空间站,它的规模不会超过现有的“和平号”或国际空间站。
基本型空间站大致包括一个核心舱、一架货运飞船、一架载人飞船和两个用于实验等功能的其他舱,总重量在100吨以下。其中的核心舱需长期有人驻守,能与各种实验舱、载人飞船和货运飞船对接。具备了20吨以上运载能力的火箭,才有资格发射核心舱。为此,我国在海南文昌新建继酒泉、太原、西昌之后的第四个航天发射场,主要承担地球同步轨道卫星、大质量极轨卫星、大吨位空间站和深空探测卫星等航天器的发射任务。同时,我国还在天津新建总装场。
不久之后,中国还将发射神舟九号以及搭载宇航员的神舟十号(“神八”与“神九”飞船都将没有航天员跟随上天,而神舟十号则载人),再与天宫一号对接,组装成一个能容纳三名宇航员工作和生活的空间站雏形。这将使中国成为继美、俄之后第三个掌握空间交会对接技术的国家。
近年来,国际社会对中国发射“天宫一号”给予了强烈关注。然而,由于各种原因,中国载人航天一直没有获邀参与国际空间站的合作。“天宫一号”如果能使交会对接技术获得突破,2020年的中国空间站将是独一无二的国际空间站。
那么中国为什么要耗费大量的人力和财力建造自己的空间站?
概括起来,科学意义、应用价值,都是吸引国家建立空间站的原因。预计我们的空间站建成以后,在很多领域都会展开实验,包括观天测地、利用微重力环境进行材料科学等实验。据我所知,许多行业的科学家已经提出了很多实验方案,有关部门正在精选。
我国航天事业的指导思想就是不模仿,将创新性和可行性结合起来。人类太空科学发展的历史已有五十多年,这期间真正推动科学发展的主要是欧美俄。我国虽然在七十年代就发射了卫星,但主要还是一些应用卫星,在科学探索方面还没有独特的成果,这与大国的地位是不相称的。以前局限于经济和技术水平,现在我们的经济足以为发展空间科学技术创造很好的条件。
国际空间站在酝酿建设过程中没邀请我们,这是原因之一。另外考虑自己的情况,一开始我们也没有开展载人航天的活动,也没有特殊技术。神舟飞船还只是实验性的飞船,只有空间交会对接技术得到圆满解决,我们的飞船才可以进行商业飞行,这样一来,飞船不仅可以和我们的空间实验室以及未来的空间站对接,如果需要合作,将来还可以和国际空间站对接。
如果我们的交会对接技术解决了,是可以考虑加入国际空间站的。当然,我们也要考虑到参加的条件,比如说我们租赁一个舱,可以租多长时间、体积多大、收费如何,是否参加,要综合考虑政治、经济以及各方面技术等因素。
中国的空间站预计在2020年到2022年之间建成。那时候在太空运行能够进行多学科实验的空间站,恐怕只有我们中国。由于科学实验有其连续性,其他国家的科学家想进行科学试验,只有和中国进行合作,如果有发达国家科学家参加,他们携带先进的科学设备,我们也会欢迎的。
所以,未来的空间站不光是中国开展多学科实验的平台,也可能会吸引多国的科学家参加,那就变成一个国际性的空间站了。这将是中国人引以为豪的一件事情。
但是在中国"神舟"八号载人宇宙飞船翱翔天空之际,我们必须冷静地看到:美国已经为在21世纪全面控制太空而加紧了步伐,谁能在21世纪控制太空,谁就能建立起真正不可动摇的全球霸权,未来的美国太空威慑将比其现行的核威慑更加危险。
因此太空的军事角逐已不可避免,而在这场激烈的竞争中,中国现在还没有迟到,问题在于如何掌握主动甚至超越美国。
所以我们要注意到在空间进行军事活动有以下优点:
(1)航天器在高空以极快的速度飞行,可以快速地观察地面情况,为军事行动提供可靠的信息;
(2)航天器的飞行不受国界的限制,可以飞到任何国家的上空进行观察;
(3)可以长期不断地进行军事行动。因此,在未来的战争中谁控制了空间,谁将控制世界。