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    N-1火箭到底发生了什么?为什么重型猎鹰成功了,他却炸平了发射台?

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    • 本文引自众众号航天受好者

      作者:Saturn V

      引言

      美国东部时间2018年2月6日下午3:45分,SpaceX的重型猎鹰火箭从见证了无数历史性发射的卡角LC-39A发射台腾空而起。这次测试发射吸引了近乎全世界所有航天爱好者的关注,唯一的载荷,驶向火星轨道特斯拉Roadster跑车更如深水炸弹般引爆了新闻界。27台梅林-1D引擎的成功并联同时运作,可谓为多引擎并联到底能不能用这一争论画上了短暂的休止符,而要理解这“旷日持久”的争论,还要从火箭技术发展的黄金年代太空竞赛时代说起。本文作者:Saturn V

      重型猎鹰从设计诞生之初最饱受诟病的便是其第一级27台梅林-1D引擎,作为在高温高压下工作的火箭引擎,常识来讲肯定是数量越少越好。作为过多使用第一级引擎的反例,苏联登月的N-1火箭常被拿出来“鞭尸”,第一级同时安装30台Nk-15的N-1火箭四次发射全部失败第二次发射失败引发的爆炸更是创下了人类有史以来最大非核当量爆炸。那么N-1火箭的失败是不是就意味着并联安装大量火箭引擎的设计就不可行呢?这还要从N-1火箭的设计理念和苏联的登月计划说起。

      从上图便可看出,N-1火箭的核心Nk-15煤油液氧引擎(上图标示为Soviet N-1),有着领先于绝大多数煤油液氧引擎的比冲(上图横轴),甚至碾压了土星5号第一级的F-1引擎,就连苏联自己也只在20年后的RD-170赶超。Nk-15优秀的性能要得益于这款在半个多世纪前设计的引擎使用了富氧分级循环技术,大幅度提升了推进剂的利用效率。简而言之便是煤油和液氧在预燃室燃烧后的废气不直接排出,而是通过管线重新导入主燃烧室继续燃烧,和之前火箭引擎采用的燃气循环不同,分成两级燃烧能利用预燃室的废气,充分利用全部的燃料和氧化剂。

      燃气发生器循环(上)和分级循环(下)示意图

      不过说的容易实际做起来就难了,这点从中国直到最近才通过YF-100掌握该技术的煤油液氧版本便能看出。由于预燃室的温度要比主燃烧室低,单纯的把二者连接起来燃烧室的高温高压气体会反向烧毁预燃室,苏联的解决方法是通过往预燃室添加超过最佳混合比例的液氧,含有大量未充分燃烧氧气的预燃气体就像一堵墙堵住了主燃烧室的气体的反噬,富氧因此得名。得益于此,Nk-15有高达137比1的推重比和海平面297s的比冲,同时期的美国登月火箭土星五号的F-1引擎也只有94比1的推重比和海平面263s的比冲,可以说Nk-15在其诞生的年代可谓神器版的存在,美国直到冷战结束前都不相信苏联有此等科技。但就是这款神器,却没能挽救N-1作为火箭自身的问题。

      科罗廖夫的原稿中N-1火箭第一级采用并联安装的24台Nk-15引擎,嗯?24台?不是30台嘛?还真不是科罗廖夫的原设计中并没有上图中位于火箭中央的6台引擎。原来在科罗廖夫去世后,接手的设计师瓦西里•米申发现原计划配套的苏联登月飞船“联盟7K-LOK”和LK登月舱比预计的要重,且还不是多重一点。原计划二者总重为75吨,但由于没有美国阿波罗飞船和登月舱先进的材料技术和设计理念支持,实际建造完成的苏联登月飞船和登月舱共计95吨,严重超标。同时由于苏联政府的压力,时间紧迫已不允许从零起步,米申和他的团队不得不在N-1基础上“魔改”,包括使用超低温液氧来提升Nk-15推力极限2%,但依然达不到推力要求,不得已才在第一级燃料罐下又加了6台引擎。也就是说实际上N-1的引擎设计是临时抱佛脚,并未经过充分的论证和模拟测试,这就未后续的一连串事故埋下了伏笔

      阿波罗飞船和登月舱(左)和“联盟7K-LOK”和LK登月舱(中)

      事实上美国的阿波罗项目也遇到了超重问题,哪怕使用了轻型材料和苏联方面没有想到的“一层锡纸”包裹的登月舱,整体重量还是超标。但和N-1不一样,土星5号通过在第二级第三级上减重来弥补,这两级创新性的采用液氢液氧储罐共底的设计,通过缩短箭体长度省去一层燃料罐底来减少箭体的整体重量。让两个温度差在80摄氏度的液体仅通过一层罐子底隔开,这对于材料工业基础薄弱的苏联是一个巨大挑战,同时由于军用优先的原则,苏联的燃料罐研发集中在弹道导弹常用的强腐蚀性偏二甲肼和四氧化二氮的抗腐蚀高分子材料上,也就意味着N-1火箭从一开始就没有储罐共底减重这条“捷径”可走。

      共底储箱结构示意动图

      土星5号第二级的液氢液氧共底设计

      更为关键的是和美国的土星5号不同,N-1的三级火箭全部采用煤油/液氧的组合,尽管在海平面有着出色的性能,但煤油液氧的组合在真空中比冲大幅度落后于液氢液氧的组合,因而还不能指望燃料利用率低的二级三级携带更多燃料来弥补运力。外加上三级火箭都没有采用储罐共底的设计,N-1因为载荷超重而要提升运力的重担,只能全压到剩余空间最多的第一级上,进一步增加了事故隐患。N-1火箭第三次发射,便是因为额外的6台引擎点火后,在火箭底部造成预料外的不稳定气流漩涡,导致火箭失控撞地爆炸。

      N-1火箭三级都和共底无缘

      如果说在看得见的地方N-1的缺陷已非常致命,那么比不经过完善测试而临时更改设计更致命的,是在看不见的地方的苏联电子工业。科罗廖夫很清楚同时使用多台引擎的风险,因此N-1第一级设计了充分的冗余。相比较土星5号第一级38703千牛的推力,N-1第一级有50655千牛的推力多了整整30%,理论最多可承受4台Nk-15的故障。由于故障引擎熄火会导致火箭推力不平衡,因而N-1第一级采用全对称设计,引擎称圆形排列在火箭底部外缘,单台引擎故障只需关闭对称位置的引擎便可保证平衡,也就是说N-1理论最多可在三分之一引擎熄火下依然完成发射。不过说的容易做起来难,负责管理引擎推力平衡的飞控电脑KORD(俄语“引擎运行控制”首字母简写)却有着诸多设计问题和程序逻辑漏洞,苏联电子工业的弱势在此展露无遗。

      N-1第二次发射灾难性爆炸

      N-1第一次发射KORD错把一台Nk-15燃料泄漏引发的火判断成火箭失控,直接在起飞后68秒关闭了所有引擎并锁死了一二级分离机构(很费解的编程逻辑),没有推力的2750吨火箭砸毁在距离发射塔大约52千米处。第二次发射起飞前#8引擎液氧泵爆炸,在关闭了#8后,KORD又错误地在起飞后12秒关闭了所有引擎,而关闭讯号却没有被#18引擎接收到,直接导致N-1火箭推力不均以倾斜45的姿态砸回了发射台上,近2300吨燃料和氧化剂的巨大爆炸几乎摧毁了整个发射台。针对两次发射苏联工程师禁止KORD在发射后50秒内关闭所有引擎和锁死一二级分离机构,但这却又莫名其妙的导致KORD在第四次发射时未能分离点火完毕的第一级。额外6台引擎熄火时,意料之外的机械应力破坏了第一级燃料和液氧管道引发大火,第一级带着未能分离的第二级同时爆炸。KORD这次离奇的程序逻辑错误原因,因第四次发射失败后N-1项目取消,至今为止都是一个谜

      显然通过N-1的事故原因便能看出,左边火箭能成功而右边却没能,并不不是设计理念的区别,而是在看得见和看不见的地方苏联作为一个国家和美国的整体技术差距。N-1火箭真正的问题不是多台并联的理念,而是为完成此理念的配套软件,以及在没有充分测试论证的情况下便赶鸭子上架的决定。苏联薄弱的轻工业和电子工业,外加上来自太空竞赛政治需求上的压力导致研发测试时间严重不足,才是N-1火箭失败的真正原因。

      SpaceX火箭目前独有的静态点火(Static Fire,又称系留点火)

      反观SpaceX对待重型猎鹰的态度,为避免重型猎鹰重蹈N-1额外6台引擎互相干扰的覆辙,重型猎鹰的27台梅林-1D采用2台一组的启动模式,两个助推以2-2-2-2-1的顺序启动后再启动芯级。这样可确保左右两个助推推力平衡,且避免引擎同时启动的震动产生共振破坏燃料管线,而为确保此程序正常工作,重型猎鹰还进行了静态点火,通过除起飞外其他全部项目都执行的测试来验证程序的可行性。另一方面NASA也没有给重型猎鹰时间压力,使得SpaceX可以一拖再拖完成重型猎鹰的每一项测试。

      不同于把30台引擎控制集中在KORD一个电脑控制,猎鹰9采用引擎和飞行控制电脑分开的设计。梅林-1D引擎每台都有3台电脑控制,而每台电脑含有两个独立的处理器,因而可以视为平行进行6次运算。一旦一个处理器故障导致计算错误,另外两台便可立即发现错误并重启错误电脑,随后错误的处理器和该台电脑下的另一台处理器同步获取正确数据,重新开始运算

      除去每台引擎的3台电脑外,猎鹰9火箭自身还有3台相互独立的电脑负责负责计算飞行轨迹和火箭整体各项数据。也就是说重型猎鹰最少也有27*3+3*3=90台飞控电脑在进行各种级别的运算,确保了火箭不会因为电脑故障而导致失败。虽说对于SpaceX的码农来说毫无疑问是个噩梦,但正如每次“ScrubX”拖延发射时的“借口”那样,几千万美金造的东西有1000种变成烟花的方式,但进入太空送入轨道的方式只有1种

      欲详细了解,可以看这个视频——SpaceX的软硬件设计,有意译者其它视频的可以关注微博“给虫”或B站账号(G4Y8u9)

      在软件的基础上,作为重型猎鹰的助推和芯级,猎鹰9的引擎底部还采用了独特的八网格式引擎保护装置(早期为九宫格式),SpaceX称其为Octaweb,这套由凯夫拉纤维加固的防爆装置能避免连带故障的情况发生。事实上Octaweb是有“实战经验”的装置,在猎鹰9号第4次发射的CRS-1任务时1台引擎在起飞后80秒失压关闭,追踪摄像头拍到了火焰消失瞬间和随后四散的碎片。Octaweb成功抑制了故障的扩散让剩余8台引擎得以正常工作,延长点火把龙飞船成功送入预定轨道。尽管此次任务的次要载荷,Orbcomm的测试通讯卫星未能成功入轨,但正如马斯克在国会听证会上引用ULA代表的那句话一样,“按照ULA的标准,这是一次成功的发射。”

      老马的内心真实写照

      就重型猎鹰火箭设计本身而言,也不仅是“捆绑三个猎鹰9第一级”或者“推力不够引擎数量来凑”那么简单,倒不如说捆绑三个猎鹰9第一级才是真正的步了N-1火箭的后尘。重型猎鹰的芯级不能和普通猎鹰9的第一级通用,原因在于两个通用的助推会对芯级产生额外的应力。芯级有额外的材料结构加固,尽可能避免N-1火箭对应力预估不足导致的发射失败,重型猎鹰在各种意义上都充分吸收了N-1数次发射失败的经验并加以完善。至于什么“推力不够引擎来凑”更是无稽之谈,N-1的第一级推力超过土星5号30%,重型猎鹰的起飞推力2300吨更是超过了之前重型德尔塔IV的954吨一倍多,这恰好是推力充足冗余足够的表现。

      重型猎鹰助推分离气动模拟

      SpaceX为测试27台引擎启动进行了无数次模拟和火箭静态点火的数据分析,对助推分离时复杂气流的模拟更数不胜数。显然有着充分准备和测试,甚至不惜推迟一年半发射的重型猎鹰,其多引擎并联技术是不能和临时改设计,无充分测试且赶时间的N-1画等号的。虽说N-1火箭造成多引擎并联技术背的“黑锅”不可能只因为一次发射就卸下,但至少重型猎鹰证明了该技术的实际可行性,某种意义上重型猎鹰反倒是替代了N-1火箭,完成了科罗廖夫多引擎并联技术的夙愿N-1火箭的失败并不可怕,可怕的是不理解失败的真正原因,且因为一次失败而彻底放弃对一项技术的研究本文转自: 可靠性杂坛

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