马斯克的粉丝们经常津津乐道的是,SpaceX的猎鹰9号火箭可以垂直回收,并牢牢地降落在海洋中的“方舟”上。此外,其中一枚火箭被回收并发射了9次。于是他大喊:“马斯克代表未来,但它是神!”
另一方面,中国的长征五号乙火箭虽然比猎鹰9号的腰大一圈,但运载能力也差不多。更重要的是长征5 B是一次性的,一次性的,真的是浪费。说到这,“马迷”们满是厌恶。
长征五号与回收的猎鹰9号 长征五号和回收猎鹰九号
老周首先需要纠正一点:长征五号B火箭近地轨道运载能力正式申报为“大于22吨”,将22.5吨推向近地轨道没有问题;猎鹰9号LEO-22.8吨火箭不回收时有两个数据,但如果要将一级火箭回收到着陆平台,只能运输15.6吨,少了7.2吨。
单从最大载荷来看,猎鹰9号可以将22.5吨重的“天河”核心舱送上天空,但无法回收火箭。但是考虑到天河高20.5米,直径5.2米,重量27.5吨,对于猎鹰火箭来说太大太重了,一级火箭是不可能回收的。
为什么猎鹰9号的运载能力会降低?因为它以消耗燃料为代价回收了一级火箭,抵消了载荷重量,造成了7.2吨的载荷缺口。
猎鹰9号一级火箭空中减速 猎鹰9号一级火箭空减速
事实上,猎鹰9号火箭更像是长征五号助推器的加长版。两者均燃烧直径相近的液氧煤油,点火升压时间约为170秒。长征五号火箭飞出大气层,在220秒左右抛下整流罩,而猎鹰火箭第一级需要在大气层中逃逸返回。
根据不同的任务,猎鹰9号一次发动机在约65~76公里的高度关闭并与二次火箭分离,不离开大气层;最终速度约为4.9~6.8马赫,与第一宇宙速度23马赫相差甚远。
在发射卫星、航天器、空等航天器时,我们需要将它们送出稠密的大气层,并给予它们7.9公里/秒的初始速度,以保证航天器的长期稳定运行。从这个角度来看,猎鹰9号火箭的第一级在高度和速度上都不能满足要求,设计时也没有考虑飞出大气层。
猎鹰9号靠第二级推出大气层 猎鹰9号在第二阶段被推出大气层
与包括猎鹰9号在内的大多数运载火箭不同,长征五号B是“一级半”构型的火箭,其四个助推器加起来就是“半级”,在大气层中脱落;一级堆芯火箭不仅需要将天宫空站的堆芯舱推出大气层,送入200-400公里高度的轨道,还需要给天河的堆芯舱7.9公里/秒的初速,以保证不坠落。
所以当火箭与核心舱分离后,长征五号的核心级实际上就跟随着“天河”的屁股,变成了绕地球飞行的航天器。
很多朋友都知道,在地球大气层100公里的高度有一条“卡门线”,叫做大气层的边界,所以都说地球大气层的厚度是100公里。需要注意的是,大气中没有明确的边界。400公里的海拔,也就是我们常说的“台空”,其实属于大气的“热层”,那里还是有稀薄的空气体,所以也有空气阻。在空空气阻力的作用下,国际空站间持续减速,每天将下降100米。
空间站每天下落100米 空站每天下降100米
还有,由于空的空气阻力,长征五号火箭关机后会持续下降。2021年3月26日凌晨,美国西雅图空一群燃烧的火球划破夜空,这是猎鹰9号火箭第二级的残骸。按照计划,SpaceX应该使用火箭剩余的燃料减速,让二级火箭在3月4日重新进入大气层。火箭因点火失败在轨道上漂移了22天,最终失控降落在华盛顿州。
猎鹰9号第二级分解掉落 猎鹰9号在第二阶段出现故障
那么长征五号B的核心级火箭真的是西方媒体描述的“失控火箭”吗?“天河”号核心舱发射时间为4月29日,重返大气层时间为5月9日左右,总共才9天多一点。由此我们可以得出结论,长征五号核心一级火箭在与“天河”分离后,用剩余燃料“踩刹车”,其返回轨道已由科学家规划,是“受控坠落”而非“失控折损”。
长征五号与天和号核心舱分离 长征五号与天河核心舱分离
那么,一枚巨大的火箭从近地轨道降落到受控的指定区域有多难呢?到目前为止,没有人能做到,也没有必要去做。
为了节省发射成本,SpaceX让其猎鹰9号火箭降落在海上的移动驳船上,这不仅需要精确的控制技术,还需要7吨重的载荷,你也可以理解为一辆大马拉大车付出的“成本”。猎鹰9号火箭的高度和速度都比较低。如果它以23马赫的速度从大气层外返回,将会困难和不经济几个数量级。正因如此,SpaceX在2014年正式宣布放弃二级火箭的回收计划,改为“受控坠落”。4吨级的助推器也是如此,更不用说控制一枚18吨级的火箭要花多少钱了。
长征五号火箭是巨大的 长征五号火箭是巨大的
火箭重返大气层时,由于与空气体剧烈挤压摩擦产生的几千度高温,其铝合金外壳和复合燃料箱会燃烧解体,破碎成碎片,变成尘埃。与空站不同的是,火箭的大部分零件都很薄很轻,所以即使少量落地,也不会造成很大的损伤。经过反复计算,长征五号B的残骸坠落轨迹位于海洋中,击中人的概率可以忽略不计,大家不用担心。