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不如长征五号,马斯克发射6吨重卫星,竟然需要消耗3枚猎鹰九

时间 : 2023-04-21 07:21:55 来源:档案馆

马斯克这次都心痛了,一次发射将要消耗3枚运载火箭?


(资料图片仅供参考)

提到最抠门的航天企业,相信大家都能想到SpaceX。

作为目前唯一做到轨道级火箭回收的航天企业,也是为了省钱,在前期大量的投入精力去研发火箭回收技术。随着SpaceX主力箭猎鹰九回收技术的炉火纯青,发射成本也是一降再降,顺利把航天发射的价格打了下来。顺势将大量的商业卫星发射订单收入囊中,打得传统航天企业措手不及。

然而,接下来有这么一个发射订单,竟然要消耗3枚猎鹰九火箭这是SpaceX史无前例的一次发射任务,是什么卫星需要马斯克如此下血本,是卫星太重还是运载能力的不足?

载荷仅6吨,火箭运力被打脸?

想要一次性消耗3枚猎鹰九号,那必然是一次猎鹰重型的发射。

什么卫星需要用猎鹰重型发射?

重型猎鹰

作为SpaceX现役最强的运载火箭在2022年SLS首飞前的几年里都是全球运载能力最大的运载火箭。

猎鹰重型是由三枚猎鹰九号捆绑集成的一枚重型运载火箭,而单发猎鹰九近地运载能力就已经达到了22.5吨。而猎鹰重型的近地轨道运载能力达63.8吨,相当于一架满载的波音客机。地球同步转移轨道运载能力为26.7吨,与美军M7中型坦克相当。地火转移轨道运载能力为16.8吨,相当于一台重型货车。仅从运力来看,区区2吨多重的超跑别说是火星,送到冥王星也绰绰有余。

但是,SpaceX研发猎鹰重型的目的是为了近地轨道的吗?

很显然不是,迄今为止SpaceX虽然猎鹰九号和猎鹰重型的最大运力在22.5吨和63.8吨,但却从未发射过超过20吨的载荷。

一是没有这么大的载荷可以给SpaceX去发射。二是猎鹰火箭是强动力弱结构。

由于箭体至今只有3米出头,限制整流罩的大小,意味着装不下太大体积的载荷。别看运力能达到22.5吨,但整流罩连天舟货运飞船都塞不下去。再者由于二级火箭太轻,箭体支撑不住太大重量的载荷。

那么,为什么还要研发猎鹰重型?

打高轨

猎鹰九号虽然性能虽然很强劲,各数据也好看,推重比更是现已第一。但梅林发动机毕竟不是什么优秀发动机,虽然被SpaceX改进后拥有稳定重复点火的能力,但9台堆叠成神,单台推力吃瘪。尤其是最为传统的液氧煤油作为燃料,在真空环境上可以说是弱到家了。

一个是发动机不行,二是燃料不行,导致猎鹰九号虽然有强劲的近地轨道运力,但高轨运载能力不行。所以马斯克寻思,不行啊,轨道越高钱越好赚啊!一不做二不休把猎鹰九号稍改一下,三枚拼一起,重型猎鹰问世。执行高轨道发射任务,但猎鹰九号的问题在猎鹰重型身上并没有很好的改善。

ViaSat 3美洲任务

Viasat-3——波音公司抓总研制的有史以来最强大的高通量Ka波段通信卫星!其首发星(美洲星)旨在搭建一个三颗卫星覆盖全球的通信网,为西半球的南北美洲提供超高通量通信服务。并为达美航空、美国航空、联合航空、西南航空、捷蓝航空和其他商业航空公司的乘客提供机上WiFi。

该卫星也是波音702MP+平台的首发星,以及702MP系列平台首次采用全电推进系统。

Viasat-3整星质量约6吨,星上安装的一对巨大太阳翼(共16块板子)发电功率达到30kW(ISS发电能力的1/4),巨型伞状天线使其通信速率高达100+Mpbs,通信容量更是高达1Tbps(即1000Gbps,上个月发射的我国最强通信卫星中星26号刚超过100Gbps)!!!

Viasat-3搭载有先进的软件自定载荷和柔性转发器,全球通信波束可重构。由3颗部署在地球同步轨道上的Viasat-3所组成的通信星座,服务范围近乎覆盖全球。

这时候,就有人会提出疑问,猎鹰重型的地球同步转移轨道运载能力不是为26.7吨吗?怎么这才6吨就需要三枚全部消耗?这里就要提到转移这个词。转移轨道是指点对点的转移,例如地月转移轨道20吨,就是指将航天器部署在地球前往月球的轨道上,不是部署在月球轨道上。所以,同步转移轨道只是将航天器部署在近地轨道到同步轨道的转移轨道上,星箭分离后,卫星还需要靠自身的推进系统或是上面级圆化轨道,自行泊入目标轨道。

但这种方式会造成一个比较严重的问题,卫星在轨道上执行任务需要不断的通过自身的燃料去调整轨道,或者去配合一些任务的调动。如果是采用自身的燃料提升轨道,就会造成自身卫星寿命的削短,所以一些重要的卫星在发射的时候会选择花更多的钱让可以直接部署入轨的运载火箭执行发射任务。

这次猎鹰重型的任务是直接将Viasat-3卫星部署至34600km的低倾角近圆轨道,什么是近圆轨道?因为火箭的推力比较大,猎鹰二级搭载的梅林1D真空版最小推力360kN,吃部署精度的载荷猎鹰要不起,很难做到精准泊入目标点。所以将卫星部署在近圆轨道,再利用卫星自身的推进系统去圆化轨道。

但这一次的发射任务确实让猎鹰重型成为笑柄,Viasat-3是三颗卫星组网,这次任务是第一颗,后面两颗将由ULA公司的宇宙神5和欧空局的阿丽亚娜6去执行发射任务,要知道这两枚运载火箭的近地最大运力才20多吨,也可以执行与猎鹰重型同样的高轨道任务。这是猎鹰重型被笑的最大声的一次。

猎鹰重型在全扔的情况下,直入同步轨道运力大概在12吨,但由于助推火箭没有足够的燃料返回陆地,而且双发海上回收还没有尝试过,在加上由于轨道比较高,回收难度较大。干脆就不会回收了,再说了Viasat公司已经额外支付了火箭消耗的费用。也不贵,毕竟只有芯级是全新的,助推器分别是使用了2次和使用了8次的。

那为什么SpaceX高轨运力这么差?还是刚才提到的液氧煤油的发动机推力大,但比冲低,真空直接吃瘪。所以,除非是在回收的情况下,猎鹰重型可能是比较经济实惠的,但没有回收的情况下,作为近地轨道运力达到63吨的恐怖巨箭,高轨道直入任务的能力竟然与长5、宇宙神5、阿丽亚娜5、6差不多。

其他运载火箭有优异的高轨道运力表现还是得益于出色的氢氧作为燃料的发动机 。氢氧的热值很高,氢的分子量很小,所以氢氧的比冲在现役火箭发动机里面是最高的。高比冲就意味着相同Dv(速度变化量)需要携带的燃料更少,芯级会更轻。

而目前,现役最出色的还数ULA的半人马座二级运载火箭。它的迭代历史也非常悠久,1957年,美国宇航局成立的前一年,美国空军对通用动力/航天公司的一项建议进行了研究,该建议提出研制一种新型航天运载工具,以使美国尽快拥有重型有效载荷运输能力。

这种高能运输工具用作运载火箭的第二级,推进剂使用液氧/液氢组合,能用于运送重3856公斤的有效载荷,它就是后来的半人马座(Centaur)上面级。

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