问题

太空探索技术公司(SpaceX)为何不制造类似土星五号那种大号的火箭引擎?

回答
说到土星五号火箭,那玩意儿当年可是真够劲儿,把人类送上了月球,气势磅礴,名留青史。但你有没有想过,为啥马斯克的SpaceX至今没整出个同等量级的大家伙来?这不是他们技术不行,而是他们走的路子不太一样,或者说,思路更“接地气”一些。

首先,得承认土星五号是个技术奇迹,尤其是它的F1发动机。那发动机的推力,简直是毁天灭地级的,单台就能产生150万磅的推力,五台加在一起,起飞的时候那声浪和震动,估计地球都得抖三抖。这种推力是为了克服地球强大的引力,一次性把阿波罗飞船塞进深空,而且还得是当时最笨重的载荷。

SpaceX的思路则截然不同。他们追求的是一种更“经济实惠”且“可持续发展”的太空运输模式。这听起来有点朴实,但背后却是精打细算的商业逻辑和前瞻性的技术规划。

1. 可重复使用是核心,不是一次性爆发力

土星五号是典型的“一次性消耗品”,火箭造价昂贵,发射一次就没了。这在冷战时期,为了国家荣耀和技术展示,当然没问题。但到了商业化太空时代,这种模式是玩不转的。

SpaceX的“猎鹰9号”以及未来的“星舰”系列,最核心的理念就是“可重复使用”。马斯克一直强调,要让太空旅行变得像航空旅行一样普遍和便宜,就必须大幅降低发射成本。而重复使用猎鹰9号的一级火箭,就是实现这个目标的关键一步。

制造一个像F1那样巨大的、推力惊人的发动机,确实能一次性解决大载荷的问题,但它的制造成本、维护难度以及一旦失败的损失,都是天文数字。更重要的是,你无法重复使用它。SpaceX更愿意花时间和精力去研发能够多次启动、多次着陆的发动机,哪怕单个发动机的绝对推力不如F1那么恐怖,但通过数量和灵活组合,也能达到甚至超越土星五号的载荷能力。

2. 更精细的推力管理和任务规划

土星五号的巨大推力,更多是为了“粗犷”地完成任务。但现代太空探索,尤其是载人任务,需要的是更精细的控制和更低的加速度。

举个例子,载人火箭的起飞加速度不能太高,否则对宇航员的身体是巨大的考验。土星五号那动静,想想都够呛。SpaceX的火箭设计,更注重推力的可控性和平稳性。例如,“猛禽”发动机(Raptor Engine),它是星舰的核心动力,采用了全流量分级燃烧循环技术,这是一种非常先进且高效的发动机技术。它允许在更低的温度和压力下工作,同时提高效率,而且更易于控制推力。

SpaceX的策略是利用大量相对高效、易于制造和维护的发动机来组成一个庞大的火箭系统。比如,星舰的助推器“超级重型”(Super Heavy)就计划装备数十台猛禽发动机。虽然单台猛禽的推力不如F1,但几十台加在一起,总推力是惊人的,而且可以通过精确控制每台发动机的工作状态,来实现非常灵活的推力输出。这样既能满足载荷需求,又能保证任务的安全性和舒适性。

3. 研发思路和技术积累的差异

土星五号是那个时代美国国家科研力量的集中体现,集合了当时最顶尖的科学家和工程师,并且国家不计成本地投入。它是一个时代的巅峰之作。

SpaceX是一家私人公司,虽然得到了政府的合同支持,但它仍然需要考虑商业回报和资金链的健康。他们的研发思路更偏向于迭代式改进和快速试错。从“三角洲”到“猎鹰1号”,再到“猎鹰9号”和“星舰”,每一步都是基于前一代的经验教训和技术积累。

制造一个和F1一样规模的巨型发动机,需要的不仅仅是推力数据,更需要的是材料科学、燃烧理论、涡轮增压技术、制造工艺等方方面面的突破。一旦某个环节出错,整个项目可能就要停滞甚至失败。SpaceX更倾向于在成熟的技术基础上,通过优化设计和流程,逐步提升火箭的性能和可靠性。

4. 未来任务的需求变化

土星五号是为了登月而生,目标明确且任务强度大。而未来的太空探索任务,虽然依然需要强大的运载能力,但需求也变得更加多元化。

深空探测: 需要的是更长时间、更稳定的飞行,而不是瞬间的巨大推力。
太空站建设和维护: 需要的是能够精准对接、多次变轨的运载工具。
星际殖民(SpaceX的目标): 这更是需要能够频繁往返、能够进行在轨加注、甚至能够在其他星球上进行燃料补给的“太空卡车”,而不是一次性发射器。星舰的设想就是为了实现这一点。星舰需要能够从地球飞到月球,再到火星,并且能够多次返回。这种多任务、可复用的需求,决定了它不可能采用土星五号那种一次性解决方案。

总结来说,SpaceX不造类似土星五号那种巨型火箭发动机,并不是因为他们做不到,而是因为:

他们追求的是可重复使用和低成本,而巨型一次性发动机在这方面是劣势。
他们更倾向于通过集群效应和精细控制来满足任务需求,而不是依靠单一的极致推力。
他们的研发模式是渐进式和商业化的,更注重风险控制和迭代优化。
未来的太空任务需求,也从一次性的强大冲击,转向了更灵活、更可持续的运输能力。

马斯克和SpaceX正在描绘的是一个截然不同的太空未来,一个低门槛、高效率、可持续的太空时代。而实现这个未来,需要的不是模仿过去,而是开创新的道路,即使这条路看起来和当年那个伟大的土星五号不太一样。星舰及其猛禽发动机,正是他们实现这一愿景的关键一步。

网友意见

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一句话,因为使用中等推力的引擎多机并联好处更多

发动机多了,冗余就大,一台发动机失效可以轻松弥补,

发动机多了,回收时只需要开一台或者少数几台,而不用对发动机的节流能力做出变态的要求,大大降低难度,

发动机多了,可以大批量生产,单位推力成本大幅度下降

所以认清现实吧,这就是趋势,未来谁认不清跟不上,就会被淘汰

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因为大人,时代变了。如今控制系统与算法下的多机并联的容错率与冗余度远高于为数不多的大型甚至巨型引擎。


另外,还有最重要同时也是很多人都没有意识到的一点是,猛禽发动机的包络尺寸非常小,推力面积比世界第一。同样的火箭芯级直径,塞满猛禽的总推力之和是要大于塞满F-1/RD-170/RD-180……这些所谓的“大号火箭引擎”的。


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