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  • 1 # 航小北的日常科普

    你知道工業產品怎麼才能夠最大可能地降低成本嗎?很簡單,規模化、流水線式地生產。這樣從原料、零件生產、組裝裝配、測試、工人培訓管理都可以重複化執行,把效率提高到最高,比如說下圖中的流水線生產汽車,已經把汽車價格幾乎壓到了白菜價。

    但是現代高科技工業產品又有一個特點,就是定製化,所以就意味著你一般不能夠把每個產品都生產的一樣。比如說火箭發射衛星,有的衛星就一噸重,有的衛星十噸重,你用能發射一噸重的火箭發射十噸重的衛星發射不上去,你用能發射十噸重的火箭發射一噸重的衛星發射,所以說以前的火箭都是一整整出來一個家族,有的火箭負責發射一噸重的衛星,有的火箭發射十噸重的衛星,比如說華人最為熟知的“長征”全家桶【如下圖所示】,再下面的還有美國的火箭家族【包括了SpaceX】。

    但是這就有個問題了,為了生產不同的火箭,我就要準備不同的生產線,彼此之間還不能互用。另外就是,製造一枚火箭價格不菲,而且工期很長,但是偏偏我可能今年連著接到十個訂單讓我發射一噸重的衛星,明年就一個這樣的訂單都收不到,你說我發射一噸重的火箭生產多少?流水線敢不敢馬力全開?

    種種的問題,讓火箭的價格一直居高不下——簡單來說,就是沒法規模化、流水線式地生產。

    而SpaceX公司就想到了一個辦法——實際上這個辦法一點兒都不神秘,甚至於每個人都會:模組化生產,又叫搭積木。

    簡單說,有的衛星一噸重,那我造發射一噸重衛星的火箭,有的衛星十噸重,那我就把十個能發射一噸重的火箭綁在一起,把這顆衛星發射上去——這於是就有了三發差不多大小的助推器。

    所以說,我們看一下下圖中SpaceX火箭家族,對比一下傳統火箭家族,最大的不同就是傳統火箭家族中,火箭有長有短、有粗有細,而SpaceX家族基本上主體部分差不多——這就意味著,他們可以輕鬆用相同的零件拼出來他們想要的定製化的火箭。

    那剛剛說到的問題就好解決了,反正就是拼命生產主體部分就好了,先生產一百個,你過來什麼樣的衛星,我拼拼湊湊就給你發了,你也不用等我,我也不用等你,我生產線拼命生產就好了。而且生產出來的東西基本上都是一樣的,甚至於還是可回收的,你說我效率有多高?

    所以這就是為什麼SpaceX一下子能夠把火箭發射價格壓的驚人的低的原因。

    但是SpaceX這樣的做法也是有問題的。

    有一種東西叫做可靠性,可靠性這個東西最怕的一個就是叫串聯,就好像一堆開關串在一起連了一個燈泡,哪個開關斷開了,燈泡就要熄滅。

    簡單來說,我一個零件可靠性可能有90%,但是如果一個裝置我要三個相同的零件連在一起才能夠工作,那麼整個裝置的可靠性一下子就變成了90%*90%*90%=72.9%,一下子降低了很多。如果是十個呢?可靠性變成了30%左右了。

    所以說,串聯的東西很不穩定,這也是現在很多火箭相關企業明知道模組化好,但是遲遲不敢用的原因。你看下面這個獵鷹重型火箭密密麻麻的噴口,哪個壞了,任務就算完蛋了——正所謂不怕一萬,就怕萬一,東西多了,沒準哪個就壞了。

    不過怎麼說呢,SpaceX確實是航天市場一匹黑馬,他的很多做法非常新銳,雖然冒險,但是我覺得值得,也確實成果斐然、不容否定。馬斯克本人也很有魄力,應該算的是非常厲害的企業家。

  • 2 # 航天小生張偉

    重型獵鷹採用的是3個獵鷹9火箭一級芯並聯的設計,這個設計思路稱為CBC模式(Common Booster Core),也就是火箭助推方案採用多個通用助推並聯的設計,核心級和助推火箭一樣了。CBC方案一方面提高火箭的運載能力,另一方面則儘可能降低助推結構的研發成本,這樣的設計只需採用一套火箭發動機就能滿足需求,就像重型獵鷹一樣,3芯並聯第一級共採用了27臺梅林1D發動機,箭體結構都能通用了,適合規模化生產。

    嚴格來講,為什麼是3個芯並聯其實並沒有嚴格的限制,之所以採用這種結構一方面考慮火箭的共振等可靠性問題,畢竟發動機越多越容易出事,不然就跟蘇聯的N-1一樣(一級裝了30臺NK-33);第二滿足運載要求就足夠了,並聯太多也是一種浪費。其實,只要能夠克服多芯並聯帶來的助推結構可靠性、共振、火箭姿態控制等問題,同時不考慮發射成本,5芯並聯理論上也是可以的。

    其實CBC三芯並聯的方案也是一種折中和取巧,在研發超重型火箭存在種種困難的條件下,以相對簡單的方法和可靠的技術儘可能的提高火箭運載能力也是一種很好的思路,雖然土星5火箭5臺F1發動機的方案更理想,但成本和技術難度實在太高。目前採用CBC三芯並聯的火箭都是重型火箭,分別為宇宙神5、德爾塔4、重型獵鷹以及安加拉5。

    圖1 德爾塔4火箭

    圖2 安加拉CBC三芯並聯

    “一大三小”三角助推佈局並不是想象中那樣,這種佈局在運載火箭歷史上幾乎沒有過。小助推火箭為了箭體平衡都採用偶數的佈局,要麼2,要麼4,好像只有美國德爾塔某型號實驗過1個和3個的助推,但都是為了試驗和驗證、但並未正式投入使用。

    補充說明:獵鷹重型火箭的技術含量就體現在它的動力學控制及最佳化上,三組發動機,開始芯級節流,兩側助推級發力,避免了共振現象;後面芯級發力,透過最佳化的控制演算法,確保了正常的發射。獵鷹重型完美展示了用一系列相對落後的發動機透過最佳化控制實現大推力的能力。中國未來也可以採用這種方式實現載人登月,而且中國的類似發動機比梅林-1D的效能還要好。

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