去火星得靠它、讓獵鷹九號原地爆炸的也是它,到底何方神聖?

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  碳纖維複合材料儲箱

  火箭遊戲規則的改變者

  實現SpaceX火星夢想的顛覆性技術

  1月15日SpaceX的獵鷹九號火箭發射成功,將10顆銥星送入預定軌道,同時第一級成功在太平洋進行了海上回收。運載火箭的返回複用需要以高運載系數為基礎,獵鷹九號火箭以比衝並不出眾的梅林液氧煤油發動機實現了驚人的運載系數,其中一個關鍵技術就是基於鋁鋰合金的超輕儲箱,但這並不是火箭儲箱技術的盡頭,使用碳纖維複合材料技術,火箭儲箱還可以繼續減重約30%,從而讓運載火箭的運載能力和運載系數達到空前的水平。

  獵鷹九號火箭的基本架構早在2010年前就定型了。雖然它在研製和使用中不斷進行迭代升級,但基本設計還是很難進行顛覆性的改進,比如第一級改用更先進更輕量化的複合材料儲箱。

  

  SpaceX老板馬斯克公布的火星計劃中,一個核心就是二級全複用的ITS運載器(“星際運輸系統”,Interplanetary transport system,簡稱ITS,也可以稱之為行星間運輸系統),ITS不僅使用全新的猛禽液氧甲烷發動機,也使用了複合材料儲箱技術。根據馬斯克的資料,ITS第一級裝有6700噸液氧甲烷推進劑,但包括發動機、儲箱、導航製導控製系統在內的干重只有275噸,火箭推進劑質量系數高達約0.96,或者說質量比達到了25.3。

  ITS的第二級同樣不俗,實際上是一個一體化設計的火星飛船,相比一般運載火箭的第二級或上面級,它在設計上擁有生活艙和維生系統等“累贅”,即便如此,它的質量比也達到了14,而純貨運版本更是達到27.8的驚人數字。

  ITS運載工具能做到這樣高的質量系數,固然有SpaceX豐富的輕量化設計經驗和高推重比發動機等因素,但碳纖維複合材料儲箱也是最關鍵的顛覆性技術。SpaceX的ITS複合材料儲箱並非空中樓閣,目前該公司已經作出了大尺寸的碳纖維複合材料儲箱,並在海上進行了壓力試驗。

  

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SpaceX展示的12米直徑碳纖維複合材料二級測試用液氧儲箱實物,由日本東麗公司提供原料。這是人類航天史上最大直徑的儲箱實物,土星5號和SLS都甘拜下風。

  技術突破將為重型火箭升級奠定基礎

  複合材料儲箱技術,其實在航天領域的應用已經有很長的曆史了,2013年底嫦娥三號探測器軟著陸月球成功,報道中就曾提到它使用了T-700碳纖維纏繞的金屬膜片儲箱,至於通信衛星等應用性衛星,使用複合材料儲箱更是曆史悠久。

  盡管如此,在運載火箭上使用的大型碳纖維複合材料儲箱,還是一項突破性的創新技術,但開創者卻並非SpaceX

  早在2011年美國航天局就和波音公司簽訂合同,製造兩個試驗用的複合材料低溫推進劑儲箱。波音公司製造的儲箱為液氧液氫儲箱,技術難度要比SpaceX的液氧甲烷儲箱更高,不過它們作為試驗用原型尺寸不大,較小的那個直徑約2.4米(8英尺),較大的那個直徑約5.5米(18英尺),而SpaceX的複合材料儲箱最終要做到12米直徑。

  

波音公司研製的5.5米直徑複合材料儲箱

  2013年波音的試驗性複合材料儲箱從西雅圖工廠製造完畢,交付美國航天局馬歇爾航天中心試驗,並通過了各項測試。美國航天局太空技術項目主管Michael Gazarik表示:“這項技術驗證工作的目標是,與傳統金屬推進劑儲箱相比,新的碳纖維複合材料儲箱重量減輕30%,成本降低25%”。

  毫無疑問,波音公司碳纖維複合材料儲箱技術的突破,將為未來SLS巨型火箭的升級奠定基礎,不出意外的話,SLS Block II甚至Block IB火箭都可能使用波音公司的複合材料儲箱技術,從而在火箭芯級和助推器不變的條件下通過上面級的改進提高,實現巨大的的深空運力提升。

  即使對比鋁鋰合金等性能最好的金屬儲箱,碳纖維複合材料儲箱也能為液體運載火箭性能帶來巨大提高,這項顛覆性技術的優勢建立在碳纖維遠高於金屬材料的強度上。

  以航天飛機外掛超輕儲箱使用的2195鋁鋰合金為例,它的抗拉強度不過是500多兆帕,而T300碳纖維的抗拉強度就有約3500兆帕,T800碳纖維的抗拉強度更是達到了約5500兆帕。碳纖維對比金屬材料的性能優勢極為突出,即使考慮碳纖維複合材料帶來的工藝處理等諸多麻煩,碳纖維複合材料儲箱也有很強的性能和成本優勢。

  事實上,固體火箭發動機領域複合材料殼體早已屢見不鮮,碳纖維複合材料殼體早就是現在流行的設計。美國20世紀80年代研製的“三叉戟II”潛射固體彈道導彈就使用了本國生產的IM7高強度碳纖維製作殼體,從而顯著提高了導彈的性能,法國M51潛射彈道導彈的固體火箭發動機也使用了T800級別的碳纖維減重。隻不過對於液體運載火箭來說,碳纖維複合材料儲箱到今天也還是一個新鮮事物。

  液體火箭遲遲沒有引入碳纖維複合材料儲箱,當然不是火箭研製廠商抱殘守缺,而是碳纖維複合材料應用於液體運載火箭上還有大量的難題需要解決。不同於衛星等航天器使用常溫的肼類推進劑,液體運載火箭主要使用液氧、甲烷以及液氫等超低溫推進劑,碳纖維複合材料和它們的相互作用和影響還缺乏經驗。

  就以SpaceX為例,2016年9月1日發射AMOS6衛星的獵鷹九號火箭地面靜態點火測試前爆炸,該公司經過反複調查最終確認是碳纖維複合材料氦氣瓶惹的禍,據稱超低溫的氧與加壓氦瓶殼體的碳纖維反應引發破裂,最終導致液氧儲箱爆炸。這種原因在航天發射史上尚屬首例。小小的複合材料氦氣瓶尚且如此,對於液體運載火箭的大型複合材料儲箱,業界廠商持謹慎態度也是可以理解的。

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網友拍攝到的獵鷹九號火箭爆炸瞬間,巨大的火球騰空而起

  盡管有著各種困難,但碳纖維複合材料儲箱的高性能還是吸引了越來越多的火箭廠商的目光,波音和SpaceX等大公司正在研製大型複合材料推進劑儲箱技術,而新興商業小型運載火箭如著名的火箭實驗室(RocketLab)公司的電子火箭、螢火蟲公司的螢火蟲火箭,也都不約而同的使用碳纖維複合材料儲箱。

  

  展望未來,隨著碳纖維複合材料儲箱的實用化越來越近,它將極有可能成為液體運載火箭領域遊戲規則的改變者。

Interplanetary Transport System的完整計劃