这小国搞火箭竟比中国还先进:全碳纤维外壳 电喷发动机

公元2017年5月25日,电子号火箭从位于新西兰北岛的马希亚私人航天发射中心发射成功。这是电子号火箭的首次发射,同时这也是比较少有的从南半球成功发射的商业火箭。

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今天之后,当我们提到新西兰这个国家的时候,或许立刻想到的,将不仅仅是猕猴桃和电影《指环王》了。一枚黑色的小火箭在这里矗立并发射,一家拥有自己研发的火箭和自己建设的发射场并以承接卫星发射业务为主的私人商业火箭公司从此在南半球萌芽并奋力崛起。

小火箭在本文将较为详细地叙述这枚被称作“电子火箭”的小火箭。(哈,好像这种类型的火箭和我这个小火箭的名字重名了。)

名称

新西兰Rocket Lab(火箭实验室)研制的这款火箭的英文原名叫做Electron(也就是 电子)。那么,这款火箭是小火箭几个月前的系列文章中和大家一起详细计算和探讨的电推进火箭么?

并不是。这款火箭实际上采用的依然是以液氧煤油为燃料的化学火箭。只不过,其火箭发动机的涡轮泵并没有采用传统的燃气驱动的方式,而是用电动机驱动,因此也就有了电子火箭的称谓。实际上,为了避免混淆,小火箭建议该火箭今后的中文译名统一为“电子”号火箭比较妥当。哈,刚巧苏联/俄罗斯有一款“质子”号火箭。

设计

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首先说一下这枚火箭为什么是通体黑色的吧。

电子号火箭的外壳大部分是由碳纤维复合材料制成的(其实火箭内部的很多结构部件也是碳纤维的),而火箭本身为了减重的需要,没有专门再另行喷涂白色涂层,因此看起来就是这个颜色了。

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用碳纤维的一大好处就是(在热防护和结构校核做好的前提下)能够让火箭的壳体既轻又坚固。电子号火箭的整流罩总重只有30公斤。该火箭的整流罩由两个半片组成,一个半片重15公斤,因此,一个女孩子也能单手托起这枚火箭的半个整流罩。

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电子号火箭的碳纤维复合材料整流罩正在厂房中进行抛整流罩试验。

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总体来说,电子号火箭是一枚二级运载火箭,全长17米,直径1.2米,起飞质量10.501吨。

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无论是从起飞质量上来说,还是单论个头儿,这都是一枚名副其实的小火箭。

动力

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电子号火箭的动力系统还是很值得一提的。与SpaceX公司的猎鹰9号火箭类似,电子号火箭也采用了发动机通用化的设计理念:整枚火箭所采用的10台液氧煤油发动机基于相近的设计来制造。第一级采用完全相同的9台发动机,第二级的那1台发动机针对真空环境做了相应的改动,其比冲比一级火箭的9台发动机要大一些。

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电子号的第一级采用了9台卢瑟福液氧煤油火箭发动机。看这个布局形式,是不是有些眼熟?

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嗯,是的。电子号火箭的发动机布局形式与猎鹰9号火箭是相同的。这或许会让很多第一次看到电子号火箭的人以为他看到的是猎鹰9号火箭的缩比模型。上图为猎鹰9号火箭。

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电子号火箭的直径为1.2米,在这么小的范围内能够布置9台发动机,这发动机得多小才行啊。上图就是一台电子号火箭使用的卢瑟福火箭发动机实物的照片。注意其喷口左侧竖着放了一只皮鞋来做对比。喷口下方用于托起这台火箭发动机的就是该火箭大量采用的碳纤维复合材料。

小火箭几经查证和探寻,得知了这只鞋子的尺码:13码。小火箭查了一下,美国的13码男鞋对应中国鞋子的尺码为47.5号,对应的长度为31厘米。整台发动机,长度相当于2只比较大的鞋子。

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这么小的一台发动机,能够产生22千牛的推力,其指标还是可圈可点的。

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说起电子号火箭的发动机,就不得不提让火箭本身得名“电子”的首款实用型电驱动涡轮了。

电子号火箭采用的卢瑟福火箭发动机上面有2台电动机。每台电动机的功率高达50马力(37千瓦),正常工作的转速为4万转每分钟。电子号火箭的第一级采用9台发动机,也就是说仅第一级发动机的涡轮泵就需要18台电动机,共需要666千瓦的电功率。好在现代无刷电机和锂聚合物电池技术的发展让这个需求得到了满足。电子号火箭的锂聚合物电池组能为火箭第一级提供高达1兆瓦的电功率。

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不过,这也基本上到了现代商用电池和电路系统的极限了,因此卢瑟福火箭发动机目前只能做到这个大小,这是一枚10吨量级的小运载火箭却需要9台发动机来起飞的原因。

电子号火箭采用的电驱动涡轮泵,将传统的燃气发生器循环方式(代表型号:V-2导弹的发动机、土星5号火箭的F-1火箭发动机)的50%的涡轮泵效率提升到了95%。有关这两款经典导弹、火箭的发动机,详见小火箭的公号文章《V-2导弹:现代弹道导弹和运载火箭的鼻祖》《F-1:史上最强的单燃烧室液体火箭发动机》。

当然,这是表上数据,小火箭认为,具体的效果还需要在今后的发射过程中通过实践来进一步验证,毕竟电驱动涡轮的效率虽然高了,但是火箭为此要多配备个头不小的电池组和大功率大电流的电路系统,整个系统增重不少。

电驱动涡轮带来的效率提升与电路系统带来的重量增加之间,需要进行权衡,这是设计师需要考虑的关键点。

不是还有一种叫做分级燃烧高压补燃循环的液体火箭发动机的工作方式么?

是的。以这种循环方式进行工作的火箭发动机效率较高,其典型代表为苏联能源号运载火箭上使用的迄今为止人类研制的推力最强的火箭发动机RD-170(详见小火箭的公号文章《RD-170:世界上推力最大的液体火箭发动机》)、中国长征7号运载火箭使用的液氧煤油火箭发动机。小火箭在这里借机会和各种工程师回顾一下采用高压补燃循环方式的火箭发动机。

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RD-170是一款典型的高压补燃循环液体发动机。她有4个燃烧室,1台涡轮泵和2个预燃室。其中涡轮泵是单级的,整个涡轮泵系统还包括有1台氧化剂泵,1台两级燃料泵,整个系统连接了低压的燃料泵和氧化剂泵,并使推进剂增压,以防止涡轮泵形成空穴现象。

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RD-170火箭发动机管路阀门系统示意图。注意,淡黄色的为煤油管路,淡青色的为液氧管路。

上图中央的红色罐罐中的黑色,为主涡轮轴。从上到下的4个黑色涡轮,依次为:主涡轮泵、氧化剂泵、主燃料泵和主启动泵。

中央的红色罐罐两侧各自伸出一个耳朵,那就是RD-170的2个富氧预燃室了。一部分燃料在预燃室中进行燃烧,带动涡轮泵转动。而涡轮泵转起来之后,燃料和氧化剂就能够迅速流动了。

如果整枚RD-170发动机是一颗心脏的话,这部分管路的作用就类似于冠状动脉。

不说RD-170喷口的那740吨的力量了,只说涡轮泵吧。

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RD-170的涡轮泵功率为25.7万马力,相当于2.57个铁臂阿童木。

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小火箭将25.7万马力换算成功率,约为192兆瓦。有这样一艘叫做亚马尔的破冰船,是核动力的,排水量23455吨。上面有2座核反应堆,驱动2台汽轮机,带动6台发电机。这些发电机的总输出功率为55.3兆瓦。

小火箭要说的是:RD-170的一台涡轮泵的功率相当于这样一艘核动力破冰船全部功率的3.47倍。

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RD-170喷管内速度场计算(邢强博士 2016年5月25日至31日凌晨计算)。实际气流速度比我算的这个要快一些,但分布情况类似。分级燃烧高压补燃循环是能承受非常高的燃烧室压力,这使得火箭发动机的喷管可以用更大的膨胀比。而主要缺点就是涡轮机的工作环境苛刻,需要添加许多额外的导管和阀门来输送高温燃气,还必须设计很复杂的反馈控制系统。从上图可以看到我计算的RD-170漂亮的喷管内流场,像不像婷婷的舞女的裙?

RD-170设计优美,功率强劲,那么电子号火箭能否借用她的设计呢?

还是不要了吧。RD-170火箭发动机仅仅一台涡轮泵的功率就超过目前的电子号运载火箭的电池系统的峰值功率的190倍了。因此,小火箭认为,今后的火箭发动机涡轮泵系统的设计思路会因为运载火箭的大小而产生分化:大型液体火箭发动机的涡轮泵因所需功率实在太强大,目前以及可预见的几年内,依然需要依赖带有预燃室的化学能来推动,而小型火箭发动机的涡轮泵所需功率较小,可以由当前的大功率电池系统来满足。

以电动机来驱动涡轮泵的诱惑还是比较大的,这可以从小火箭给出的传统分级燃烧高压补燃循环火箭发动机和带有电驱动涡轮泵系统的火箭发动机的示意图的对比中找到答案:

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上图就是传统分级燃烧高压补燃循环火箭发动机的示意图。可以看到,在涡轮附近,有预燃室存在。一部分燃料在预燃室里燃烧,以便产生驱动涡轮泵的强大能量。

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卢瑟福电驱动涡轮火箭发动机多了电池组和逆变器还有电动机,但是省掉了复杂的预燃室和大量管路阀门。

卢瑟福

眼看着就又要到高考的时候了,不知道大家对卢瑟福这位占据高中物理内容重要位置的科学家还有印象不。

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啊?我对人类认识原子结构的过程有重大贡献噢!你们可不能把我给忘了。

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1909年,在物理学家卢瑟福的指导下,研究者们用氦离子轰击金箔。他们意外的发现有很小一部分离子的偏转角度远远大于使用汤姆孙假设所预测值。

卢瑟福对这奇异的结果感到非常惊异。正如同他后来说的:“这就好像你朝一张卫生纸射出一枚15寸的舰炮炮弹,而炮弹却弹回来打中你一样。”

卢瑟福根据这个金箔实验的结果提出一个模型:原子的大多数质量和正电荷,都集中于一个很小的区域(原子核);电子则环绕在原子核的外面,像行星的环绕着太阳进行公转。这就是影响了物理界很多年的卢瑟福原子模型。

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小火箭觉得,既然电子号火箭所用的发动机以卢瑟福来命名,那就不得不好好介绍一下卢瑟福博士了。

小火箭这样来介绍他:欧内斯特·卢瑟福博士(1871-1937),生于新西兰,成名于英国剑桥大学。他是卢瑟福模型的提出者、诺贝尔化学奖得主。他发现了半衰期现象,并测定了地球的年龄。α射线和β射线是他命名的。索迪、盖革、威尔逊、阿斯顿等十位诺贝尔奖得主是他的学生。丹麦的波尔、德国的哈恩、苏联的卡皮查也都是他的学生。卢瑟福博士发现了质子,他指导的学生查德威克发现了中子,他的另外一位学生阿普尔顿发现了电子层的存在。他被称作继法拉第之后,最厉害的实验物理学家(就是动手能力超强的意思)。翻开物理学课本,进入原子核物理这个章节,我们能够看到太多和卢瑟福或者他的学生相关的内容了。实际上,卢瑟福早已被称作原子核物理之父了。

1931年,因对人类科学的巨大贡献,卢瑟福受封男爵爵位,从此卢瑟福博士改称卢瑟福爵士。1937年,因病去世的卢瑟福爵士被葬在牛顿爵士旁边。

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这样伟大的一位科学家,新西兰当然会以他为荣。这款诞生于新西兰的运载火箭上使用的具有划时代意义的发动机以卢瑟福爵士来命名算是一种向他致敬的方式了。上图为新西兰在卢瑟福小时候生活的地方竖立的卢瑟福爵士的铜像。

关于新西兰和卢瑟福,小火箭觉得还需要再补充说两点。

和大部分后来看到的卢瑟福给人的印象不同,他的那股范儿是知识带给他的而不是财富。卢瑟福是个苦孩子。他的父亲是锯木厂工人,母亲是普通的家庭妇女,两人生育了12个孩子。

大家猜,在1895年,还在新西兰生活的24岁的卢瑟福接到英国剑桥大学的全奖录取通知书的时候,他在做什么?

那一天,卢瑟福正在田里挖土豆。

站在新西兰的广袤田野中的卢瑟福望着远方英国剑桥大学三一学院的方向,扔下铁锨,说出这样一句话:“这是我挖的最后一颗土豆了。”

小火箭要补充的有关卢瑟福爵士的另外一句话。他说过:“这个世界上,堪称科学的,只有物理这一个学科,其他的学科无非是做些搜集整理的工作罢了。”

听起来是不是很霸气?

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这是卢瑟福火箭发动机在试车台上测试时的场景。

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另外,小火箭要说的是,卢瑟福火箭发动机的很多零部件都是通过3D打印的方式来制造的。目前,新西兰的这家公司已经购置了6台金属增材3D打印设备,最快24小时,最慢72小时,就能够打印出一台卢瑟福火箭发动机。

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9台一级火箭上用的卢瑟福发动机进行并联点火测试的场景。

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电子号火箭的第二级上的一台卢瑟福发动机有着较大的膨胀比。其真空比冲为330秒。

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这是受卢瑟福模型的影响而制作的原子结构示意图。这样的示意图在很长一段时间内都是高科技的象征,其变形形式出现在各种各样的场合。

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各国的原子能机构也通常以这个模型来作为标志。

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采用了10台卢瑟福火箭发动机的电子号火箭以这个为标志也是比较理所应当的。不过,仔细看的话,原来的原子核换成了地球(而且是南半球),四周的电子换成了卫星。

载荷

电子号火箭的总体概述

其运载能力为:可以将150公斤重的载荷运到500公里高的太阳同步轨道上。其实,这个说法比较粗糙。具体来说,详见下面的图表:

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将150公斤重的载荷运到500公里高的太阳同步轨道上是标准打法,实际上还可以将比较重的微小卫星送入较低的轨道,比如将168公斤重的卫星送入300公里高的轨道;或者将比较轻的卫星送入较高的轨道,比如132公斤重的卫星送入700公里高的轨道。

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电子号火箭今后将以一箭多星的方式来大量发射这样的立方体卫星。有关立方体卫星,小火箭将会以系列文章的形式在以后详细介绍和分析。

发射场

电子号火箭拥有一座完全由私人公司建造完成的发射场。(实际上NASA在上世纪60年代在附近有过航天活动,另外,小火箭探寻到,研制和运营电子号火箭的公司的重要投资方中,有洛克希德·马丁公司。当然,本着专注技术本身的原则,这里不展开叙述。)

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其实,新西兰这个地方与中国航天也有着一些联系。上图为在神舟六号任务完成后,远望二号在新西兰怀特玛塔港补给。摄于2005年10月27日。

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这座发射场位于新西兰北岛的马希亚半岛。根据小火箭的风格,这里给出具体坐标:

南纬:39.2609°S; 东经:177.8655°E

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这就是位于新西兰北岛的马希亚半岛的电子号火箭的发射场。这是南半球比较少有的火箭发射场了。小火箭觉得风景不错。

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另外,电子火箭按照租约,也可以在美国航天圣地——卡纳维拉尔角发射。

小火箭进一步探查到,为了照顾有大倾角发射需求的客户,该公司还租用了美国阿拉斯加某处的发射基地。

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这是电子号火箭的指挥控制中心。

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这样的一枚火箭,发射报价是多少呢?

答:490万美元,也就是3375.958万人民币。

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在卢瑟福小时候挖土豆的地方,在挂满猕猴桃的枝头,一种新型的小火箭开始实用化,又一家私人航天公司开始萌芽并奋力崛起。电子号火箭,带着卢瑟福爵士的祝福,带着南半球国家发展商业航天的愿望,带着新西兰这片土地的田野芬芳,向上飞升。

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