SpaceX载人龙飞船逃逸系统测试故障的常识与演进洞穴之外













      


关注风云之声


提升思维层次



导读



山洞是什么呢?关乎技术、关于资本、关于坚持。龙卷风是什么呢?关乎管理,关乎放权,关于耐心。
注:风云之声内容可以通过语音播放啦!读者们可下载讯飞有声APP,听公众号,查找“风云之声”,即可在线收听~


阅读本篇之前,建议阅读唉,又炸了》和《美国商业载人飞船被卡在新式逃逸系统上,难道是创新的错?

另本篇大量引用唉,又炸了》的图片和内容,已获作者授权。


网红年代里,只要是SpaceX就格外受关注,这篇就又来蹭蹭SpaceX的热点。可能是明天五一的缘故,文风有点飘,就当放飞自我吧。


全文分为四个部分:

 

  • 载人龙飞船逃逸系统测试故障概述—固液对比问题的引出

  • 固体推进简史和固液对比—逃逸系统需求与固体推进优点完美契合

  • 液体推进与一体化设计—升维将设计指向一个新的平衡点

  • 题外话,升维的引申—商业航天的两种技术路径

 

载人龙飞船逃逸系统测试故障概述—固液对比问题的引出



+




一周前,北京时间2019年4月21日凌晨,SpaceX公司在肯尼迪航天中心LZ-1的简易试车台对回收不久的载人龙飞船进行静态点火测试,测试过程中突发异常(官方原文anomaly)。具体损毁情况目前各种说法皆有,据目前爆料,实际上飞船是“原地爆炸”了,整船皆毁。

图 准官方说明

 

逃逸系统是保护航天员在火箭出现故障情况下安全离开火箭返回地面的最后保命手段,需要极高的可靠性和安全性。

 

2018年10月11日联盟-FG载人火箭助推分离时,一个推助器刮碰到芯级,火箭自动启动弹道中止模式(由于之前逃逸塔已分离,属于高空逃逸),13分钟后飞船带着两名宇航员安全着陆在距发射场400公里外。载人航天,第一要务就是安全,必备一套安全救命的发射逃逸系统,航天飞机就是因为没有逃逸系统,两次飞行失利,共造成14位宇航员遇难。

图 联盟-FG火箭故障效果图

图 猎户座飞船逃逸系统效果图

图 神舟飞船零高度飞行试验

 

逃逸系统经历了弹射座椅固体发动机逃逸演变,SpaceX使用了液体动力,结果偏就出事了。液体动力的提出者是波音公司的CST-100 Starliner飞船,其液体动力在2018年7月的测试点火时也泄露了,导致飞船首飞一再推迟。

 

为什么成熟的逃逸系统要用固体作为主要的动力形式,而载人运载火箭又要用液体作为主动力的主要形式?

固体推进简史和固液对比—逃逸系统需求与固体推进优点完美契合



+




世界上的第一枚火箭是固体火箭。1390年,万户把47个自制的火箭绑在椅子上,自己坐在上面,双手举着2只大风筝,然后叫人点火发射,设想利用火箭的推力,加上风筝的力量飞起,不幸火箭爆炸。

图 万户飞天

 

世界上第一枚现代火箭是液体火箭。1942年,在德国波罗的海海岸佩内明德,V-2液体导弹飞到了96公里的高空。薄膜冷却、再生冷却等方式的应用,解决了火箭发动机燃气温度高的突出问题。在此基础上,形成了推力680吨的F-1发动机,托举土星V火箭于1969年载人登月。

图 V-2导弹


与液体相比,固体火药会以突然爆发的形式燃烧,但用于火箭时必须缓慢燃烧此问题一直没有解决,直至1940年,冯-卡门发明了一套公式,揭示该怎么干下去。但固体火药大多数是粉末状,性质脆弱容易裂化,仍不适合于应用,因为它们在贮存时会形成导致爆炸的裂纹。化学家帕森斯使用沥青作为融合剂(沥青和高锰酸钾混合物),制成不会裂化的固体推进剂。当然,在炎热的天气它有软化的趋势,要求待用的火箭在贮存时喷嘴朝上。因此,开始的固体导弹很小,使用这种推进剂的“列兵(private)”导弹仅长2.4米。

 

1954年,大西洋研究公司科学家将聚硫橡胶、氧化剂与铝粉混合,聚合成有弹性的固体,得到的推进剂比冲大幅提升。

 

同时,贴壁浇筑、内孔燃烧的装药,即火药从原来的端面向前燃烧,改为从中心往两边燃烧,避免了壳体与燃气的长时间接触,大幅度减轻壳体的重量,使得固体发动机向大尺寸、长时间工作方向发展,扩大了其应用范围。

图 固体发动机示意图

 

到1965年,通用喷气飞机公司试车的固体发动机直径3米,推力达到270吨;洛克希德公司的直径4米,推力540吨;聚硫橡胶化学公司的推力达到1350吨。


1966年,在NASA支持下,通用喷气飞机公司直径6.6米的发动机点火成功,发动机推力2550吨,喷向空中的火焰高达2公里,在160公里外都能看到。为将这台发动机点火,需先用1台2吨的发动机点燃另一台110吨发动机,形成24米长的火焰点燃固体推进剂表面。

 

用于飞行的航天飞机使用了两台各1300吨推力的助推器,药柱由氧化剂(69.93%高氯酸铵)、燃料(16%铝粉)、催化剂(0.07%氧化铁)、粘结剂(12.04%多聚物)和固化剂(1.96%环氧树脂)组成。

 

与液体推进剂相比,固体推进剂存在如下优点:

 

  • 使用方便,尤其是战略导弹的首选;

  •  结构简单,不需要专门的增压输送、阀门等结构;

  •  由于零部件少,可以达到很高的可靠性高。统计数据表明,在15000次各种型号的固体火箭发动机试验中,可靠性达到了98.14%

  •  此外,固体的密度更大,形成的火箭体积较小。

 

但固体存在如下几个缺点:

 

  • 一是比冲低。从双基推进剂到现在的复合推进剂或改型双基推进剂,海平面比冲从1950年的200秒提高到现在的270秒左右。但尽管付出很多努力,比冲仍达不到液体推进剂标准,使得其作为上面级推进剂先天不足。

  • 二是工作时间较短。受热部件通常没有冷却,在高温、高压和高速气流条件下只能短时间工作,虽然可以采用耐热材料和各种热防护措施,但与液体发动机自带推进剂冷却相比,工作时间仍受较大限制。此外,受装药尺寸限制,燃烧时间不能太长,最长的也仅100多秒,与液体推进剂的几百秒,甚至上千秒没法比。

  • 三是可控性差。固体发动机一经点燃,只有自动地燃烧到工作结束,不能根据当时的需要改变推力的大小,只能按照预定的推力进行工作,也难以实现多次启动。

 

因此,固体发动机最适宜于短时间大推力的任务在宇航应用中:


  • 可作为起飞助推器,用于短时加速;

  • 可作为启动涡轮的燃气发生器,用于短时大功率启动;

  • 作为飞行救生、弹射座椅的应急动力。

 

逃逸系统需要加速快、工作时间短、短时推力大、高可靠和高安全,这些全是固体发动机优点。这是常识!

 

如联盟-FG的12台逃逸主发动机总推力80吨,工作5秒,以10个G的加速度,把整流罩及轨道舱、返回舱迅速拉离运载火箭约1公里。

  

因此成功的载人应用,无论时联盟-FG飞船、神舟飞船、阿波罗飞船,乃至猎户座飞船的逃逸,均采用了固体发动机逃逸塔。

图 联盟-FG火箭逃逸发动机

 

图 阿波罗飞船逃逸试验

图 猎户座飞船的逃逸塔

 

那么,载人龙飞船为什么要背离常识,采用液体动力呢?因为一体化设计。

 

看联盟号飞船的逃逸过程,分为11个步骤。

图 联盟号飞船逃逸过程


过程与图中编号对应如下:


  1. 火箭出现故障;

  2. 逃逸救生塔点火,整流罩上部结构分离,爆炸螺栓起爆,使飞船与仪器舱分离,救生塔将整流罩、轨道舱和返回舱拉离火箭。控制发动机点火,使被营救系统转弯脱离飞行轨道;

  3. 4个栅格翼展开,使组件气动稳定;

  4. 返回舱与轨道舱脱开,分离发动机点火,返回舱从整流罩中脱出下降;

  5. 打开应急降落伞,同时抛弃返回舱底部防热底盖;

  6. 利用反推火箭点火缓冲,实现在距发射台约3公里处安全着陆。

 

这里面,又是主发动机,又是控制发动机,又是栅格翼,又是分离发动机,又是降落伞,又是反推火箭。

 

而对于载人龙飞船,利用总推力60吨的8台液体发动机:


  • 出现故障时,发动机点火,像Falcon9芯级返回那样落地,bingo!

  • 好处还没说完,飞船不是还要返回吗?要什么降落伞?发动机点火,像Falcon9芯级返回那样落地,bingo! 

  • 好处还没有说完,载人登月、载人登火时,同样发动机点火,像Falcon9芯级返回那样落地,bingo!

图 载人龙飞船逃逸发动机点火

 

8台发动机,利用Falcon9反推返回已经突破的关键技术,逃逸、返回一肩挑,真正的一体化设计!不加装额外的零部件,不骗纳税人的钱。

 

把弹射座椅上面的固体火箭发动机变大,挪到飞船外面,让宇航员从野外进入房子中的一体化设计,是逃逸技术的第二次飞跃。本次再次通过技术创新,实现逃逸、返回的一体化设计,首次具备了逃逸塔分离后的全程逃逸能力,是逃逸技术的第三次飞跃。这就是总体设计的威力!

 

抱歉抱歉,每天的工作就是吹这种牛,台词太溜了。但是可恶的NASA,怎么就是不同意这种方案?

 

NASA一直都在质疑,先是砍掉了反推返回设计(但硬件还保留着,SpaceX表示可以忍),认为其风险性不足以弥补代替伞降的优势,但对于逃逸本身并未公开表态过。但不表态不代表支持,在发射台逃逸试验中,一台逃逸发动机关机不及时(类似下图,但不是),NASA进行过额外的专项审查。

图 第3幅发动机颜色不一致


本次事故后,NASA有什么说法咱就不得而知了,咱做个预测呗。

液体推进与一体化设计—升维将设计指向一个新的平衡点



+




在《二向箔与降维攻击—FH成功的技术逻辑链及对我们后续工作的启示》 一文中,笔者曾写到:

 

发动机为火箭提供动力和控制力。如果从控制的观点,这两个维度都可以控制。

 

第一个维度为控制力的控制。控制力即通过喷管摆动让箭体姿态稳定,同时让轨道发生需要的偏转,再发射到需要的轨道。这一维技术已经十分成熟

 

第二个维度为动力的控制,恒定的推力即无控。发动机什么时候关机,即推力从1变为0,是一种控制。发动机变推力也是一种控制,是从1到(0,1)中间变量的一种控制。焦点就在第二个维度,动力的控制维度。

 

在这两个维度中,探空火箭什么都不占,因此为0维,最为简单。

 

所有运载火箭全部具备控制力的控制能力,所有运载火箭弹道设计的核心都有一个变量,就是程序角,也就是火箭要怎么转弯才能最省能量地到目标轨道,因此运载火箭全部至少为1维。

 

焦点就在第二个维度。第2维早已有萌芽,如发射GTO轨道的滑行段。但这离纯二维仍有很大距离,因为滑行段即推力为0,推力只有两档,且两档的接力关系需要地面配置好。美国的宇宙神3、5火箭,发动机具备连续变推力能力。看其过载曲线的间断点特别多,大风区变变推力,芯级再节节流多飞会儿,关机前降降减少过载。用法很多,但基本上还是地面先设计好,姑且称之为1.5维吧。


SpaceX真正做到了纯二维。因为Falcon9芯级返回时,天知道在偏差下还剩多少推进剂?箭体有多重?发动机在什么时候开多大推力?开多久?才能在落地一瞬间速度到0,角度到0。通过更高一层次,更为聪明的算法,完美地达到了纯2维。

 

在设计上,从单纯程序角的1维设计,提升到程序角+变推力的2维设计,技术上看起来很简单。但如果结合历史看,它最终演绎出了SpaceX十年成功路。


与固体动力只能按照预定的推力进行工作相比,液体发动机大范围节流变推力能力,为技术升维提供了基础,技术升维也满足了SpaceX公司在经济性和创新性上的追求,促成了产业升级

 

如果考虑安全性、经济性(创新性)两个维度,画出一个坐标系。


  • 仅有可靠性维度时,图中红色圆圈位置就是系统的最优化值;

  • 仅有经济性维度时,图中绿色圆圈位置就是系统的最优化值;

  • 综合考虑两个维度时,系统的最优化值将处在蓝色前缘上,并且不再是一个确定值,而是随着对两个维度的认识和权重而变。

图 可靠性和经济性两个维度下的优化目标

 

NASA心里的天平应该更靠近红色圆圈。NASA对载人安全性有极端苛刻的安全性要求,远高于人类历史上所有载人航天器,原有乘员损失率要求高达1000分之1(1000次任务死1人),后放水到270分之1,仍然非常之高,详见下图。 

图 载人任务可靠性指标要求


针对载人任务,千万别说技术进步是需要付出代价的,因为这是生命的代价。在生命面前,哪怕为了0.1%的追求,也是值得的。或者说,对于载人任务,优化的平衡点其实特别好找,就是红色圆圈。

 

理论上。从系统复杂程度,固体动力的短时高可靠特点,与逃逸系统完美契合;从系统涉及环节,固体动力为开环控制过程,环节少,SpaceX的液体动力为闭环控制过程,设计环节多。因此理论上固体动力逃逸可靠性更高。

 

实践上。今天,SpaceX一次次取得成功,特别是芯级垂直返回的突破性进展,已经成为全人类的图腾。有理由相信,他们愿意再次将此项技术发扬光大。但新技术有新技术的试验场,譬如商业发射、货运任务等,为返回提供提供了绝佳的试验场所,得以发现问题、解决问题。近些年SpaceX在助推返回上就出现过问题,先是去年的Falcon重型芯级助推未返回,后又因栅格翼液压装置损坏导致一枚助推横砸向水面。

 

这也是NASA坚决不同意采用液体动力作为飞船返回的原因,而本次的逃逸试验,又对液体动力作为逃逸主动力方案提出了新的、根本性的考验

 

SpaceX公司一向以透明和善于自嘲著称,如曾放出大量助推返回失败视频,但本次一反常态,用词为anomaly,坚决不承认这是一次故障甚至爆炸(网传录像为爆炸),与之前形成了强烈的对比。笔者认为,这已经不是简单的技术争执,而是研制理念的根本争端。

 

运载火箭从来只以成败论英雄,开弓就没有回头箭,现在火箭哪次飞行任务失利不是因为细节没有处理好?对于载人火箭,细节错误就更不能容忍了,甚至要从源头上掐掉,极简极简再极简在航天飞机两次爆炸的阴影下,在接连波音卫星泄露、又有星际飞船泄露,再有载人龙飞船事故的背景下,后续NASA是否接受这种创新,这种试错?笔者深为怀疑!也许在大是大非面前,SpaceX再也不能淡定,是本次三缄其口的根本原因。

题外话,升维的引申—商业航天的两种技术路径



+




画出“可靠性和经济性两个维度下的优化目标图”后,突然想到一个有意思的比喻。

 

在技术层面上,商业航天,可以通过引入经济性的维度,通过新的价值取向,将航天技术推向一个新的平衡点,最后实现航天技术的螺旋式上升。

 

现在,民营公司在干火箭,国家队也在搞商业航天,它们的角色定位在哪呢?它们的瓶颈和困境又可能在哪呢?

 

在技术上,仍可以将商业航天发展路线用类似示意图表示,见下。民营公司当前处在下图绿色圆圈位置,国家队处于下图红色圆圈位置,为了达到方框位置,它们各自有着不同的途径。


图 商业航天技术发展的两种路径


对于绿色圆圈需要穿过全域,对于红色圆圈需要沿着边缘前进。

 

殊途同归都能达到目标最好,但其中可能会有什么问题呢?

 

一个会不会像《笑傲江湖》中华山秘洞中的五岳派高手,被困在秘洞中,一路想打穿秘洞,但最终在最后1米处陷入绝望直至死亡。

 

一个会不会像“大航海时代”游戏中,在非洲边上刚刚存完盘,结果一出海就碰到龙卷风,次次读盘都碰到龙卷风,游戏也玩不下去了。

 

山洞是什么呢?关乎技术、关于资本、关于坚持。

 

龙卷风是什么呢?关乎管理,关乎放权,关于耐心。





 扩展阅读:


振动力学—航天强国建设最需要的专业技术 | 洞穴之外
来自诗和远方的遥望—中国商业航天(火箭)的探索 | 洞穴之外
航天是高科技吗?| 洞穴之外
2019年总结—国内外航天六件大事,中国航天比国外先进还是落后… | 洞穴之外
2018观点总结:SpaceX民营火箭都上天了,做火箭难不难? | 洞穴之外
美国航天强大在什么地方?| 洞穴之外
航天帝国被禁锢的脚步——苏联载人登月失败原因分析 | 洞穴之外


背景简介:本文作者笔名洞穴之外,文章于2019年4月30日发表于微信公众号 理念世界的影子 (洞穴之外|SpaceX载人龙飞船逃逸系统测试故障的常识与演进),风云之声获授权转载。

责任编辑陈昕悦




文章转载自微信公众号:风云之声

类似文章