30个发动机的N1火箭爆炸了,29个发动机的星舰凭什么能成功?

史上最大的火箭诞生了,就在一个尘土飞扬的工地上。

spacex的星舰

这个高约120米,直径9米的家伙,推力达到惊人的6670吨,远超历史上最大的火箭推力。看着超重猎鹰底部密密麻麻的发动机时,很多网友表示不淡定了。

星舰一级是超重型猎鹰火箭,由29台“猛禽”发动机提供推力,如此多的发动机并联组合,这个火箭能行吗?

超重猎鹰密密麻麻的发动机

质疑一

每个发动机都不能保证100%可靠,大量发动机并联故障率将大幅上升,如果有一个发动机出问题,火箭就要在空中“放烟花”。

N1火箭

这确实算一个问题,但是如果说一个发动机出问题,火箭就要“放烟花”的说法言过其实。

并联控制的好处,就是其中一台发动机故障,并不会影响其他发动机的控制。就像你家的电灯,房间灯泡坏了,并不影响其他地方灯的使用。

另外,像超重猎鹰29台发动机并联控制的,设计时候考虑了动力冗余。在1~2台发动机故障的情况下,火箭还能拥有足够的推力。

在多发动机并联问题上,很多网友喜欢拿前苏联30台发动机的N1火箭来对比。其实N1火箭的几次失败,并不是因为发动机故障直接导致的,直接原因是控制问题,根本原因是整个项目仓促的时间和有限的资金。

质疑星舰的29台发动机

2021年的超重型猎鹰火箭,无论是整机的稳定性,还是猛禽发动机的可靠性,都不是几十年前N1火箭和NK33发动机可比的。

现在的火箭,传感器遍布全身,几乎任何一个地方的异常都可以被监控到。包括火箭共振、发动机核心温度、压力输出、涡轮泵流量等等一系列参数,都在大屏幕上实时显示,供技术人员分析和及早做对策。

spacex龙飞船的中控大屏

质疑二

多个发动机并联,怎么能保证它们的同步性?如果有一个发动机推力异常,火箭飞行就有可能失控。

其实很多人忽视了这几十年来,人类在自动控制上取得的成就。包括控制芯片、传感器、控制算法、通信技术的突飞猛进,计算机处理能力指数级地上升。控制区区几十台发动机同步进行,真的轻而易举。

星舰二级控制回收

在大型项目施工中,经常看到一群千斤顶整体顶升大件构筑物,过程非常平稳。这其实就是计算机控制集群液压千斤顶整体顶升法,利用计算机控制的快速、实时性,实现多个千斤顶的同步进行。

另外,最近流行的大型无人机秀也一样,都是最新计算机控制、无干扰即时通信及定位等最新技术的应用。

质疑三

不锈钢材料比合金重,全不锈钢的星舰能飞到太空吗?

印度的GSLV.MK3火箭,是全球目前唯一一个使用不锈钢材质的火箭。其起飞重量达到640吨,但是运载力只有10吨左右,运载效率只有可怜的1.15%,成为航天界的一个笑谈。

Spacex全不锈钢的星舰,是否也将面临这样一个问题?

星舰二级和超重型猎鹰火箭

星舰二级是需要载入大气的,如果使用碳纤维等较轻材料,加上全身覆盖隔热瓦等额外物体,整体重量也轻不到哪里去。

不锈钢的耐热远高于碳纤维材料,在星舰再入过程,背风面不需要装热盾。在马斯克的极限压迫下,不锈钢筒体厚度的不断减小,这样算下来,星舰二级使用不锈钢也重不了多少。

至于不入轨的超重型猎鹰火箭,经过优化后干重在160吨到200吨之间,对于这个尺寸的火箭,我觉得这个重量不算太重吧?

不过即使超重一点也没关系,减轻不够,动力来凑嘛!29台猛禽发动机,6670吨的推力,试问还有什么可担心的?

Spacex对多发动机并联控制还是很有经验的,重型猎鹰火箭就是由3枚“猎鹰9号”火箭CBC结构组成,总共有27枚发动机。

重型猎鹰火箭

超重型猎鹰火箭,只不过比重型猎鹰火箭多2台发动机而已,而后者已经实现三次发射成功。

除此之外,计算机模拟软件的兴起,也为火箭降低了很多风险。通过已知的输入参数,模拟火箭飞行中可能出现的各种问题,从而在设计和制造过程中解决,这是几十年前无法想象的。

我们的征途是星辰大海

最后,传说中的921新型火箭,使用3枚“长征五号”火箭并联而成(CBC结构),一共拥有21台发动机。

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