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美国猎鹰9号火箭可回收 长征五号“失控”坠毁,中美箭真是技术差距大? 原来只是苹果和橙比较

西方炒作搭载太空站的长征5号B会“失控”坠毁。而马斯克迷们时常津津乐道话美国SpaceX的猎鹰9号火箭可垂直回收,并且是稳稳着陆于汪洋大海中的一叶“方舟”上,不仅如此,其中的一枚火箭竟然回收并发射了9次。于是大呼曰:“马斯克代表未来!”

反观中国的长征5号B火箭,虽说比猎鹰9号腰围大了一圈,但运载能力差不多,更重要的是长征5 B是一次性,用完即弃,“实在是浪费”。每当说到这里,“马斯克迷”们无不充满嫌弃。

长征5号(左)与回收的猎鹰9号(右)。

长征5号(左)与回收的猎鹰9号(右)。

网易有科普文章,详细比较两种火箭的不同。文章认为第一点需要纠正的是:长征五5号B火箭的近地轨道(LEO)运载能力官宣是“大于22吨”,它将22.5吨推到近地轨道没有问题;猎鹰9号LEO运载数据却有两个——不回收火箭时22.8吨,如果想回收一级火箭到着陆平台(ASDS),则最多只能运15.6吨,少了7.2吨。

单从最大荷载来看,猎鹰9号理论上也可以将22.5吨重的中国太空站“天和”核心舱送上天,当然它无法回收火箭。但是考虑到“天和”核心舱带整流罩后的高度达20.5米、直径5.2米、重量达到27.5吨,对于猎鹰火箭来说太大太重,再要想用回收一级火箭把它送上太空是没有可能的。

为什么猎鹰9号运载能力会变小?因为它回收一级火箭是以消耗燃料为代价的,这些燃料抵消了荷载重量,因此产生了7.2吨的荷载差距。

猎鹰9号一级火箭空中减速,和第二级的太空船分离。

猎鹰9号一级火箭空中减速,和第二级的太空船分离。

其实猎鹰9号火箭更像是一枚加长版长征5号助推器,二者都是烧液氧煤油,直径相仿,点火助推时间都是170秒左右。长征5号火箭大约在220秒左右飞出大气层抛整流罩,猎鹰火箭第一级则需要在大气层内就脱离返回。

根据任务的不同,猎鹰9号一级发动机关机并与二级火箭分离的高度大约在65~76公里之间,未出大气层;末速度约4.9~6.8马赫,这个速度与23马赫的第一宇宙速度相去甚远。

我们发射卫星、飞船和空间站等航天器,首先需要将它们送出稠密的大气层,同时赋予它7.9公里/秒的初速度,这样才能保证航天器长时间稳定运行的需要。从这个角度看,猎鹰9号火箭的第一级无论从高度还是速度方面都无法满足要求,它从设计时就没有考虑要飞出大气层。

与包括猎鹰9号在内的大多数运载火箭不同,长征5号B是“一级半”构型的火箭,它的4枚助推器加起来算“半级”,在大气层内脱落;芯一级火箭不仅需要将天宫太空站核心舱推出大气层,送到200-400公里高度的轨道上,还需要给核心舱一个7.9公里/秒的初速度,确保它不掉下来。

中国空间站天和核心舱从海南文昌成功发射后,被誉为天和核心舱“同胞兄弟”的1:1结构验证件实物,在北京中国科技馆亮相展出。中新社图片

中国空间站天和核心舱从海南文昌成功发射后,被誉为天和核心舱“同胞兄弟”的1:1结构验证件实物,在北京中国科技馆亮相展出。中新社图片

于是当火箭与核心舱分离的时刻,长征5号的芯一级实际上也跟在“天和”号核心舱的屁股后面,成为一个环绕地球飞行的航天器了。

许多朋友都知道地球大气层100公里高度有一个“卡门线”,这里被称为大气层的边界,于是都说地球大气层的厚度是100公里。需要说明一点:大气层其实并没有明确“边界”,我们经常称之为太空的400公里高度实际上属于大气层“热层”,这里依然有稀薄的空气,因此也存在空气阻力。在空气阻力作用下,太空站不断减速,若不自行推进,每天会往下掉100米。

中国的太空站围绕地球运转时,会因为地球引力影响轨道高度,此时需要发动机消耗额外推进剂来抬升轨道。中国太空站配备额外配备4台霍尔电推进系统,可有效节省核心舱自带推进剂的消耗。

长征5号火箭在关机后,同样因为空气阻力的作用,也会不断下降高度,它不再有推进动力。2021年3月26日凌晨,一群燃烧的火球划破美国西雅图的夜空,这是猎鹰9火箭第二级掉落的残骸。按计划,SpaceX这枝回收火箭应该利用火箭剩余的燃料减速,让二级火箭在3月4号重返大气层,火箭因为点火失败在轨道上多漂了22天,最后失控落在了华盛顿州。美国的火箭是会失控掉落的,因为它的计划是回收,不能回收是失控的结果。

猎鹰9号第二级分解掉落西雅图。

猎鹰9号第二级分解掉落西雅图。

那么长征5号B的芯一级火箭果真也是像西方媒体描述的那样是“失控火箭”吗?长征5号B和“天和”核心舱的发射时间是4月29日,长征5号B重返大气层的时间是5月9日前后,总共才9天多时间,按自然轨迹没有那么快掉落,因此我们可以下结论:长征五5号芯一级火箭在与“天和”核心舱分离后利用剩余燃料“踩了一脚刹车”,所以提早返回,它的返回轨道是科学家们已经计划好了的,是“受控坠落”而非“失控残骸”。

那么,让一枚巨大的火箭从近地轨道受控降落在指定区域的难度到底有多大?到目前为止没人能做到,也没必要做这件事情。

SpaceX为了节省发射成本,让它的猎鹰9火箭第一级受控降落在海面移动趸船上,这不仅需要精确控制技术,还需要付出7吨荷载的代价,你也可以将它理解为大马拉小车付出的“成本”。猎鹰9号一级火箭无论从高度还是速度都比较低,如果从大气层外以23马赫的高速度返回,其难度要高出几个数量级,在经济上也是不化算的。正因为如此,SpaceX在2014年就正式宣布放弃二级火箭的回收计划,改为“受控坠落”(只回收一级火箭)。一个4吨重的助推器尚且如此,更不用说全程控制一枚18吨火箭要回收,要付出多大代价了。

长征5号B火箭是巨大的。

长征5号B火箭是巨大的。

火箭再入大气层时,由于与空气剧烈挤压摩擦产生几千度高温,它的铝合金壳体以及复合材料燃料箱会燃烧并解体,裂成碎片、化作尘埃。与太空站不同,火箭的零件大多又薄又轻,因此即便有少量掉到地面上,也不会构成大的伤害。长征五5号B的残骸坠落轨迹经过反复计算,它的落区大概率位于海洋,砸中人的概率可以忽略不计,我们大可不必担心。

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