北美夏令时2024年6月6日早7点50左右,SpaceX星舰进行第四次轨道级飞行试验,得克萨斯墨西哥湾畔的博卡奇卡星舰基地依然承担本次发射任务。第一级助推火箭成功按原计划溅落在海面,尽管星舰再入大气时受到极端力量导致飞船的部分结构解体、摄像机的镜头裂开,翼面被烧穿,但在X直播的千万观众面前,星舰基本完整地降落到海面。
直到最后一刻,星舰遥测数据仍在传送。目前还很难判断星舰是否完全地执行了翻转机动和悬停的预定动作,也许在直播镜头里,这个鲸鱼般的大家伙显得有点笨拙,但她成功了。
第四次飞行的星舰,在飞行轨迹上的进展比前三次测试任务要远得多,几近完美地实现了发射任务的主要目标。
祝贺SpaceX,祝贺科学、工程和逻辑,祝贺人类文明!
作为两大百年“传统”产业,又是在中美的两大未来产业,航空和航天有所不同而又密不可分。产业生态的繁荣比关键技术的突破更加令人兴奋,SpaceX向全世界展示了在市场化与工程师文化下带来的敏捷研发与高效管理,可以迸发出怎样的创新成果和工程成就。第四艘星舰的成功溅落,犹如鲸落万物生的隐喻,Elon Musk带领的SpaceX团队,甚至改变了航天行业的载具一次性使用的"惯例",火箭复用的系统技术簇(Cluster)已臻成熟,落鲸已重生,产业生态万物生。
航空航天,动力先行,发动机是航空载具-飞机、航天载具-火箭的核心系统和关键能力。按发动机是否需要外部空气,可分为吸气式发动机和火箭喷气式发动机,基本对应飞机航空发动机和运载火箭航天发动机。那么作为各自的心脏,航空发动机和火箭发动机的技术含量哪个更高呢?
航空发动机和航天发动机的推进原理均为牛顿第三定律,利用高速喷出的气体的反作用力推动飞行载具。产生高速气体都依靠燃烧燃料,也即化学能转化为机械能。不过,航空、航天发动机燃料的燃烧和注入氧化剂的形式是它们之间的最主要区别:
燃料和氧化剂在燃烧反应中缺一不可。航空发动机燃料的氧化剂是吸入的外部空气,所以必须在大气层内工作。涡桨、涡扇发动机的飞行高度从3000米到20000米,过高的海拔会因为稀薄空气的氧含量较低导致发动机熄火。而航天发动机则靠火箭本身携带的燃料及氧化剂燃烧工作,不需大气层中的氧气助燃。故而,航天发动机可以完成在大气层外工作的使命。因此,航空、航天发动机的内部结构非常不同,设计重点便大相径庭。
航空发动机最普遍的形态是通过螺旋桨转动实现飞行目的,1903年,莱特兄弟致信多家发动机制造商寻求合作,但没有一家企业能给他们提供重量足够轻巧的发动机。于是他们找来自己店里的机械师查理·泰勒,让他来打造这台发动机。查理和莱特兄弟保持着密切的沟通,只花了六个星期就把这台发动机给造好了。为了减轻重量,他们为这台发动机采用了铝铸缸体,这在当时来说是相当罕见的。莱特·泰勒发动机是一台原始的燃油喷射发动机,它没有配备化油器和燃油泵,燃料箱被安装在机翼梁柱上,汽油在重力的作用下流入曲轴箱内。发动机通过链条传动来驱动螺旋桨。虽然这些链条看上去跟自行车用的差不多,但其实它们是由一家专门生产重型汽车传动链条的制造商供应的。莱特兄弟,将这台四缸水平直列式水冷发动机改装至“飞行者一号”飞机,并成功起飞。虽然飞行留空仅为12秒,飞行距离仅有36.6米。但这是人类航空发动机的第一次成功。
动力先行,方有飞行。
航空发展在先,航天发展紧随其后,而同样迅猛。
伴随着德国V1、V2火箭的呼啸,人类对航天发动机的研发在二战、冷战中高速发展,很难想象,1961年JFK的演讲过后第8年,1969年美国便成功实现了载人登月。5台分别高达6.7mN推力的F1航天发动机将土星五号数次成功送入月球轨道,无一失败。
航天发动机范畴内:化学发动机是技术最成熟且最广泛应用的火箭发动机,主要由燃烧室和喷管组成,有趣的是,在火箭发动机内,推进剂既是燃烧能源也是推进工质,它在燃烧室内生成高温燃气经拉瓦尔喷管膨胀加速,转化为气流并以极高速排出产生强大推力。按推进剂的物态,航天发动机又可分为液体发动机、固体发动机和混合推进发动机,上述"推进剂"就是火箭燃料加氧化剂的合称。
航空发动机范畴内:活塞发动机和燃气涡轮发动机在不同的场景分庭抗礼。活塞发动机因基本原理与汽车发动机类似,故较为容易设计及制造,且具备较高的可靠性和低成本优势。而燃气涡轮发动机的设计、研发和制造过程体现了系统工程的各方面难度和挑战,是人类最复杂的工业产品之一。
以涡桨发动机为例,其基本结构包括进气口、压气机、燃烧室、涡轮等几部分,而涡扇发动机还包括风扇、喷管等,更加复杂。与航天发动机相比,燃气涡轮航空发动机的部件更多,结构则复杂得多。其基本原理是,燃料(航空煤油、航空汽油等)燃烧的氧化剂为经进气道进入压气机减速增压的外部空气,外部空气进入燃烧室与喷嘴喷射出的燃料混合燃烧,瞬间膨胀形成高温气体,并继续流经涡轮膨胀加速,最终经由喷管高速排出,形成推力。
航空发动机与航天发动机的另一重要区别是使用寿命:发动机内部材料均在高温高压的严苛环境下工作,但航空发动机必须大量重复使用,在商业和军事场景下均需实现复杂环境下的多次飞行,甚至需要兼顾低成本,这要求航空发动机具有极高的可靠性和长寿命特征。现代主流燃气涡轮发动机的使用寿命基本均超过了1000个小时,商业飞行的航空发动机甚至高出一个数量级,这对航空发动机的设计能力、加工水平、材料体系和装配工艺均有极高的要求,因此它也被称作“工业皇冠上的明珠”。美国、欧洲和中国均对飞机、发动机有适航认证的严格标准,这直接促进了航空产业链生态的整合和工艺质量的普遍提升。
在SpaceX的努力推动下,航天发动机也逐渐向多次重复使用迈进,整个产业生态和研发观念随之有了较大转变。目前,航天发动机的使用寿命和次数已较几十年前有长足提高,但依然与航空发动机大不相同。航空业有着比航天大得多的市场空间和更复杂的使用场景,航空发动机的技术依然在高速进步,并出现电力分布式驱动、混合动力等多种新的技术谱系。
鸿鹏航空致力于适航标准的低成本航空发动机设计、研发及制造,我们祝贺SpaceX的星舰成功实现入轨飞行及溅落回收。航空航天,动力先行,鸿鹏航空在低空经济动力领域正在践行"吸收引进-正向设计-国产化"的技术路径,推动中国航空及低空载具的成本降低和产业生态繁荣。
航天发动机的复用技术有效推动了航天产业生态的重塑,我们相信,航空发动机也将扮演这一先行角色,低空经济所需要的适航低成本动力,悄然驶近。