春天里吃大米
Large Impact Simulation 模拟大撞击500km asteroid 500 公斤重的小行星Destination: the Pacific Ocean 目的地：太平洋The impact peels 10km crust of the surface 撞击削掉了地球10 公里厚的外壳The shock wave travels at hypersonic speed 冲击波以超音速行进Debris is blasted across into the low earth orbit 炸飞的残骸冲上近地轨道And returns to destroy the surface of the earth 然后降下来毁坏地球表面The fire storm encircles the earth烈焰的风暴包围着地球Vaporizing all life in its way 就这样蒸发着所有生命Within one day, the surface of the earth is uninhabitable 一天之内，地球表面不再适宜居住The evidence shows that this has happened at least 6 times in earth’s history证据表明，这样的情形至少在地球史上发生了6次
chenmingzhu
本文原作于2018年2月21日 在上一篇《鹰之击》中，我们主要回顾总结了重型猎鹰火箭首次发射的成败得失：马斯克如愿以偿的依靠重型猎鹰一举拿下“现役最强火箭”的头衔。但首次发射也并非如媒体刷屏时描述的那般十全十美：芯一级回收失败，飞天特斯拉也迷路了，未能如计划中的进入地火转移轨道。 详细内容可以移步： 认准这只鹰（一）—— 鹰之击 书接上回，这次我们要来讲讲SpaceX当家主打产品：猎鹰火箭。 SpaceX自成立以来，一共有三款火箭：早期轻型的猎鹰1号，目前绝对主力正值当打之年的猎鹰9号，以及前篇提及的刚刚首次发射成功的重型猎鹰。 要介绍运载火箭，就不得不提火箭的运载能力。火箭的运载能力是按照向不同的轨道能运送的载荷的重量来界定的。因此有必要先简单的介绍一下最常用的两种轨道，因为这两种轨道也是最常用于区分火箭运载能力的。这两种轨道分别是：1，近地轨道，也称为“低地球轨道”，英文缩写LEO；2。地球同步转移轨道，英文缩写GTO 近地轨道LEO 近地轨道，也被称为“低地球轨道”，Low Earth Orbit，也就是LEO，通常是指距地面高度在2000公里以下的环形轨道。大部分的气象卫星、对地观测卫星、新一代的通讯卫星以及空间站等都是运行在近地轨道上。 地球同步轨道转移GTO 地球同步转移轨道，Geostationary Transfer Orbit，也就是GTO，通常是指近地点高度在1000公里以下，远地点则位于地球同步轨道，也即是距地面高度36000公里高度的一条环绕地球的 轨道椭圆形 。GTO并不是一条永久的轨道，没有航天器会长期运行在GTO上。从他的名字“地球同步 转移 轨道”里可以看出，这是一条临时过渡的轨道。当运载火箭将载荷送入GTO后，还要进一步机动变轨进入其他正式轨道。比如高度36000公里的地球同步轨道GEO，以及GEO中最特殊的地球同步静止轨道GSO。我们熟悉的大容量通讯卫星，以及GPS卫星等都运行在GEO或GSO上。 从上面的介绍不难发现，地球同步转移轨道GTO比近地轨道LEO的高度、要求更高。因此运载火箭将载荷送入GTO的能力，也就是能送达GTO的载荷的重量是大大低于将载荷送入近地轨道LEO的。事实上，有一大半的运载火箭完全不具备GTO能力，他们只能将载荷送入近地轨道LEO。比如，猎鹰1号。 准备首次试射的猎鹰1号 猎鹰1号是SpaceX的第一款产品，是钢铁侠的试水之作。这是一种不折不扣的轻型火箭。 猎鹰1号主要参数： 火箭直径： 1.7米 火箭高度： 21.3米 质量： 38.555吨 LEO运载能力： 670千克 首次试射之前的猎鹰1号，可以看出很迷你 猎鹰1号采用了主流的2级火箭布局。第一级采用了一台SpaceX自行研制的梅林-1A液氧-煤油发动机，第二级也就是上面级则是采用了一台更小巧的红隼发动机。 装配中的猎鹰1号， 可以清楚看到第一级的梅林-1A发动机 试车中的红隼上面级发动机 猎鹰1号经过4年的研发，与2006年3月25日首次试射。结果由于梅林1A发动机糟糕的可靠性以及SpaceX当初的各种经验不足，包括首次发射在内，猎鹰1号的最初三次发射全部失败。三射三炸！这噩梦般的经历几乎摧毁了当初刚成立4年多的SpaceX，也让“猎鹰火箭”一度被外界嘲笑为“PPT火箭”。 但钢铁侠还是扛过来了，终于在2008年9月28日，猎鹰1号的第4次发射中取得了成功。虽然，在当时猎鹰1号的性能非常一般，运载能力更是排不上号。但是猎鹰1号确实是一款值得载入史册的火箭，因为， 这是第一枚私人航天公司研发的液态轨道火箭成功进入地球轨道 。在此之前，哪一枚火箭的成功不是举国之力凝聚的成果啊。但当时只有区区500多人的SpaceX却做到了。 更为重要的是，钢铁侠在SpaceX成立之初，就确立了“用最低廉的费用发射火箭”的大原则。猎鹰1号的第一级是可用通过降落伞回收并重复使用的（关于这个的详细说明，将放在第四篇《鹰之魂》中介绍）。因此，在2006年时，SpaceX对猎鹰1号的商业发射给出的报价仅仅只有670万美元。当时引得业内一片哗然和震惊。 然而，钢铁侠的目标远不止于此。他不满足猎鹰1号可怜的运载能力，也不满足并猎鹰1号那不完善的伞降回收方式。永远怀揣火星梦的马斯克需要一个“真正的火箭”，一个“大家伙”。于是，有了后来的猎鹰9号。 无论从哪方面说，猎鹰9号都可以称得上一枚真正的运载火箭。一个不折不扣的大家伙。和猎鹰1号相比，目前最新款的猎鹰9号，也就是所谓的“全推力版”猎鹰9，其直径是前者的2.2倍，高度是3.3倍，发射时的重量是14倍，LEO运载能力则变成34倍！更有着猎鹰1号没有的GTO运载能力。和前者已经完全不可同日而语。 猎鹰9号主要参数*： 火箭直径： 3.7米 火箭高度： 70米 质量： 549吨 LEO运载能力： 22.8吨 GTO运载能力： 8.3吨 *注：上述数据均为猎鹰9号最新型号，也就是“全推力”版本的猎鹰9的数据。运载能力不考虑第一级火箭的回收和复用。 猎鹰9号于2010年6月4日首发成功，当时的猎鹰9号现在被称为1.0版猎鹰9，其性能和目前的全推力版本的猎鹰9还有一定差距。但也是一举成功迈入“中型火箭”之列了。 猎鹰9携带“龙”货运飞船首飞 1.0版猎鹰9，个头比起现在全推力版，除了直径未变，其他都要小上一圈。运载能力也只有目前版本的差不多一半。下图中从左到右依次显示是猎鹰1号以及猎鹰9号从1.0版本到目前全推力版本直到重型猎鹰的“全家福”。 猎鹰火箭全家福 由于SpaceX手里只有“梅林”这一款发动机可用。虽然经过持续改进，从最初的梅林-1A到梅林-1B，直到进化成当时的梅林-1C发动机。但是还是存在着单台发动机推力偏小的问题。那么，能力不足，只能数量来凑了。猎鹰9号1.0版本的第一级就采用了9台梅林-1C发动机并联工作。而且第二级则安装了一台由梅林1C改进来的“真空梅林”发动机来驱动。 猎鹰9号1.0版本时“第一级 九宫格”排列的的9台发动机 而到了1.1版本时，则在第一级安装了进一步改进过的9台梅林-1D发动机。发动机排列方式也从1.0版本的“九宫格”形式改成了现在的1台在中心，具有双维度矢量操作，其余8台分布在周围圆环上只有一个维度的矢量操作的“火环”形式。 “火环”排列形式的9台梅林1-D发动机 两种排列形式的对比 猎鹰9号作为一款中型火箭，性能中规中矩。如要做个简单的对比，其基本性能和我国的长征3号乙系列基本上在同一个水平线上。 但是和猎鹰1号一样，在坚持“最低价”原则的指导下，猎鹰9号具有当前所有同规格运载火箭中最低的发射费用。2018年，SpaceX给出的猎鹰9全推力版本的一次常规的商业发射报价仅为6200万美元。与之相对比，之前依靠“物美价廉”为卖点的俄罗斯国家航天，报价却在1亿美元以上。更别提欧洲的阿丽亚娜5系列每次3亿美元的报价了。 而使得SpaceX得以能够报出如此低价的一个重要因素是SpaceX大量采用市场上最常见的元器件，也就是“大路货”来制造火箭。 相比较价格昂贵换代慢的传统航天专用器件，这样不仅有效降低了成本，而且器件采用的技术也更先进、性能指标更好。以CPU为例，航天专用产品虽然寿命高，并且能在极端环境下长期工作，但在工作频率等指标上通常会比商业、工业级产品至少落后两代（对于此部分，也可以参见我之前的文 探索火星近2000天的好奇宝宝趣事四五桩 ）。但火箭毕竟不是卫星、或深空探测器，它的工作寿命以分钟计，而非以月、以年计而且工作高度也比后者低得多，收到宇宙射线辐射干扰的概率也很低。因此，商业、工业级元器件只要经过严格测试后，也是可以使用的。 另外，猎鹰9号大胆采用了很多新型的材料来制造火箭箭体。比如轻铝锂合金以及碳纤维。并在测试过这些新材料的强度和刚度后，“冒天下之大不韪”地将火箭的长径比（长度和直径的比）一举突破到19，大大超出航天业内传统上的极限15。并大胆的采用半气囊式燃料储藏箱等新的设计。这些措施使得猎鹰9的干质比（未装载燃料的“干火箭”和满载时的重量的比例）达到空前的25。要知道我国最新的长征7号系列火箭的干质比才有13左右，而之前的长征2等老一代的运载火箭干质比甚至只有7-9。 另外，经过持续不断改进，性能和初代相比已经天翻地覆的梅林-1D发动机还是保持了结构简单，小巧的的特点。而且完全由SpaceX自己设计制造，成本也是相当低廉。 SpaceX以上这些措施可以说几乎将目前的材料技术和工艺技术发掘到了极致，这也造就了猎鹰9无与伦比的价格优势。 仅一人高的梅林-1D发动机 但Space最大的杀手锏便是第一级火箭的回收和复用。按照马斯克的说法，第一级火箭回后复用可以在目前的基础上再降低成本70%！ 在经历了数次回收失败任务之后，在2016年5月28日，猎鹰9号的第20次发射任务时，那枚猎鹰9在完成了一箭十一星的任务后，第一级成功的软着陆在范登堡空军基地的着陆场。SpaceX第一次成功的实现了一级火箭路上软着陆回收。 猎鹰9号首次第一级火箭回收成功 第一枚成功回收的箭体 而仅仅4个月后，难度更大海上回收也终于首次成功了。 首次海上回收成功 SpaceX对使用回收复用的火箭进行发射的活动，目前可以在标准报价的基础上再给出七折的折扣，藉此吸引客户。并且成功的在去年4月，使用复用的火箭为卢森堡SES公司将一颗重5.3吨的通讯卫星送入GTO轨道。并且值得一提的是： 这枚完成首次复用的火箭随后再次回收成功 。 目前猎鹰9号已经是国际商业航天发射市场上炙手可热的产品，虽然在过去的几年，每年都有发射失败的例子。但其极具竞争力的报价以及尚算不错的运载能力还是让SpaceX接单接到手发软。 但就如前面说过的，钢铁侠的目标始终是火星。对于火星任务，猎鹰9虽然号称有着4吨的火星轨道运载能力，但对于实现马斯克的火星梦却帮助不大。这也是为何在猎鹰9号的1.0版本发射成功不久的2012年，马斯克就急不可耐的宣布了重型猎鹰计划。 2012年，马斯克向外界宣布重型猎鹰计划 重型猎鹰计划在当初推出时，几乎没有人相信他会成功。甚至有人认为这是马斯克的一场骗局。但或那时候许只有钢铁侠自己才知道，这才是他火星梦得以实现的真正开始。 重型猎鹰主要参数*： 芯级火箭直径： 4.1米 火箭宽度： 12.2米（含助推器） 火箭高度： 70米 质量： 1420吨 LEO运载能力： 63.8吨 GTO运载能力： 26.7吨 *注：运载能力不考虑第一级火箭以及助推器的回收和复用。 从数据里不难看出，重型猎鹰是个大家伙！虽然从标准的分类上来说，他还是属于中型火箭级别。但是却远远的将其他对手甩开了。下面这张图是SpaceX官网上放出了重型猎鹰和其他几款航天器的近地轨道运载能力对比。从左到右分别是——重型猎鹰、航天飞机（美国）、质子M火箭（俄罗斯）、重型德尔塔IV型火箭（美国）、大力神IV-B火箭（美国）、阿丽亚娜5 ES火箭（欧洲）、大力神V火箭以及长征3号B型火箭（中国）。 SpaceX官网上的对比图 不过我觉得上述的对比不是太全面，也不是很公平。因为航天飞机早已退役，我国目前运载能力最强的也早已不是长征3系列。而是胖五。同时，这里只列出了近地轨道能力，对于GTO地球同步转移轨道能力却没有提及。因此我自己做了一个对比表： 现役主流运载火箭对比 从上述对比中可以看出，重型猎鹰从运载能力上来说，绝对无愧于“现役最强运载火箭”的头衔。其LEO运载能力几乎超过了之前曾霸占首位的重型德尔塔IV的一倍还多，GTO能力也几乎翻倍！ 当之无愧的“现役最强” 可能有人问我：为何一定要强调“现役”。上图中人家SpaceX自己可没有说这个啊。 那是因为，如果只是横向的做比较。重型猎鹰目前可笑傲江湖，没有对手是其一合之敌。但是如果纵向的对比的话，那么在他之前，还有几款“怪兽级”的火箭，其运载能力还远在重型猎鹰之上。 对此，我也做了一张对比表： 历史上的“怪兽级”火箭 对于上表，有几个地方需要说明： (1) 土星五号，作为阿波罗登月计划的专用火箭。他没有设计GTO能力。45吨是他的将载荷送入月球同步轨道的能力。按照常识，GTO能力应该是比这个数字要大一些，私以为GTO能力至少在60吨。 (2) 能源号，公开渠道也没有找到GTO能力。这个18吨是地球静止轨道GSO的数据。同理，GSO能力也是高于GTO。因此大致猜测能源号的GTO能力应当不低于30吨。 (3) N1火箭，虽然列举在这里。但由于这款火箭四发四炸，从未发射成功过。因此写在这里有点勉强。 (4) 作为苏联的登月火箭，N1火箭同样公布的也是月球轨道能力。因此GTO也应当在30吨上下。 下面就让我见识一下这几款怪兽火箭。 土星五号是人类建造过的最大最强的运载火箭，至今无人超越。这是一款为了阿波罗登月计划量身打造的一款 重型火箭 。起飞时总重量超过3000吨，和二战中一艘驱逐舰的重量相当。 土星五号和自由女神像的大小对比 现存的土星五号 土星5五号第一级5台巨大的F1火箭发动机 和 土星五号的总设计师“火箭狂人”冯布劳恩 土星五号是由著名的“火箭狂人”冯布劳恩主持设计的。冯布劳恩何许人也？曾将伦敦炸的千疮百孔的纳粹德国V2火箭就是他设计的。被美军俘获后，冯布劳恩来到美国，开始主持美国的航天计划。其中最著名的就是阿波罗登月计划。并藉此将美苏太空竞赛推向白炽化。 土星五号历史上在1967年至1973年年，一共发射13次，全部获得成功。其中前12次全部用于执行阿波罗计划。而最后一次则是将“天空实验室”送入太空。随后这个怪兽级的火箭就此功成身退。 能源号是前苏联的一款重型火箭。是在吸取了之前N1火箭失败的经验基础上设计制造的一款性能及其彪悍的运载火箭。 能源号和土星五号，是迄今为止唯二的两款具有100吨以上的近地轨道运载能力的重型火箭。而且，能源号在当时已经非常具有创造性的运用了“模块化”设计理念。在其原本的设计产品路线中，还有多个衍生变种。其中最极端的子型号“祝融星”，其近地轨道能力接近200吨！不折不够的性能怪兽！ 能源号规划中最变态的子型号“祝融星” 1987年能源号首次发射成功，并随后连续的发射成功。在当时这是唯一一款LEO能力超过100吨的运载火箭。是当时其他火箭至少三倍至四倍。然而这款本应大放异彩的性能怪兽，却生不逢时。 1989年随着前苏联的轰然倒下，这款优秀的火箭也随之被遗弃。最后一枚能源火箭一只停留在总装厂房中，直到岁月的摧残导致厂房崩塌，最后的能源号也一并被埋葬其中。如今想起，还是令人唏嘘。 弃于总装厂内最后的能源号 如果说土星五号和能源号都是怪兽火箭的话，那么N1火箭则是一个不折不够的怪兽！堪称史上最丑陋的火箭。 N1火箭 这枚有史以来独一无二的5级运载火箭首次出现在世人面前时，由于一个浑身长满了癞疮的怪兽。 起竖状态的N1火箭 在他第一级那直径17米的“超短裙下”，密密麻麻的排列着30台NK-15发动机。 N1第一级上安装了30台发动机 这也是当时被逼无奈的结果。因为当时苏联没有土星五号的F1发动机那样强劲的火箭发动机，只好靠着数量强行堆砌推力。然而N1的悲剧也源于此，当时被美国人登月刺激的心脏病几乎发作的苏联最高领导人给出了极其苛刻的发射时间表。N1火箭的30台发动机在首次发射前从未进行过哪怕一次整体的试车。 如此多的发动机的控制和协调，在现如今都不是一个简单的事情。在上世纪七十年代更是一个几乎不可能完成的任务。 行政命令无法改变客观事实，N1火箭四发四炸。每一次爆炸都发生在第一级火箭脱离之前。这意味着这款举前苏联全国之力打造的巨兽从未飞出过地球大气层。苏联也只好痛苦的咽下和美国登月竞赛失败的苦果。 回到主题，在前三款怪兽退役之后，本月初成功首发的重型猎鹰变当仁不让的成为了现役最强运载火箭。 重型猎鹰示意图 从结构上来说，重型猎鹰的芯级火箭就是猎鹰九号，两侧两个助推器其实就是两枚猎鹰九号的第一级火箭，只不过在助推器的头部增加了整流罩。 整个重型猎鹰在第一级位置，也就是芯一级外加两个助推器，一共安装了27台梅林-1D发动机！ 重型猎鹰的27台发动机 看到这个想起了什么？没错！就是N1火箭的第一级那30台发动机！ 这也是为何在2012年钢铁侠宣布重型猎鹰计划时，外界普遍不看好的原因之一。那很难让让不去联想起那四发四炸最终夭折的N1火箭。 事实上，尽管SpaceX反复强调，重型猎鹰并联27台发动机和N1火箭并联30台发动机是有本质的区别——N1是在同一级上并联了30台发动机。而重型猎鹰事实上是在三个箭体上并联27台发动机，每9台还是属于一个独立的箭体。但是，重型猎鹰计划的首次发射还是一推再推，比原计划推迟了4年多。马斯克也承认“研发重型猎鹰的难度超乎想象”。 不过，重型猎鹰还是发射成功了！进40年的技术进步，使得对多台发动机的控制和协调比起N1时代已经有着天壤之别。经过多年打造，性能已趋于极限的梅林-1D发动机也比当初仓促上阵，未经过完整测试的NK-15也要靠谱。 所有这些才造就了重型猎鹰的成功。 在重型猎鹰发射成功后，会带来什么变化呢？重型猎鹰会替代猎鹰9称为SpaceX新的发射主力吗？ 目前来看，至少短时间之内不会出现这样的局面。因为目前的商用卫星重量大多不重。一些军用间谍卫星以及民用的高性能通讯卫星有可能需要7-8吨左右的GTO能力。可以说国际上目前的商业卫星发射任务中的95%以上猎鹰9全推力版都能胜任。 而一次性发射25吨以上载荷到近地轨道的情况，一般也只有建造空间站、空间实验室等载人航天，长时间停留的情况才会需要。而目前美欧在国际空间站之后都暂时没有后续计划。 因此这么看来重型猎鹰的运载能力似乎暂时没有太多用武之地。不过，能力是可以刺激需求的。之前没有这么大能力的载具，很多太空计划或许就不考虑大载荷的发射可能。如今有了重型猎鹰这么个能拉会抗的家伙，很多科研性质的项目或许就会纷纷上马。因为，SpaceX目前给出的重型猎鹰基础发射报价仅为9000万美元。在这个级别的火箭上，几乎是白菜价。要知道，NASA的亲儿子，在研的SLS，也就是太空发射系统其设计中的运载能力虽然在重型猎鹰之上，但预计单次发射费用高达10亿美元，烧钱一点都不含糊。 因此预计，在短时间内重型猎鹰或许不会承接到太多的商业发射任务。但随这“消费刺激”效应，从科研项目开始，会有越来越多的大载荷项目或者是深空探索项目会向SpaceX伸出橄榄枝。尤其是后者，行星际的任务最是需要大载荷运载火箭的存在。 至于还有另外一个可能，就是利用“重型猎鹰”玩一箭多星。这个私以为可能不大。因为一箭多星的往往是微型或中小型卫星，比如去年印度曾不管不顾的天女散花般玩过一箭104星。一股脑的往LEO轨道上倾倒垃圾一般的撒了一堆平均重量不到1公斤的微型卫星，这个不提也罢。 而目前最常用的真正一箭多星则是发射组网卫星群。比如新一代的铱星系统，新的GPS、伽利略、北斗等导航系统。但是这些卫星往往都有比较高的入轨定位要求。一箭多星理论上对这类卫星是由数量限制的，否则就需要大量消耗卫星自己的燃料去重新机动定位。至于那些单个重量在5吨以上的大卫星，往往也是要求直接送入静止轨道GSO的，对定位要求更高。因此，利用重型猎鹰执行一箭多星应该不是很好的选择。这个任务猎鹰九似乎更适合完成。 因此，猎鹰九至少在未来数年中还会是Space的最主要商用发射的火箭。重型猎鹰的戏份会越来越多，并开始更多的题钢铁侠的火星之梦展开各种探索和测试。 本篇概括的介绍了现役的猎鹰家族，和现役其他主力运载火箭做了横向对比，并和历史上的怪兽火箭也做了纵向对比。 下一篇的《鹰之心》中我们将对猎鹰火箭的心脏——梅林发动机进行简单的介绍。具体内容请听下回分解。
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