马斯克头疼了:星舰发动机并非崩坏,而是工作不稳定!这下麻烦大了

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马斯克头疼了:星舰发动机并非崩坏,而是工作不稳定!这下麻烦大了

2023-04-25 08:43| 来源: 网络整理| 查看: 265

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保守估计,全世界至少也有数百万人见证了马斯克的星舰凌空爆炸,并且现场还是一片欢呼声,很多网友都留言,这马斯克的发射团队到底怎么了,为什么爆炸了还一片欢呼?

另一个问题则是爆炸的原因,直播过程中不断有发动机关机!发射后公布了发射台的照片,由于没有导流槽设计,发射台底部的水泥地被刨出一个大坑,附近大量车辆与摄像机被碎片摧毁,会不会是碎片把发动机崩坏了?

发射过程:谜一般的设计,谜一般的爆炸

种花家第一眼看到发射现场时直接就惊呆了,只有一个发射台却没有常见火箭发射的导流槽,比如NASA航天飞机发射时导流槽中会喷入大量的水,其作用是降温避免烧坏导流槽,而导流槽的用途是将火箭的高温燃气导向设计方向,避免其损坏发射台甚至反冲损坏发动机。

另一个加注的燃料罐距离火箭发射台也太近了,据网上公布的资料,两者相距据估算只有60米,要是星舰倾倒砸下来,不仅星舰毁了,而且现场加注的燃料罐也全部被摧毁,实在不太合理。

发射:果然出问题了,地面刨了个坑,附近汽车都遭殃

这些小瑕疵并没有影响大家看星舰发射的热情,毕竟大部分朋友都不是特别了解发射场的危险性。虽然4月17日的阀门冻结让大家大失所望,但4月20日这次在倒计时结束后延时后依然准备发射让现场欢呼雀跃。

星舰的起飞实在是太壮观了,有人说就像核弹爆炸现场,现场的朋友应该有这个感觉,种花家看的直播是远景并且是“上帝视角”,这个感觉就差了很多,不过如下动图依然可以让各位感受下它的澎湃动力:

上图应该是发射场千米以外的汽车,被一块从星舰发射现场气浪带走的“石块”把车玻璃直接给干碎了,另据现场其他一些照片情况来看,这个问题还挺严重。

不过星舰还是从发射台上徐徐起飞了,随着“33台”发动机发出的嘶吼声,星舰越来越快,让人感到很不错的是NSF的现场直播左下侧居然还有发动机工作台数的实时显示,随着星舰飞得越来越快,发动机一台台“熄灭”,到2分35秒以后,星舰的姿态就不对了,似乎正绕着某个质心“公转”。

此后姿态完全失控,整枚火箭开始低频度摇摆直至“转圈”,最后在3分58秒时星舰爆炸了,一个快速扩散的火球在天空崩裂开来,不久后再次发生了爆炸,星舰终止在了发射后大约4分钟左右,高度约为39千米。

直播的图像不是很清晰,看不到发动机详细的工况,4月21日,网上出现了Cosmic Perspedtive长焦相机光学跟踪拍摄的高清视频,终于看清了发动机的“工况”,此时已经有5台发动机停机。

然而情况并没有停止恶化,还有发动机工作不稳定,不过此后镜头切回远景,已经看不清细节,但很快就在底部的一侧出现强大的火光,继而发生了大爆炸,据SpaceX官方的说法是在控制下自毁了,而坊间传闻可能是发动机严重故障导致爆炸,就目前而言,官方说法仍然是可信的,但仍然不能排除故障导致爆炸的说法。

既然星舰发动机并非崩坏,那么到底是什么原因?

星舰发射失败,几乎就是意料中的事情,因为马斯克就说过,没有炸在发射台上就是胜利,而事实上做到了,这也是工作人员鼓掌的原因!星舰艰难的爬升到39千米高空才炸,此时已经在墨西哥湾,发射前已经清空航道以及经过的海域,不会造成太大的影响。

不过种花家相信马斯克还是希望成功的,尽管这次星舰发射并不入轨,即使成功其最终的落点也在太平洋某处,因为这本来就不是一次入轨任务,也没打算回收二级,不过一级如果分离成功的话还是打算回收的。

星舰失败:到底是什么原因?

关于星舰发动机失败的问题,很多朋友都很好奇,有好事的朋友已经算过了,33台发动机,最终正常工作27台,那么单台火箭的成功率:x^33=27/33,用计算器算一下得出:单台温箭发动机的可靠性为99.39%。

虽然有朋友指出这个算法太暴力粗糙,应该用概率论的二项分布计算,不过如果是粗略估计的话也差不多可以用了,单台可靠性99.39%,这个已经相当高了,虽然算法告诉我们,坏55台在这个可靠性范围,但大家依然喜欢自己的思维去理解。

此后不久,星舰发射现场的照片开始传出来,因为星舰起飞的动静实在是太大了,大家都想看看发射台究竟是什么情况,起初出现的是一张航拍照,可以看到发射台已经受损相当严重,而且发射台底部的水泥似乎都被刨去了一层,难怪发射现场飞沙走石,原来还真是水泥块,太危险了!

底部的水泥地面已经消失不见,只留下了“烂泥地”,发射台是一个类似大圆桌的钢架结构(很像钢筋水泥结构,但它真的是钢结构),但此后公布的照片更加惊人,因为发射台底部简直像开挖了地基:

看来这个推力6000多吨的巨物起飞对地面的破坏力实在是太大了,所以马斯克在发射后发推特表示,这个导流槽还是要考虑一下,要不然每次都把周围几百米的资产都给破坏了实在不合适。

但有更多的朋友却把星舰的发动机故障和水泥地面被刨掉联系了起来,因为强大的火焰直达地面后会反冲到发动机,并且被高速火焰激起的水泥块也可能反弹至发动机,从而导致发动机管路甚至喷口损坏,这可能是导致大量发动机受损的主要原因。

星舰发射时乱飞的“水泥碎块”

如果是这样的话,马斯克可能真要肠子都悔青了,好消息则是下次增加导流槽后成功率可能会大幅增加,也算是不幸事故中的利好消息!不过在NSF论坛的L2却指出,目前的调查表明,并没有证据表明有发动机因为起飞时被水泥碎块撞击而损毁。

这既是个好消息又是个坏消息,好消息是马斯克肠子不用悔青了,坏消息是星舰得归零重来,因为接下来的事故原因可能就复杂了,因为火箭发动机堆砌在一起想要正常工作的工况完全不是SpaceX的工程师预计的,可能要更恶劣一些。

注意,这只是29台发动机的B-4

因为发动机并联后振动会互相影响,气流也会互相影响,甚至热管理都需要一整套系统来管理,可能是振动耦合导致,可能是发动机控制系统等等,估计又是一个遥遥无期的事情。

另一个则是从视频分析来看,目前主流的观点是液压系统可能提早失效,导致了姿态控制失败,这可能是螺旋回转的主要原因,而则可能也是导致一二级无法及时分离的重要原因,本来在0千米高度就是一级分离的阶段。

并且也可以控制提早分离,因为一级已经失效,但二级尚未点火。此时的一级如果提早分离,不仅可能可以挽救星舰,并且还有可能完成任务,因为这次本来就不是一个入轨任务,一级故障,如果二级成功了也算是一次伟大的进步。

但最终姿态失控、一二级无法分离、凌空爆炸,这不由得让大家想起了前苏联的N1巨型登月火箭,不得不怀疑这马斯克的大火箭真的靠谱吗?

二十一世纪的N1发动机:到底有没有出路?

星舰是一种近地轨道运载能力达到150吨级的“怪物”,其设计理念是全回收,一级脱离后可以返回着陆地回收,而二级入轨后可以再入大气层最后垂直降落,这是大家认为马斯克的技术超越地球30年的重要原因。

另一个也是被大家所诟病,因为这种近地轨道载荷150吨的怪物的一级发动机居然是33台猛禽发动机并联在一起,二级火箭则是三台猛禽发动机,最大起飞重量达到了4927吨,其中星舰装载量1095吨,超重型火箭装载量3832吨!

猛禽发动机单台台推力可达230吨力,超重型火箭配置33台第二代猛禽发动机总起飞推力峰值高达7590吨,如果用于消耗型发射的话,其近地轨道载荷可达250吨。

这种小型发动机并联成大推力模式的火箭和当年的前苏联N1火箭如出一辙,N1是前苏联的登月火箭,当年与阿波罗计划的土星五号火箭竞争,由于前苏联无法制造出像F1(土星五号一级火箭发动机,推力680.39吨),只能用30台推力143.2吨的NK-15强行并联出一枚超级火箭。

N1火箭高度达到了105米,底部直径17米,最大起飞重量2750吨,到LEO轨道载荷为95吨,这个参数比土星五号还是略低一些,但这个操作思路却不得不令人叫绝,30台发动机并联,当年的自动控制技术完全达不到目前的水平,前苏联也敢这样操作,不得不佩服。

其思路是这样的,N1火箭的冗余推力也不错,如果一台发动机失效,那么把对面的那台发动机关了即可保持推力平衡,理论上可以同时关闭8台发动机而保持推重比大于1,这个可行性看起来挺高!

但因为科罗廖夫死后由瓦西里·米申接管,他协调能力远不如科罗廖夫,前苏联的工程能力以及技术水平也有欠缺,N1火箭是屡屡爆炸,不是在空中爆炸就是在发射台上爆炸,最后炸到自闭了,不得不放弃载人登月。

星舰就是N1的翻版:控制技术已经进步,但并不代表成功

此前就有大量“专业人士”讨论星舰是否会步入N1火箭的后尘,其中的支持者就认为现在的自动控制技术已经今非昔比,33台发动机的控制得心应手,马斯克也曾对星舰的发动机控制技术赞不绝口,表示星舰发动机控制平衡能力没有问题。

但在4月20日的发射中发现了几个问题,一个是发动机推力不平衡后并没有保持平衡,反而进入了螺旋,第二则是发动机工作恶劣程度远超SpaceX工程师的预计,这表示此前的发动机控制或者支撑结构设计上存在严重问题,无法杜绝相互之间的影响,或者无法将发动机的影响隔离在单台发动机的范围之内,反而会不断蔓延,从而导致不可控的事故发生。

另一个则是液压系统,泵后摇摆是控制火箭姿态的重要技术,不是无法补偿就是液压系统失灵了,至于是什么原因导致的就是一个大问题了,火箭已经炸了,需要通过海量的测控数据去分析问题,这就有点头疼了。

作为二十一世纪最重大的项目之一,种花家还是祝愿马斯克可以搞成功,但相信这个复杂程度难度有点大,马斯克想要搞定还真不是很容易。

中国与SPACEX之间技术到底差异有多大?

目前有很多人不自觉的就会拿中国航天的火箭与马斯克相比,各位也会发现,马斯克喜欢用一种发动机干到底,他没有所谓的一级煤油机,二级三级氢氧机这种概念,而是一级煤油机,二级也是煤油机,只是有可能将煤油机的喷管加大比例改造成真空版。

这种技术优势是很明显的,因为发动机统一并大量制造,可以有效降低成本,并且要维护的发动机类别也会大幅减少,目前SpaceX主要有两款主力发动机:

1、默林发动机(SpaceX Merlin),液氧煤油机;2、猛禽发动机(SpaceX Raptor),液氧甲烷机;

默林发动机是一款燃气发生器循环的发动机(开式循环),结构比较简单,推力达到了100吨级,海平面比冲达到了282秒,虽然看着数据一般,但它非常廉价,并且能够多次启动,可大范围调节推力,在所有火箭发动机中拥有最高的推重比。

SpaceX的Merlin系列发动机

不过中国航天似乎并没有和默林同级别的煤油机,因为默林发动机用的开式循环,目前中国航天在役的大都是分级燃烧循环,从比冲的角度分析,分级燃烧循环要比开式循环要高,极速难度也更大;中国航天和默林发动机比较接近的是YF-102,这是85吨级开式循环液氧煤油发动机,这个指标要低一些,但大致在同一水平,未来的目标也是重复使用。

星舰用的发动机是猛禽发动机,这个最高推力为230吨,室压33Mpa,海平面比冲为327秒,真空363秒,是全流量分级燃烧的液氧甲烷机,全球唯一,这个发动机技术数据还是相当牛逼的,SpaceX不仅搞成了,还多次上星舰测试。

一般液体发动机中,技术难度:挤压循环 /阅读下一篇/ 返回网易首页 下载网易新闻客户端



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